AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR OPERACIONAL OPERACIONAL 1.- ¿Qué es un Amplificad! Ope!acinal" Los Los amplif amplifica icado dore res s opera operaci ciona onales les son son circu circuito itos s semico semicond nduct uctore ores s cuyas cuyas caracte característ rísticas icas de funcion funcionamie amiento nto los hacen muy versátiles versátiles,, y con ellos ellos se pueden resolver diversos tipos de problemas relacionados con el procesamiento de seña señale les s elec electr trón ónic icas as.. Un ampl amplif ific icad ador or oper operac acio iona nall (com (común únme ment nte e abreviado A.., op!amp u "A#$, es un circuito electrónico.
#.- ¿Cu$les sn sus en%!adas & salidas" %ienen dos entradas la ! &ue se denomina 'inversora y la ) &ue se denomina 'no inversora y una salida *o.
+l Amplifi mplifica cador dor opera operaci ciona onall tiene tiene dos entra entrada das s y una una salid salida a de señal señal.. Las Las entrada entradas s se marcan con menos menos (!$ y más ()$ para especif especificar icar las entrad entradas as inversora y no inversora, respectivamente. Una entrada aplicada al terminal no inversor aparecerá con la misma polaridad en la salida en tanto &ue una entrada &ue se apli&ue al terminal inversor aparecerá invertida en la salida
'.- ¿C(m se ene!)i*a" Corriente de polarización de entrada ( I b )
I b1 b1 = I b2 b2
ideal
I b = 80nA
típico
I b = 500nA
máximo
Corriente de compensación de entrada ( I o i )! )! "s la di#erencia de la corriente de polarización de entrada
I o i = 0$A
eo =0% ideal
I o i = 20$A
típico
I o i = &0$A
máximo
Resistencia de entrada ( Z i )
+.- ¿Idealmen%e cuan% es su )anancia a la* a,ie!%" +sta -anancia es a&uella &ue tiene el amplificador operacional cuando no eiste nin-ún camino de realimentación entre la salida y al-una de las dos entradas. "ara muchas aplicaciones es importante &ue este valor sea lo más elevado posible. La -anancia del amplificador en la/o abierto está dada por la si-uiente fórmula0
A* 1 *sal2*ent Donde: AV = ganancia de tensión Vsal = tensión de salida Vent = tensión de entrada
+n un amplificad! pe!acinal ideal, esta -anancia es infinita. 3omo el operacional es real, su -anancia está entre 45,555 y 455,555 (en amplificador operacional 6783$. +ste tipo de confi-uración se utili/a en comparadores, en donde lo &ue se desea es saber cual de las dos entradas tiene mayor tensión.
+.- ¿C(m es la independencia de en%!ada & salida" +l amplificador operacional como se señalo anteriormente es un amplificador diferencial de -anancia muy alta &ue se utili/a como blo&ue constructivo para el diseño de una amplia -ama de circuitos electrónicos. 9e representa mediante un trian-ulo y las características &ue lo definen son,
La importancia del amplificador operacional en la electrónica actual es &ue permite diseñar blo&ues funcionales con un comportamiento &ue es independiente de las características del elemento amplificador. 3on :l se consi-ue diseñar circuito electrónico muy preciso y estable aun cuando se utilice tecnolo-ía semiconductora &ue en sí es imprecisa e inestable.
+ste análisis demuestra &ue cuando el amplificador diferencial tiene una -anancia diferencial muy -rande, la función de transferencia entrada2salida del
circuito se hace independiente de ella y solo depende de las características de los circuitos pasivos ; y <. 9obre este análisis es importante hacer las si-uientes consideraciones0 8. +l circuito realimentado se puede interpretar como un mecanismo &ue a=usta dinámicamente la salida, al valor necesario para &ue la señal error e(t$ se ha-a cero. A esta situación se llama cero virtual, esto es un cero en tensión &ue se consi-ue no a trav:s de una condición topoló-ica de circuito (cortocircuito$ sino por a=uste dinámico. 4. +l re&uisito para operar en este modo, es &ue la -anancia diferencial Ad tienda a infinito, y en la práctica esto e&uivale a &ue la -anancia de bucle Ad; sea mucho mayor &ue la unidad0 Ad; >>8. +n el análisis se ha supuesto &ue el circuito es estable, y la salida tiende en r:-imen estacionario a un valor finito estable. "ara ello, la realimentación debe ser no re-enerativa, y en el caso de &ue, por actuar una amplificador operacional la -anancia de bucle sea infinita, si la realimentación tiene &ue ser ne-ativa.
