• Author / Uploaded
• Max Aston

• Categories
• Amplificador operacional
• Electromagnetismo
• Electricidad
• Ingenieria Eléctrica
• Ingeniería Electrónica

Citation preview

Amplificador operacional

741 con encapsulado metálico TO-5.

Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741. El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar. Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) encalculadoras analógicas. De ahí su nombre. El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

Notación[editar] El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son: 

V+: entrada no inversora



V-: entrada inversora



VOUT: salida



VS+: alimentación positiva



VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Habitualmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.

Tabla de Características Ideales y Reales[editar]

Circuito equivalente de un amplificador operacional.

Parámetro Valor ideal Valor real

Rin

∞

10 TΩ

Rout

0

100 Ω

Bw

∞

1 MHz

G

∞

100.000

Ac

0

Nota: Los valores reales dependen del modelo, estos valores son genéricos y son una referencia. Si van a usarse amplificadores operacionales, es mejor consultar el datasheet o características del fabricante.

Comportamiento en corriente continua (DC)[editar]

Lazo abierto[editar] realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000(que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000.000 V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para su uso en comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + (entrada no inversora) la salida será VS+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - (entrada inversora) la salida será la alimentación VS-.

Lazo cerrado o realimentado[editar] Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata -, la tensión en esta pata también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor. Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito:



V+ = V- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual).



I+ = I- = 0

Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayorimpedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente eléctrica de mejores características. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda. Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más aplicado es obtener un oscilador para generar señales oscilantes.

Comportamiento en corriente alterna (AC)[editar] En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones)

Análisis[editar] Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es: 1. Comprobar si tiene realimentación negativa 2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior 3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito 4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos) 5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

Configuraciones[editar] Véase también: Anexo:Amplificadores operacionales con realimentación negativa

Comparador[editar] Artículo principal: Comparador



Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.



Seguidor[editar] 

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.



Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)



Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin



Zin = ∞

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la resistencia interna del sensor es Rg, entonces la relación entre la tensión medida por el voltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor (Vg) será la correspondiente a este divisor de tensión:

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión en el sensor y el cableado. Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida.

No inversor[editar]

Como observamos, la tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

 

Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.

Sumador inversor[editar]



La salida está invertida



Para resistencias independientes R1, R2,... Rn

 

La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor



Impedancias de entrada: Zn = Rn

Restador Inversor[editar]



Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:

 

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales



La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2 + Rin, donde Rin representa la resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada del amplificador de modo común.



Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación.

Integrador ideal[editar]

 

Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)



Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador.

Derivador ideal[editar]



Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

 

Este circuito también se usa como filtro

NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

Conversor de corriente a voltaje[editar]

El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una fuente de corriente.

Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y el voltaje de salida es:

Su aplicación es en sensores, los cuales no pueden ser activados, con la poca corriente que sale de algún sensor , por lo que se acopla un A.O. que usa la poca corriente entregada, para dar salida a un voltaje (Vout)

Función exponencial y logarítmica[editar] El logaritmo y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la función exponencial a la señal de entrada.

La señal de entrada, desarrollará una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el diodo en aproximación. Ello, en conjunto con la resistencia de salida R, la dependencia de la tensión de salida(Vout) como producto de la tensión de entrada(Vin) es:

Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parámetros de la ecuación del diodo. Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posición del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación,esta ecuación también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tensión de salida con relación a la de entrada:

En la práctica, la realización de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usantransistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como es, sobre todo, la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuración queda inalterado. En la realización de estos circuitos también podrían hacerse conexiones múltiples, por ejemplo, en el amplificador antilogarítmico las multiplicaciones son adiciones , mientras que en el logarítmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir de ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificadores logarítmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un antilogarítmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analógico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada.

Convertidor Digital-Analogico (R-2R)[editar]



Cualquiera de las entradas ve una



Si



entonces

Si

entonces

Otros[editar] Aplicaciones[editar] 

Calculadoras analógicas



Filtros



Preamplificadores y buffers de audio y video



Reguladores



Conversores



Evitar el efecto de carga



Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)

Estructura interna del 741[editar] Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta. Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas: 1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial. 2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.

3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente acortocircuitos.

Etapa de entrada[editar]

Diagrama electrónico del operacional 741.

Sistema de corriente constante[editar] Las condiciones de reposo de la etapa de entrada se fijan mediante una red de alimentación negativa de alta ganancia cuyos bloques principales son los dos espejos de corriente del lado izquierdo de la figura, delineados con rojo. El propósito principal de la realimentación negativa (suministrar una corriente estable a la etapa diferencial de entrada) se realiza como sigue. La corriente a través de la resistencia de 39 kΩ actúa como una referencia de corriente para las demás corrientes de polarización usadas en el integrado. La tensión sobre esta resistencia es igual a la tensión entre los bornes de alimentación (

) menos dos

caídas de diodo de transistor (Q11 y Q12), por lo tanto la corriente es

. El espejo de

corriente Widlar formado por Q10, Q11, y la resistencia de 5Kohm genera una pequeña fracción de Iref en el colector de Q10. Esta pequeña corriente constante entregada por el colector de Q10 suministra las corrientes de base de Q3 y Q4, así como la corriente de colector de Q9. El espejo Q8/Q9 fuerza a la corriente de colector de Q9 a ser igual a la suma de las corrientes de colector de Q3 y Q4.

Por lo tanto las corrientes de base de Q3 y Q4 combinadas (que son del mismo orden que las corrientes de entrada del integrado) serán una pequeña fracción de la ya pequeña corriente por Q10. Entonces, si la etapa de entrada aumenta su corriente por alguna razón, el espejo de corriente Q8/Q9 tomará corriente de las bases de Q3 y Q4, reduciendo la corriente de la etapa de entrada, y viceversa. El lazo de realimentación además aísla el resto del circuito de señales de modo común al forzar la tensión de base de Q3/Q4 a seguir

por debajo de la mayor de las dos tensiones de entrada.

Amplificador diferencial[editar] El bloque delineado con azul es un amplificador diferencial. Q1 y Q2 son seguidores de emisor de entrada y junto con el par en base común Q3 y Q4 forman la etapa diferencial de entrada. Además, Q3 y Q4 actúan como desplazadores de nivel y proporcionan ganancia de tensión para controlar el amplificador clase A. También ayudan a mejorar la máxima tensión

inversa de los transistores de entrada

(la tensión de ruptura de las junturas base-emisor de los transistores NPN Q1 y Q2 es de 7 V aproximadamente, mientras que los transistores PNP Q3 y Q4 tienen rupturas del orden de 50 V). El amplificador diferencial formado por los cuatro transistores Q1-Q4 controlan un espejo de corriente como carga activa formada por los tres transistores Q5-Q7 (Q6 es la verdadera carga activa). Q7 aumenta la precisión del espejo al disminuir la fracción de corriente de señal tomada de Q3 para controlar las bases de Q5 y Q6. Esta configuración ofrece una conversión de diferencial a asimétrica de la siguiente forma: La señal de corriente por Q3 es la entrada del espejo de corriente mientras que su salida (el colector de Q6) se conecta al colector de Q4. Aquí las señales de corriente de Q3 y Q4 se suman. Para señales de entrada diferenciales, las señales de corriente de Q3 y Q4 son iguales y opuestas. Por tanto, la suma es el doble de las señales de corriente individuales. Así se completa la conversión de diferencial a modo asimétrico. La tensión en vacío en este punto está dada por el producto de la suma de las señales de corriente y el paralelo de las resistencias de colector de Q4 y Q6. Como los colectores de Q4 y Q6 presentan

resistencias dinámicas altas a la señal de corriente, la ganancia de tensión a circuito abierto de esta etapa es muy alta. Nótese que la corriente de base de las entradas no es cero y la impedancia de entrada efectiva (diferencial) de un 741 es del orden de 2 MΩ. Las patas "offset null" pueden usarse para conectar resistencias externas en paralelo con las dos resistencias internas de 1 kΩ (generalmente los extremos de un potenciómetro) para balancear el espejo Q5/Q6 y así controlar indirectamente la salida del operacional cuando se aplica una señal igual a cero a las entradas.

Etapa de ganancia clase A[editar] El bloque delineado con magenta es la etapa de ganancia clase A. El espejo superior derecho Q12/Q13 carga esta etapa con una corriente constante, desde el colector de Q13, que es prácticamente independiente de la tensión de salida. La etapa consiste en dos transistores NPN en configuración Darlington y utiliza la salida del espejo de corriente como carga activa de alta impedancia para obtener una elevada ganancia de tensión. El condensador de 30 pF ofrece una realimentación negativa selectiva en frecuencia a la etapa clase A como una forma de compensación en frecuencia para estabilizar el amplificador en configuraciones con relimentación. Esta técnica se llama compensación Miller y funciona de manera similar a un circuito integrador con amplificador operacional. También se la conoce como "compensación por polo dominante" porque introduce un polo dominante (uno que enmascara los efectos de otros polos) en la respuesta en frecuencia a lazo abierto. Este polo puede ser tan bajo como 10 Hz en un amplificador 741 e introduce una atenuación de -3 dB a esa frecuencia. Esta compensación interna se usa para garantizar la estabilidad incondicional del amplificador en configuraciones con realimantación negativa, en aquellos casos en que el lazo de realimentación no es reactivo y la ganancia de lazo cerrado es igual o mayor a uno. De esta manera se simplifica el uso del amplificador operacional ya que no se requiere compensación externa para garantizar la estabilidad cuando la ganancia sea unitaria; los amplificadores sin red de compensación interna pueden necesitar compensación externa o ganancias de lazo significativamente mayores que uno.

Circuito de polarización de salida[editar] El bloque delineado con verde (basado en Q16) es un desplazador de nivel de tensión (o multiplicador de

); un tipo de fuente de tensión.

En el circuito se puede ver que Q16 suministra una caída de tensión constante entre colector y emisor independientemente de la corriente que lo atraviesa. Si la corriente de base del transistor es despreciable, y la tensión entre base y emisor (y a través de la resistencia de 7.5 kΩ) es 0.625 V (un valor típico para un BJT en la región activa), entonces la corriente que atraviesa la resistencia de 4.5 kΩ será la misma que atraviesa 7.5 kΩ, y generará una tensión de 0.375 V. Esto mantiene la caída de tensión en el transistor, y las dos resistencias en 0.625 + 0.375 = 1 V. Esto sirve para polarizar los dos transistores de salida ligeramente en condicción reduciendo la distorsión "crossover". En algunos amplificadores con componentes discretos esta función se logra con diodos de silicio (generalmente dos en serie).

Etapa de salida[editar] La etapa de salida (delineada con cian) es un amplificador seguidor de emisor push-pull Clase AB (Q14, Q20) cuya polarización está fijada por el multiplicador de

Q16 y sus dos resistencias de base.

Esta etapa está controlada por los colectores de Q13 y Q19. Las variaciones en la polarización por temperatura, o entre componentes del mismo tipo son comunes, por lo tanto la distorsión "crossover" y la corriente de reposo puede sufrir variaciones. El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menos que la tensión de alimentación, debido en parte a la tensión

de los transistores de

salida Q14 y Q20. La resistencia de 25 Ω en la etapa de salida sensa la corriente para limitar la corriente que entrega el seguidor de emisor Q14 a unos 25 mA aproximadamente para el 741. La limitación de corriente negativa se obtiene sensando la tensión en la resistencia de emisor de Q19 y utilizando esta tensión para reducir tirar hacia abajo la base de Q15. Versiones posteriores del circuito de este amplificador pueden presentar un método de limitación de corriente ligeramente diferente. La impedancia de salida no es cero, como se esperaría en un amplificador operacional ideal, sin embargo se aproxima a cero con realimentación negativa a frecuencias bajas.

Nota: aunque el 741 se ha utilizado históricamente en audio y otros equipos sensibles, hoy en día es raro debido a las características de ruido mejoradas de los operacionales más modernos. Además de generar un "siseo" perceptible, el 741 y otros operacionales viejos pueden presentar relaciones de rechazo al modo común muy pobres por lo que generalmente introducirán zumbido a través de los cables de entrada y otras interferencias de modo común, como chasquidos por conmutación, en equipos sensibles. El "741" usualmente se utiliza para referirse a un operacional integrado genérico (como el uA741, LM301, 558, LM342, TBA221 - o un reemplazo más moderno como el TL071). La descripción de la etapa de salida del 741 es cualitativamente similar a la de muchos otros diseños (que pueden tener etapas de entrada muy diferentes), excpetuando que: 

Algunos dispositivos (uA748, LM301 y LM308) no tienen compensación interna (necesitan un condensador externo entre la salida y algún punto intermedio en el amplificador operacional, si se utilizan en aplicaciones de baja ganancia de lazo cerrado).