.- Anali*a! las si)uien%es aplicacines de amplificad! de pe!acines •
In/e!s! de /l%a0e
+n la si-uiente fi-ura se muestra un circuito de Amplificador operacional en confi-uración inversora &ue tambi:n se puede decir &ue es un circuito amplificado operacional inversor de volta=e.
Fi)u!a 1 9e puede observar &ue, además del amplificador operacional, el circuito está compuesto por dos resistores (?@ y ?r$, una fuente de tensión como señal de
entrada (uf$ y un cortocircuito vinculando la entrada no inversora y el nodo común (tierra$. +l ob=etivo del presente análisis (y de todo lo &ue si-a de a&uí en adelante$ es obtener una epresión de la tensión de salida Us en función de la tensión de fuente, Uf. 9i se aplica la ley de nodos en el terminal inversor del Amplificador peracional, se obtiene0 .
Las corrientes de entrada a los terminales inversor y no inversor son nulas en una Ampp ideal, por lo tanto resultando0
a2 "or otra parte, el potencial de dicho nodo es cero, puesto &ue para el Ampp ideal la tensión entre los terminales inversor y no inversor Ud resulta nula, y este último terminal se encuentra conectado a tierra. "or lo tanto, recorriendo las mallas de entrada y de salida hasta de acuerdo a la se-unda ley de Birchhoff, respectivamente se tiene0
,2 9ustituyendo las ecuaciones (b$ en la ecuación (a$, es posible determinar la tensión de salida en función de la de entrada.
c 2 9e debe observar &ue la tensión de salida es una r:plica invertida y cambiada de escala de la tensión de entrada. La inversión de si-no entre la entrada y la salida es, por supuesto, la ra/ón para denominar a este circuito amplificador inversor. +l factor de escala, o -anancia de la/o cerrado, es el cociente ?r 2?i. +l resultado dado por la +cuación (b$ sólo es válido si el amplificador operacional mostrado en el circuito de la Ci-ura inicial es ideal es decir si A es
infinita y si la resistencia de entrada es infinita. "ara un amplificador operacional práctico la ecuación (c$ constituye una aproimación usualmente bastante buena. . La ecuación (c$ es importante por&ue indica &ue si la -anancia A del amplificador operacional es -rande, la -anancia del amplificador inversor se puede fi=ar mediante las resistencias eternas ?r y ?i. +l límite superior de la -anancia (o factor de amplificación de la/o cerrado$ ?r2?i está determinado por las tensiones de alimentación y por el valor de la tensión de señal uf. 9i se tienen tensiones de alimentación sim:tricas, es decir se obtiene
"or e=emplo, si Ucc 1 8D * y uf1 85 m*, el cociente ?r2?i debe ser inferior a 8D55. +n el circuito amplificador inversor mostrado en la Ci-ura 8, la resistencia ?r proporciona la coneión de realimentación ne-ativa es decir, conecta el terminal de salida con el terminal de la entrada inversora. 9i se elimina ?r, el camino de realimentación &ueda abierto y se dice &ue el amplificador estará operando en la/o abierto. La Ci-ura muestra la operación en la/o abierto. +n la si-uiente fi-ura se muestra un circuito amplificador de operando de la/o abierto0
Fi)u!a #. La ruptura del camino de realimentación cambia drásticamente comportamiento del circuito. +n primer lu-ar, la tensión de salida será ahora0
,2 9uponiendo, como antes, &ue
el
+ntonces
para poder mantener el sistema en la re-ión de operación lineal. "uesto &ue la corriente de la entrada inversora es prácticamente i-ual a cero, entonces la caída de tensión en bornes de ?i es prácticamente cero, lue-o la tensión de la entrada inversora es casi i-ual a la tensión de señal Uf. "ero además, debería cumplirse &ue udE uf. "or tanto, el amplificador operacional puede funcionar en la/o abierto en el modo lineal sólo si simplemente se satura. +n particular, satura en
. 9i
el Ampp , el amplificador operacional se
el amplificador operacional se satura en )Ucc. La relación mostrada en la ecuación (b$ se aplica cuando no hay camino de realimentación, y es por ello &ue el valor de A se denomina a menudo -anancia en la/o abierto del amplificador operacional. +l mismo ra/onamiento se-uido para el análisis del Ampp en confi-uración inversor puede usarse para anali/ar cual&uier otra confi-uración.