Algunos dispositivos modernos tienen excursión completa de salida entre las tensiones de alimentación (menos unos pocos milivoltios).

Parámetros[editar] 

Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia de realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.



Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas entradas del operacional.



Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través de resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor cero.



Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del operacional que hace que su salida tome el valor cero.



Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones.



Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de señal



Slew rate. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima respecto de la variación del tiempo. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el Slew Rate. Se mide en V/μs, kV/μs o similares. El slew rate está limitado por la compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales. Existen amplificadores no compensados (con mayor slew rate) usados principalmente en comparadores, y en circuitos osciladores, debido de hecho a su alto riesgo de oscilación.



Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en inglés). Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.

Limitaciones[editar]

Saturación[editar] Un A.O. típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores. Un concepto asociado a éste es el Slew rate.

Tensión de offset[editar] Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de

la temperatura (T) del operacional como sigue:

Donde T0 es una temperatura de referencia. Un parámetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensión de offset en la entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al modo común). Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relación de rechazo a la fuente de alimentación). La PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a la variación de los voltajes de alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:

Corrientes[editar] Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar:  

Idealmente ambas deberían ser cero.

Característica tensión-frecuencia[editar] Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante. Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios(Hz). Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener las características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

Capacidades[editar] El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

Deriva térmica[editar] Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los A.O. también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo detransistor en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

Introducción El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40. El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados. Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos. Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de vacío. El uso generalizado de los AOs no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales, fabricándose módulos que realizaban la circuitería interna del amplificador operacional mediante diseño discreto de estado sólido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos años los amplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estándar de diseño, abarcando aplicaciones mucho más allá del ámbito original de los computadores analógicos. Con la posibilidad de producción en masa que las técnicas de fabricación de circuitos integrados proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades, lo que, a su vez contribuyó a rebajar su coste. Hoy en día el precio de un amplificador operacional integrado de propósito general, con una ganancia de 100 dB, una tensión offset de entrada de 1 mV, una corriente de entrada de 100 nA. Y un ancho de banda de 1 MHz. es inferior a 1 euro. El amplificador, que era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para convertirse en un componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado por completo el panorama del diseño de circuitos lineales. En el presente trabajo se explicaran todos los aspectos relacionado con los amplificadores operacionales, incluyendo desde sus orígenes hasta sus diferentes presentaciones que existen actualmente, incluyendo la funcionalidad de cada una de estas, esto orientado a brindar un mejor entendimiento del tema y para ampliar los conocimientos que se tenga del mismo

Amplificadores Operacionales. El nombre de amplificador operacional proviene de una de las utilidades básicas de este, como son la de realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos (características operativas).

Originalmente los amplificadores operacionales (AO) se empleaban para operaciones matemáticas (Suma, Resta, Multiplicación, División, Integración, Derivación, etc.) en calculadoras analógicas, de ahí su nombre. El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene la capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante, tiene además limites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan pro su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB. El amplificador operacional (AO) es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra (o el punto de referencia que se considere).

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos45/amplificadores-operacionales/amplificadoresoperacionales.shtml#ixzz32xitBi6G

Origen del Amplificador Operacional. El concepto del amplificador operacional procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40. El nombre del amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados. Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas solo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio logar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos. Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de vacío. El uso generalizado de los amplificadores operacionales no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales, fabricándose módulos que realizaban la circuiteria interna del amplificador operacional mediante el diseño discreto de estado sólido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos años los amplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estándar de diseño, abarcando aplicaciones mucho más allá del ámbito original de los computadores analógicos. Con la posibilidad de producción en masa que las técnicas de fabricación de circuitos integrados proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades, lo que contribuyo a rebajar su coste. Hoy en día el precio de un amplificador operacional integrado de propósito general, con una ganancia de 100 dB, una tensión offset de entrada de 1mV, una corriente de entrada de 100 nA, y un ancho de banda de 1 MHz es inferior a 1 euro. El amplificador, que era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para convertirse en un componente discreto el mismo, una realidad que ha cambiado por completo el panorama del diseño de circuitos lineales. Con componentes de ganancia altamente sofisticados disponibles al precio de los componentes pasivos, el diseño mediante componentes activos discretos se ha convertido en una perdida de tiempo y de dinero para la mayoría de las aplicaciones dc y de baja frecuencia. Claramente el amplificador operacional integrado ha redefinido las "reglas básicas" de los circuitos electrónicos acercando el diseño de circuitos al desistemas. Lo que ahora debemos de hacer es conocer bien los AO (amplificadores operacionales), como funcionan, cuales son sus principios básicos y estudiar sus aplicaciones.

Esquemas y Configuraciones Externas. El símbolo de un amplificador operacional es el siguiente:

Los Terminales son: V+: Entrada no inversora. V-: Entrada Inversora Vout: Salida Vs+: Alimentación positiva Vs-: Alimentación negativa. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por razones de claridad. Lazo Abierto: Si no existe realimentación, la salida del AO será la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de 1mV la salida debería de ser 100V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el AO estará saturado si se da este caso. Si la tensión mas alta es la aplicada a la Terminal positiva la salida será la que corresponde a la alimentación Vs+, mientras que si la tensión más alta es la de la Terminal negativa la salida será la alimentación VsLazo Cerrado: Se conoce como lazo a la retroalimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la Terminal negativa, la tensión en esta Terminal también se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas se reduce, disminuyéndose también la salida este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las 2 entradas, idealmente con el mismo valor. Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas 2 aproximaciones para analizar el circuito: V+ = VI+ = I- = 0 Alimentación: El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0V. El valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un máximo y un mínimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador el valor de tensión que se escoja, únicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentación.

Configuración Interna de un Amplificador Operacional. Internamente el AO contiene un gran numero de transistores, resistores, capacitares, etc. Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines o terminales. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que esta a la izquierda de una muesca cuando se pone integrado. La distribución de los terminales del amplificador operacional integrado DIP de 8 pines es: - Pin 2: entrada inversora (-) - Pin 3: Entrada no inversora (+) - Pin 6: Salida (out) Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensión: - Una positiva conectada al Pin 7 - Una negativa conectada al Pin 4

También existe otra presentación con 14 pines, en algunos casos no hay muesca, pero hay un circuito pequeño cerca del Pin numero 1. Esquema de la configuración interna del Amplificador Operacional:

Amplificador Operacional Ideal A continuación se muestra un esquema del amplificador operacional ideal:

Este es un dispositivo de acoplo directo, con entrada diferencial y un único Terminal de salida. El amplificador solo responde a la diferencia de tensión entre los 2 terminales de entrada, no a su potencia común. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida. Con una tensión de entrada diferencial, Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizaran siempre independientemente de la aplicación. La señal d salida es de un solo Terminal y esta referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares (+) V0 = a Vd a = infinito Ri = Infinito R0 = 0

BW (Ancho de banda) = infinito V0 = 0 si Vd = 0 Teniendo en mente las funciones de la entrada y la salida, se puede definir las propiedades del amplificador ideal. 1.- La ganancia de tencion es infinita: a = ∞ 2.- La Resistencia de entrada es infinita: Ri = ∞ 3.- La resistencia de salida es 0: Ro = 0 4.- El ancho de banda es infinito: BW = ∞ 5.- La tensión offset de entrada es 0: V0 = 0 Si Vd = 0 A partir de estas características del AO, podemos deducir otras 2 importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia de tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña Luego, en resumen: La tensión de entrada diferencial es nula. También, si la resistencia de entrada es infinita. No existe flujo de corriente en ninguno de los termínales de entrada. Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearan repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se puede, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores operacionales

Funcionamiento en Modo Diferencial y Modo Común Una tercera configuración del amplificador operacional es conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de la configuración inversa y no inversa. Aunque esta basado en los otros 2 circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. A continuación se muestra un esquema de un amplificador operacional diferencial:

El circuito anterior tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional. Para comprender el circuito, primero se estudiarán las dos señales de entrada por separado, y después combinadas. Como siempre Vd = 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero. Se debe recordar que Vd = V(+) - V(-) ==> V(-) = V(+) La tensión a la salida debida a V1 la llamaremos V01

y como V(-) = V(+) La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá:

Y la salida debida a V2 (suponiendo V1 = 0) será, usando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor, V02

Y dado que, aplicando el teorema de la superposición la tensión de salida V0 = V01 + V02 y haciendo que R3 sea igual a R1 y R4 igual a R2 tendremos que:

Por lo que concluiremos

Que expresando en términos de ganancia:

Que es la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial Esta configuración es única porque puede rechazar una señal común a ambas entradas. Esto se debe a la propiedad de tensión de entrada diferencial nula, que se explica a continuación. En el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo. V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V(+) en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V (-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red de resistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V(-) se mantenga igual a V(+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está a masa. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación

La ganancia para señales en modo común es cero, puesto que, por definición, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplican señales iguales a ambas entradas. Las dos impedancias de entrada de la etapa son distintas. Para la entrada (+), la impedancia de entrada es R1 + R2. La impedancia para la entrada (-) es R3. La impedancia de entrada diferencial (para una fuente flotante) es la impedancia entre las entradas, es decir, R1+R3.

Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) En la siguiente figura se coloca un esquema básico de medición

Al Amplificador de Instrumentación ingresan dos señales de modo común: una de c.c. de +2.5V provenientes del puentes de resistencias y otra de c.a. Vruido inducida sobre los cables de entrada al amplificador.Los amplificadores de Instrumentación amplifican la diferencia entre dos señales. Esas señales diferenciales en la práctica provienen de sensores como ser termocuplas, fotosensores, puentes de medición resistivos, etc. En la figura de arriba se ve que de un puente resistivo, en estado de equilibrio sin señal, en la mitad de las ramas del puente existe una señal de 2.5V respecto a masa. Esta señal de corriente continua es común a ambas entradas por lo cual es llamada Voltaje de Modo Común de la señal diferencial. Se puede ver que estas señales no contienen información útil en lo que se quiere medir y como el amplificador amplificará la diferencia de ambas, al ser iguales, se restan y a la salida el resultado será cero o sea idealmente no están contribuyendo a la información de salida. También se ve que se inducen señales de corriente alterna en ambas entradas a la vez y que serán rechazadas como en el caso de continua. Pero al producirse un desbalance del equilibrio del puente por la variación de una de sus resistencias se producirá una señal que será aplicada entre ambas entradas y será amplificada. Por lo expuesto, es que se justifica la utilización de amplificadores de instrumentación para rechazar señales que entran en modo común, o sea en las dos entradas se presenta la misma señal. En la práctica, las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente, de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la salida. Para cuantificar la calidad del Amplificador de Instrumentación, se especifica la llamada Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) que matemáticamente se expresa como:

     

Siendo: AD= Amplificación Diferencial AD = Vout / Vin diferencial ACM= Amplificación Modo Común VCM= Voltage de modo común en la entrada ACM = Vout / VCM Vout= Voltage de salida De la última fórmula podemos obtener la Vout como:

  

De las hojas de datos de los Amplificadores de Instrumentación podemos obtener por ejemplo: CMRR=100db ; AD =10 ; De la figura, VCM de modo común es de 2.5Volt De donde: Vout = 250uV para el caso de la figura anterior. Rechazo de Modo Común de c.a. y de c.c. Como se ve en la figura de arriba, y como se dijo, se presentan a las entradas diferenciales, señales de c.c. y de c.a. y al no ser infinito el CMRR, una cierta cantidad de ambas estarán presentes en la salida, además de la señal diferencial deseada. La componente indeseada de c.c. puede considerarse como un offset y es sencillo ajustarlo externamente. La componente indeseada de c.a. es más complicada de disminuir a la entrada, y se hace principalmente utilizando filtros de c.a. colocados en la entrada, disminuyendo el ancho de banda de utilización del amplificador. La especificación de CMRR en función de la frecuencia se obtiene de las hojas de datos. En la figura siguiente se puede apreciar como varía el CMRR, disminuyen a medida que aumenta la frecuencia.