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3umad! de 4l%a0e
La tensión de salida en un amplificador sumador es una suma cambiada de escala y cambiada de si-no de las tensiones aplicadas a la entrada del amplificador. La Ci-ura F (&ue muestra un circuito amplificador sumadorG muestra un amplificador sumador con tres tensiones de entrada.
La relación entre la tensión de salida us y las tres tensiones de entrada ua, ub y uc se puede obtener planteando la LB3 en el nodo , o bien aplicando el principio de superposición no olvidando las restricciones de tensión y de corriente en la entrada del amplificador operacional ideal.
+l resultado obtenido en cual&uier caso, es0
Cinalmente si ?a1 ?b1 ?c1 ?i, la tensión de salida es la suma, con si-no cambiado, de las tensiones de entrada0
Aun&ue se ha ilustrado el amplificador sumador con sólo tres señales de entrada, la cantidad de tensiones de entrada puede aumentarse se-ún sea necesario. "or e=emplo, pueden sumarse 8H señales de audio -rabadas por separado con el fin de formar una única señal de audio. La confi-uración de amplificador sumador de la Ci-ura 4 podría incluir 8H valores de resistencia de entrada distintos, de modo &ue cada una de las pistas de audio de entrada apareciera en la señal de salida con un factor de amplificación distinto. +l amplificador sumador =ue-a, así, el papel de un me/clador de audio.
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Amplificad! de!i/ad! dife!enciad!
+l amplificador operacional en confi-uración derivador o diferenciador, proporciona a la salida una tensión &ue resulta proporcional la derivada o diferencial de la señal de tensión de entrada. +l circuito se muestra en la Ci-ura F.
Fi)u!a 5. 3omo en todos los casos anali/ados anteriormente, teniendo en cuenta las restricciones de tensión y corriente en la entrada del Ampp, resulta0
9e propone al lector demostrar la epresión anterior, recordando &ue la relación fundamental entre la tensión y la corriente en un capacitor se epresa de la si-uiente manera0
A pesar de &ue la epresión teórica de la tensión de salida de esta confi-uración resulta adecuada matemáticamente, este circuito se utili/a muy raramente en la práctica debido a &ue la operación de diferenciación de cual&uier señal tiende a amplificar los ruidos presentes en la misma.
Ca!ac%e!6s%icas •
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9u salida es proporcional a la derivada en el tiempo de la tensión de entrada. 9u análisis es similar al del inversor, únicamente &ue la intensidad de entrada es la correspondiente al condensador teniendo en cuenta &ue la diferencia de tensión a la &ue está sometido es la de entrada menos la masa virtual.
Cmpa!ad! de 4l%a0e
Cmpa!ad! simple +l amplificador operacional en bucle abierto (sin realimentar$ se comporta como un comparador analó-ico simple.
+l comparador analó-ico se denomina tambi:n 'AI3 de un bit. 9i el operacional no puede soportar una tensión diferencial elevada en la entrada, se puede limitar esta tensión utili/ando 4 resistencias y 4 diodos.La velocidad de conmutación del comparador &ueda limitada por el sleJ!rate del operacional.
Los fabricantes de amplificadores operacionales ofrecen modelos específicos optimi/ados par su uso como comparadores (volta-e comparators0 L#F88$. Los parámetros más importantes de un comparador son0 • • •
%ensión de offset referida a la entrada muy pe&ueña %ensión diferencial máima en la entrada elevada 9leJ rate elevado.
"or el contrario, los 'comparadores pueden tener una función de transferencia poco lineal ya &ue esa característica no es importante para esta aplicación.
Cmpa!ad! de 3c7mi%% in/e!s! La realimentación positiva hace &ue el operacional se encuentre siempre en estado de saturación (*o1*cc o bien *o1K*cc$, eceptuando las instantes de las transiciones entre los estados citados.
La tensión en la entrada no inversora es0 *41 *o ?8 2 (?8)?4$ "ara reali/ar el análisis de este circuito se supone &ue la tensión de salida es inicialmente *o1 *cc. +n estas condiciones0 *41 *cc ?8 2 (?8)?4$ +l supuesto *o1 *cc, implica &ue *i M *4. 9i se hace crecer *i, lle-ará un momento en &ue *i > *4, instante en el &ue la salida conmutará a *o1 !*cc . +n este estado, *41 !*cc ?8 2 (?8)?4$ . 9i *i continúa creciendo, *o se mantiene en *o1 !*cc. 9i ahora *i decrece, lle-ará un momento en &ue *i M *4, instante en el &ue *o vuelve a ser *cc.