La respuesta en frecuencia del CMRR es plana hasta alrededor de 100 HZ

Voltaje de Modo Común de Entrada en función del de Salida Un circuito con filtros de c.a. se muestra en la siguiente figura:

Amplificador Operacional Real. Un amplificador operacional real difiere del comportamiento ideal en 2 aspectos: consume intensidades en sus entradas, e introduce errores en la comparación de las señales de entrada. En la siguiente figura se muestra le circuito interno de un amplificador operacional típico. En este caso se considere el amplificador AD741:

Aplicaciones: Amplificador Inversor La configuración más sencilla es la inversora. Dada una señal analógica (por ejemplo de audio) el amplificador inversor constituye el modo mas simple de amplificar o atenuar la señal (en el ejemplo propuesto modificar el volumen de la señal) Ejemplo:

A continuación montaremos paso a paso un amplificador inversor y para entenderlo paso a paso. Partimos de nuestro amplificador operacional:

Ahora le vamos a añadir una resistencia R1 desde la entrada + a masa:

Tienes que recordar que la corriente que entra por cualquiera de las dos entradas del operacional es cero, por lo tanto no circulará corriente por R1 y la tensión en la entrada + será 0 (V=I*R1=0*R1=0). Es lo mismo que si conectáramos la entrada + a masa directamente, pero se pone una resistencia porque el circuito trabaja mejor. A continuación le ponemos la realimentación negativa mediante una resistencia R2:

Ya podemos decir que estamos ante un circuito con realimentación negativa, así que podemos decir que la tensión en la entrada + es igual a la tensión de la entrada -, es decir, 0. Pero nos falta por poner la entrada del circuito, la entrada la pondremos mediante R3 de la siguiente manera:

Este es el amplificador inversor completo, y todo lo que hemos dicho hasta ahora se cumple, así que pasemos a analizarlo. Para ello nos apoyaremos en el siguiente gráfico, que muestra todas las corrientes y tensiones del circuito:

Todos los circuitos con operacionales se analizan de forma muy parecida, asi que presta atención. Buscamos una ecuación matemática que nos relacione la entrada con la salida. Primero hayamos la expresión de la corriente de entrada I1. Para ello tienes que tener en cuenta la tensión a la que esta sometida R3. Que será Vin-0=Vin. Siempre la tensión en una resistencia vendrá dada según la dirección en que pintemos la corriente, y será: la tensión del lado de la resistencia por donde entra la corriente menos la tensión del lado de la resistencia por donde sale. Por lo tanto según la ecuación: Vin = I1 * R3 I1 =Vin / R3 Si observamos la figura y recordamos que por la entrada del operacional no iba corriente alguna llegamos a la conclusión de que I2 = I1, así que calcularemos de la misma forma I2 y la igualaremos a I1. Según esto escribiremos: 0 - Vout = I2 * R2 - Vout = I2 * R2 I2 =- Vout / R2 Igualando I2 = I1: I2 = I1 - Vout / R2 = Vin / R3 - Vout = Vin * (R2 / R3) Vout = -Vin * (R2 / R3) Según la expresión obtenida llegamos a la conclusión de que la tensión de salida Vout es la de entrada cambiada de signo y multiplicado por una constante (R2/R3). A esto se le llama ganancia del circuito. Este circuito tiene una ganancia (Av) negativa de -(R2/R3) y por lo tanto podemos escribir que: Vout = Av * Vin Amplificador no Inversor:

Este circuito presenta como característica más destacable su capacidad para mantener la fase de una señal, el análisis se realiza de forma análoga al anterior. Ejemplo:

En este tipo de amplificador, a diferencia del inversor, la entrada Vi entrará directamente por la entrada no inversora del amplificador operacional (entrada +):

A continuación pondremos la realimentación negativa por medio de la resistencia R1:

Para terminar el circuito añadimos la resistencia R3 de la forma siguiente:

Ahora vamos a hallar la relación entra la salida y la entrada. Recuerda una vez más que las tensiones en la entrada no inversora y la entrada inversora son iguales y que la corriente de entrada al operacional es cero, por lo tanto I1 es igual a I2. Así que no tenemos más que calcular las dos por separado y luego igualarlas: Tensión de R2 = Vi Vi = I2 * R2 I2 = Vi / R2 Tensión de R1 = Vo - Vi Vo - Vi = I1 * R1

I1 = (Vo - Vi) / R1 Igualando I1 e I2 I1 = I2 (Vo - Vi) / R1 = Vi / R2 Vo - Vi = Vi (R1 / R2) Vo = Vi (1 + R1 / R2) Por lo tanto, este circuito tiene una ganancia en tensión Av = 1 + R1 / R2 . Esto quiere decir que la salida será Av veces la entrada, sin invertirse la señal ya que Av es positiva.

Configuraciones Basadas en los Circuitos Inversor y No Inversor El amplificador diferencial Una tercera configuración del AO conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de las dos configuraciones anteriores. Aunque está basado en los otros dos circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. Este circuito, mostrado en la figura, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional.

Para comprender el circuito, primero se estudiarán las dos señales de entrada por separado, y después combinadas. Como siempre Vd = 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero. Recordar que Vd = V(+) - V(-) ==> V(-) = V(+) La tensión a la salida debida a V1 la llamaremos V01

y como V(-) = V(+) La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá:

Y la salida debida a V2 (suponiendo V1 = 0) será, usando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor, V02

Y dado que, aplicando el teorema de la superposición la tensión de salida V0 = V01 + V02 y haciendo que R3 sea igual a R1 y R4 igual a R2 tendremos que:

Por lo que concluiremos

Que expresando en términos de ganancia:

Que es la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial Esta configuración es única porque puede rechazar una señal común a ambas entradas. Esto se debe a la propiedad de tensión de entrada diferencial nula, que se explica a continuación. En el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo. V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V(+) en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V(-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red de resistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V(-) se mantenga igual a V(+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está a masa. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación

La ganancia para señales en modo común es cero, puesto que, por definición, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplican señales iguales a ambas entradas. Las dos impedancias de entrada de la etapa son distintas. Para la entrada (+), la impedancia de entrada es R1 + R2. La impedancia para la entrada (-) es R3. La impedancia de entrada diferencial (para una fuente flotante) es la impedancia entre las entradas, es decir, R1+R3. amplificador sumador inversor Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor, figura

En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V(+) está conectada a masa, por lo que la tensión V(-) estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente I1 circulará a través de RF y la llamaremos I2. Lo que ocurre en este caso es que la corriente I1 es la suma algebraica de las corrientes proporcionadas por V1, V2 y V3, es decir:

Y también

Como I1 = I2 concluiremos que:

Que establece que la tensión de salida es la suma algebraica invertida de las tensiones de entrada multiplicadas por un factor corrector, que el alumno puede observar que en el caso en que RF = RG1 = R G2 = R G3 ==> VOUT = - (V1 + V2 + V3) La ganancia global del circuito la establece RF, la cual, en este sentido, se comporta como en el amplificador inversor básico. A las ganancias de los canales individuales se les aplica independientemente los factores de escala RG1, R G2, R G3,... étc. Del mismo modo, R G1, R G2 y R G3 son las impedancias de entrada de los respectivos canales. Otra característica interesante de esta configuración es el hecho de que la mezcla de señales lineales, en el nodo suma, no produce interacción entre las entradas, puesto que todas las fuentes de señal alimentan el punto de tierra virtual. El circuito puede acomodar cualquier número de entradas añadiendo resistencias de entrada adicionales en el nodo suma. Aunque los circuitos precedentes se han descrito en términos de entrada y de resistencias de realimentación, las resistencias se pueden reemplazar por elementos complejos, y los axiomas de los amplificadores operacionales se mantendrán como verdaderos. Dos circuitos que demuestran esto, son dos nuevas modificaciones del amplificador inversor. AMPLIFICADOR SUMADOR NO INVERSOR

también tenemos:

Si igualamos las dos expresiones de VE:

La expresión final de Vo se puede simplificar para el supuesto de que el valor en paralelo de R1 y R2 sea igual al valor en paralelo de R3 y R4.

AMPLIFICADOR INTEGRADOR Un circuito integrador realiza un proceso de suma llamado "integración". La tensión de salida del circuito integrador es proporcional al área bajo la curva de entrada (onda de entrada), para cualquier instante.

Integrador con un amplificador operacional En el siguiente gráfico se puede ver una señal de entrada (línea recta) de 3 voltios que se mantiene continuo con el pasar del tiempo.

Onda de entrada En el siguiente gráfico se muestra que el área bajo la curva en un momento cualquiera es igual al valor de la entrada multiplicado por el tiempo. Vsal = Vent x t



Onda de salida Por ejemplo: al terminar el primer segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 1 = 3 al terminar el siguiente segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 2 =6 al terminar el tercer segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 3 = 9 al terminar el cuarto segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 4 = 12 Dando los valores de R = 1 MΩ y C = 1 uF al primer gráfico, el valor de la tensión de salida es: Vsal = - (1 / RC) x Vent x t.

 

  

La ganancia de este amplificador en este caso es: -1 / (1 x 106 x 1 x 10-6) = -1, y el signo negativo se debe a que el amplificador operacional está configurado como amplificador inversor Así: al terminar el primer segundo, Vsal = - Vent x t = - 3 x 1 = - 3 al terminar el siguiente segundo, Vsal = - Vent x t = - 3 x 2 = - 6 al terminar el tercer segundo, Vsal = Vent x t = - 3 x 3 = - 9 al terminar el cuarto segundo, Vsal =Vent x t = - 3 x 4 = - 12 Esta tensión de salida no crece indefinidamente (en sentido negativo). Hay un momento, como se puede ver el último gráfico en que ésta línea se mantiene a un valor constante. Esto sucede cuando el amplificador llega a su tensión de saturación. Si a un integrador se le mantiene la entrada a un nivel de corriente continua constante, por un largo periodo de tiempo, este llegará a saturación. Observando las siguientes figuras se puede ver que si la onda de entrad es cuadrada, el área acumulada y la forma de onda de la salida serán.

Entre t0 y T1: En el gráfico superior se ve que mientras la tensión de entrada (Vent) se mantiene constante positiva el área acumulada aumenta y la tensión de salida (Vsal) tiene pendiente negativa debido a la inversión (la señal de entrada ingresa por el terminal inversor del amplificador operacional). En t1: La forma de onda de la entrada cambia su polaridad bruscamente a un valor negativo, el área acumulada va disminuyendo y la forma de onda de la salida tiene pendiente positiva. En t2: La entrada cambia a un valor positivo bruscamente y el ciclo se vuelve a repetir. En el gráfico anterior el tiempo en que la señal de entrada permanece constante, ya sea positiva o negativa, no es suficiente para que el integrador de se sature en su salida Si la entrada es una onda cuadrada, el integrador se puede utilizar como generador de onda triangular Señal de entrada sinusoidal Si la tensión de entrada es sinusoidal, las diferentes formas de onda se ven en el siguiente gráfico

En este caso el área acumulada inicia con un valor negativo debido a la parte de la señal de entrada (Vent) que existe entre -90 y 0°. De 0° a 90° el área acumulada es positiva. Esta área se resta del área negativa previa hasta cancelarse cuando se llega a los 90°. Después el área acumulada vuelve a crecer hasta llegar a los 180°. Después de los 180° la entrada empieza a disminuir y esto causa que también empiece a disminuir el área acumulada. La forma de onda de la salida es invertida a la del área acumulada debido a que la entrada de la señal se hace en la entrada inversora Matemáticamente: - Area acumulada = -Vp cos ωt - Salida invertida = Vsal = Vp cos ωt Con la tensión pico de salida = Vp = (1 / RC) Vent La tensión de salida será: Vsal = (1 / RC) Vent cos ωt Para ello definimos un integrador ideal que vienen dado de la siguiente manera: Integrador ideal



Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)



Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos (t = 0) Este circuito también se usa como filtro AMPLIFICADOR DIFERENCIADOR

Se trata de un circuito constituido por una capacidad C y una Resistencia R (Circuito RC), el cual actúa como un filtro pasivo para altas frecuencias, debido a que no intervienen elementos amplificadores, como transistores o circuitos integrados, este tipo de filtro atenúa bajas frecuencias según la formula empírica. Este Circuito se utiliza para detectar flancos de subida y bajada de una señal provocando una mayor diferenciación en los flancos de entrada y salida de la señal que, es donde la variación con el tiempo (t) se hace más notoria. Estas zonas de la señal son además las que corresponden a las altas frecuencias, mientras que las zonas planas están compuestas por frecuencias mas bajas. Este tipo de circuitos son mas conocidos como filtro RC pasivo pasa alto que, se utiliza para las frecuencias superiores al valor especificado por la formula anterior. Desde para perspectiva este circuito, separa la corriente continua entre circuitos ya que el condensador interrumpe el paso de la corriente continua, dejando pasar solo el pulso correspondiente al flanco de entrada y salida. La señal derivada puede utilizarse para disparar algún otro componente de la cadena electrónica como puede ser un trigger (disparador). Que ocurre cuando se aplica a un tren de impulsos de entrada de este circuito. Cuando un pulso de tensión, se eleva de repente de cero a máximo, la corriente que carga al condensador C, de repente se eleva a un valor máximo también. En la medida que se carga C, la carga de corriente se cae exponencialmente a cero. Ya que esta corriente de carga pasas por la resistencia R, el voltaje a través dela R ( que es el voltaje de salida) hace lo mismo. Por consiguiente nosotros conseguimos la forma mostrada, con el voltaje de salida que sube de repente al máximo y a continuación caerse exponencialmente entonces a cero. Cuando el pulso se cae a cero, se produce la descarga del condensador C. La corriente de descarga es alta en la salida y entonces se cae exponencialmente a cero como la descarga del condensador C. Sin embargo dado que la corriente de descarga, esta en oposición a la dirección de la carga actual, el voltaje por R se invertirá, con lo que la forma de onda se muestra ahora por debajo de la línea cero. Para cada pulso, la forma de onda de salida se repite, mostrando la forma siguiente:

Observe la figura anterior, podemos apreciar el efecto que ejerce el condensador C al cargarse y la posterior descarga sobre la resistencia R, motivo por el cual la señal de salida presenta los picos del grafico, la Ley de Ohm dice que, la corriente es proporcional al voltaje y recíprocamente, el voltaje es proporcional a la corriente. El pulso de salida es proporcional a la variación del pulso de entrada con el tiempo t. El circuito actúa como una derivada. El circuito solo diferenciara el pulso de entrada si la constante de tiempo es pequeña comparada con anchura de la señal. En caso contrario el pulso pasa sin grandes variaciones. Esto se hace patente cuando debido a malas terminaciones en los cables o a conexiones en mal estado se generan circuitos RC accidentales, apareciendo situaciones como las de la figura siguiente.

La carga eléctrica (i) empieza a almacenarse en el condensador (C) cuando el voltaje se aplica a la entrada. La corriente eléctrica que fluye en el condensador, como la carga eléctrica se almacena en decrementos. La corriente eléctrica que fluye a través del condensador (C) y la resistencia (R) se calcula por lo siguiente fórmula: i = (V/R)e-(t/CR)

Donde:

i

:

La corriente eléctrica (A) que cambia en el tiempo

V

:

El voltaje (V) aplicado

R

:

El valor de resistencia (W ohms)

C

:

El valor del condensador (F)

e

:

La base del logaritmo natural (2.71828)

t

:

El tiempo de retardo después del inicio (sec)

CR :

La constante de tiempo del condensador ( C x R)

Los cambios de tensión que aparece a extremos de la resistencia (R) se deduce en la fórmula siguiente. iR = V[e-(t/CR)] Es como se muestra en la fórmula que sigue sobre el gráfico.

El cálculo exponencial puede calcularse mediante la operación Exp, con la aplicación que nos ofrece la calculadora electrónica de nuestro equipo (la función calculadora electrónica) en caso de Windows95 o mayor. SEGUIDOR DE TENSIÓN El seguidor de tensión es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada, independientemente de la carga que se le acopla, que es tanto como decir, independientemente de la intensidad que se demande. Esta aplicación es importante en la amplificación de señales que teniendo un buen nivel de tensión son de muy baja potencia y por tanto se atenuarían en el caso de conectarlas a amplificadores de mediana o baja impedancia de entrada.

A la vista del circuito de la figura y aplicando el concepto de cortocircuito virtual tenemos que I1=0 y la tensión en el terminal no inversor es igual que la tensión en el terminal inversor, con lo que podemos afirmar que Vi=Vo. También podemos decir que I2=0 con lo cual la carga demandará la corriente por I3 únicamente, permaneciendo aisladas la entrada y la salida del amplificador operacional. comparador El comparador, esta constituido por un amplificador operacional en lazo abierto y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.

En este circuito, la salida (Vo), solo puede tomar dos valores de tensión distintos, que son precisamente los valores de tensión con que estemos alimentando el amplificador operacional (+Vcc, -Vcc). Para entender el funcionamiento, estudiemos el siguiente circuito

En este circuito, estamos alimentando el amplificador operacional (A.O.) con dos tensiones +Vcc = 15V y -Vcc = -15 V. Conectamos la patilla V+ del A.O. a tierra para que sirva como tensión de referencia, en este caso 0 V. A la entrada V- del A.O. hemos conectado una fuente de tensión (Vi) variable en el tiempo, en este caso es una tensión sinusoidal. Hay que hacer notar que la tensión de referencia no tiene por que estar en la entrada V+, también puede conectarse a la patilla V-, en este caso, conectaríamos la tensión que queremos comparar con respecto a la tensión de referencia, a la entrada V+ del A.O.A la salida (Vo) del A.O. puede haber únicamente dos niveles de tensión que son en nuestro caso 15 _o -15 V (considerando el A.O. como ideal, si fuese real las tensiones de salida serán algo menores). Cuando la tensión sinusoidal Vi toma valores positivos, el A.O. se satura a negativo, esto significa que como la tensión es mayor en la entrada V- que en la entrada V+, el A.O. entrega a su salida una tensión negativa de 15 V. Cuando la tensión sinusoidal Vi toma valores negativos, el A.O. se satura a positivo, esto es, al estar su patilla V+ a mayor potencial que la patilla V-, el A.O. entrega a su salida una tensión positiva de 15 V. Al comparador, es bastante difícil mantener la tensión de salida entre los dos estados ya que a la entrada siempre hay una diferencia de señal de mV. Disparador de schmit (sCHMITT tRIGGER) Un Schmitt trigger cambia su estado de salida cuando la tensión en su entrada sobrepasa un determinado nivel; la salida no vuelve a cambiar cuando la entrada baja de ese voltaje, sino que el nivel de tensión para el cambio es otro distinto, más bajo que el primero. A este efecto se conoce como ciclo de histéresis. Ésta es la principal diferencia con un comparador normal, que es un simple amplificador operacional sin realimentación, y que su salida depende únicamente de la entrada mayor. El trigger Schmitt usa la histéresis para prevenir el ruido que podría solaparse a la señal original y que causaría falsos cambios de estado si los niveles de referencia y entrada son parecidos. Para su implementación se suele utilizar un amplificador operacional realimentado positivamente. Los niveles de referencia pueden ser controlados ajustando las resistencias R1 y R2:

Por ejemplo, si el trigger inicialmente está activado, la salida estará en estado alto a una tensión Vout = +Vs, y las dos resistencias formarán un divisor de tensión entre la salida y la entrada. La tensión entre las dos resistencias (entrada +) será V+, que es comparada con la tensión en la entrada −, que supondremos 0V (en este caso, al no haber realimentación negativa en el operacional, la tensión entre las dos entradas no tiene porque ser igual). Para producir una transición a la salida, V+ debe descender y llegar, al menos, a 0V. En este caso la tensión de entrada es:

Llegado este punto la tensión a la salida cambia a Vout=−Vs. Por un razonamiento equivalente podemos llegar a la condición para pasar de −Vs a +Vs:

Con esto se hace que el circuito cree una banda centrada en cero, con niveles de disparo ±(R1/R2)VS. La señal de entrada debe salir de esa banda para conseguir cambiar la tensión de salida. Si R1 es cero o R2 es infinito (un circuito abierto), la banda tendrá una anchura de cero y el circuito funcionará como un comparador normal. El símbolo para un trigger Schmitt es un triángulo que tiene en su interior el símbolo de la histéresis:

Amplificador de Ganancia constante El circuito de amplificador de ganancia constante que mas se utiliza es el amplificador inversor, el cual se muestra en la figura 5.14 la salida se obtiene multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante, que determinan la resistencia de entrada (R1) y la resistencia de retroalimentación (RF), con la salida invertida respecto a la entrada.