+ste comportamiento se puede representar de forma -ráfica0
+l comparador de 9chmitt recibe tambi:n el nombre de comparador con hist:resis. 9e denomina hist:resis a la separación entre los tramos verticales de la -ráfica. +n este circuito, la hist:resis es 4N*, siendo0 N*1 *cc ?8 2 (?8)?4$
?espuesta del comparador de 9chmitt a la señal tra/ada en ne-ro. *o conmuta entre )*cc y K*cc.
3omparador de 9chmitt no inversor0 +ste circuito tambi:n presenta realimentación positiva, por lo &ue su comportamiento es muy parecido al anterior.
La señal de entrada se conecta a la entrada no inversora del operacional a trav:s de ?8, por lo &ue se denomina comparador no inversor.
uevamente, el operacional se encuentra siempre en estado de saturación (*o1*cc o bien *o1K*cc$, eceptuando las instantes de las transiciones entre los estados citados. La tensión en la entrada no inversora es0 *41 (*o ?8 ) *i ?4$ 2 (?8)?4$ "ara reali/ar el análisis de este circuito se supone &ue la tensión de salida es inicialmente *o1 *cc. +n estas condiciones0 *41 (*cc ?8 ) *i ?4$ 2 (?8)?4$ despe=ando *i0 *i1 (*4(?8)?4$ K *o?8$ 2 ?4 +l supuesto *o1 *cc, implica &ue *4 > 5 . 9i se hace decrecer *i, lle-ará un momento en &ue *4 M 5, instante en el &ue la salida conmutará a *o1 !*cc . +n este estado, *41 (!*cc ?8 ) *i ?4$ 2 (?8)?4$. +l valor de *i &ue corresponde a esta conmutación es *i1 !*cc (?82?4$ ya &ue *415. *4 +lectrónica Analó-ica0 pamps0 9i *i continúa decreciendo, *o se mantiene a !*cc. 9i ahora *i crece, lle-ará un momento en &ue *4 > 5, instante en el &ue *o vuelve a ser *cc. +l valor de *i para &ue ten-a lu-ar esta conmutación es0 *i1 *cc ?82?4 9i denominamos0 N*1 *cc ?8 2 ?4 la tensión de hist:resis es 4N*. La -ráfica correspondiente a este circuito está invertida en relación con la del circuito anterior
•
In%e)!ad! de 4l%a0e
Los op!amps permiten construir inte-radores casi perfectos, sin la restricción de &ue *out MM *in. +n la fi-ura si-uiente semuestra como se consi-ue esto. La corriente de entrada *in 2 ? fluye a trav:s de 3. Oa &ue la entrada inversos se encuentra a %ierra virtual, el volta=e de salida está dado por0
Pnte-rador 3lásico
Pnte-rador con boton de reset
3aracteristicas0 •
9u tensión de salida es proporcional a la inte-ral en el tiempo de la tensión de entrada.
Q +s útil en instrumentación, por e=emplo, un acelerómetro nos devuelve una señal proporcional a la aceleración de un ob=eto. Aplicada a un inte-rador, se obtiene la velocidad de dicho ob=eto. *olviendo a inte-rar se obtiene la posición.
8a,la de 9l:ues funcinales cns%!uids cn un amplificad! pe!acinal
IN8ROD;CCI
CONCL;3I
REFERENCIA3 9I9LIO>R?FICA3
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http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%201.%20Amplificadores %20Operacionales.pdf
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http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/tcieye/Apuntes/1!"Amplificadores %20operacionales%20_%20#e$2012.pdf
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https://www.google.co.$e/wehp&source'search_app(hl'es)sclient'psy* a)+'analisis,de,amplificador,operacional)o+'analisis,de,amplificador,op eracional)gs_l'serp.-..0ii-0l.12!.1!-!.0.10.11.11.0.0.0..10.22.03 103*1.11.0...0.0...1c.1..psy* a.le4056O$)p7'1)a$'on.28or.r_cp.r_+f.)fp'e!c1-010df-a)iw '10)ih'-
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http://wes.u$igo.es/ario/docencia/eangrado/O9A92.pdf
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