Filtros Activos Los filtros son circuitos capaces de controlar las frecuencias permitiendo o no el paso de estas dependiendo de su valor. Se llaman activos ya que constan de elemento pasivos (células R-C) y elementos activos como el OP-AMP ya estudiado. Las células R-C están compuestas por una resisitencia y un condensador (en las estructuras a

tratar) y dependiendo del numero de estas células usadas se determinara el orden del filtro asi como su respuesta y su calidad. El funcionamiento de las células se basa principalmente en su actuación como divisor de tensión. Al aumentar la frecuencia de señal, la reactancia del condensador disminuirá y entrara mao o menos tensión al OP-AMP, dependiendo de si pasa altos o pasa bajos respectivamente. Para cualquier tipo de filtros se emplean las siguientes definiciones: Frecuencia de corte: es aquella en que la ganancia del circuito cae a -3 db por debajo de la máxima ganancia alcanzada. En los filtros pasa y elimina banda, existen dos: una superior y otra inferior. Banda pasante: conjunto de frecuencias de ganancia superior a la de corte en un margen menor o igual a 3 dB. Calidad: especifica la eficacia del filtro, es decir, la identidad de su respuesta. Se mide en dB / octava; dB / década .lo ideal seria que tomara un valor de infinito. Tipos de filtros Filtro para bajo: Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos últimos son solamente una combinación de resistencias, capacitores e inductores. En un filtro común, la salida es de meno magnitud que de la entrada. En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores. En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la de entrada.

Filtro activo paso bajo con amplificador operacional

Curva de respuesta de un filtro paso bajo. Las líneas discontinuas representan el filtro paso bajo lineal Si se seleccionan los capacitores de modo que: C1 = C2 = C y R1 = R2 = R3 = R El valor de la frecuencia Fc (frecuencia de corte) se puede obtener con ayuda de la siguiente formula: Fc = 0.0481/RC. Y la ganancia del filtro (acordarse de que es un amplificador) será: Av = Vo / Vin = R2/R1. Si se expresa esta ganancia en decibeles: Av = 20Log Vo / Vin o Av = 20Log R2 / R1. Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.

Un filtro paso alto (HPF) es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan los componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia, esta incluso pueden amplificarse en los filtros activos. La alta p baja frecuencia es un termino relativo que dependerá del diseño y de la aplicación.

Un ejemplo de filtro activo paso alto. Un amplificador operacional (el elemento activo) . El filtro paso alto mas simple es un circuito RC en serie en el cual la salida es la caída de tensión en la resistencia. Si se estudia este circuito (con componentes ideales) para frecuencias muy bajas, en continua por ejemplo, se tiene que el condensador se comporta como un circuito abierto, por lo que no dejara de pasar corriente a la resistencia, y su diferencia de tensión será cero. Para una frecuencia muy alta, idealmente infinita, el condensador se comportara como un cortocircuito, es decir, como si no estuviera, por lo que la caída de tensión de la resistencia será la misma tensión de entrada, lo que significa que dejaría pasar toda la señal, por otra parte, el desfase entre la señal de entrada y la de salida si que varia, como puede verse en la imagen. El producto de la resistencia por condensador (R x C) es la constante de tiempo, cuyo reciproco es la frecuencia de corte, es decir, donde el modulo de la respuesta en frecuencia baja 3db respecto a la zona pasante:

Dende fc es la frecuencia de corte en hercios, R es la resistencia en ohmios y C es la capacidad en faradios. El desfase depende de la frecuencia f de la señal y seria:

Filtro paso banda: Son aquellos que permiten el paso de componente frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.

Respuesta frecuencial de un filtro paso banda Un circuito simple de este tipo de filtros es un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de resonancia, que seria la frecuencia central (fc) y los componentes frecuenciales próximas a esta, en el diagrama hasta f1 y f2.

Otra forma de construir un filtro paso banda puede ser usar un filtro paso bajo en serie con un filtro paso alto entre los que hay un rango de frecuencias que ambos dejan pasar. Un filtro ideal seria el que contiene unas bandas pasante y de corte totalmente planas y unas zonas de transición entre ambas nulas, pero en la practica esto nunca se consigue, siendo normalmente mas parecido al ideal cuando mayor sea el orden del filtro, para medir cuando de "bueno" es un filtro se puede emplear el denominado factor Q. En los filtros de órdenes altos suele aparecer un rizado en las zonas de transición conocido como efecto Gibbs. Un filtro paso banda mas avanzado seria los de frecuencia móvil, en los que se pueden variar algunos parámetros frecuenciales, un ejemplo es le circuito anterior RLC en el que se sustituye el condensador por un diodo varicap, que actúa como condensador variable y, por lo tanto, puede variar su frecuencia central. Filtro elimina banda: Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Osciladores: Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo electromagnético (ondas de radio, infrarrojo, microondas, luz visible rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos). En electrónica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varia de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc. Dependiendo de la forma que tenga la onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador. Por lo general se les llama osciladores solo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L (inductancia) y un condensador C (capacitancia), mientras que a los demás se le asignan nombres especiales. Un oscilador electrónico es fundamentalmente un amplificador cuya señal de entrada se toma de su propia salida a través de un circuito de realimentación. Se puede considerar que esta compuesto por: Un circuito desfase depende de la frecuencia. Por ejemplo: Oscilante eléctrico (LC) o electromecánico (cuarzo). Retardador de fase RC o puente de Wien. Un elemento amplificador. Un circuito de realimentación. Oscilación eléctrica

Oscilador LC

Curvas del oscilador LC A pesar de no ser un oscilador electrónico tal y como se ha definido antes, la primera oscilación a tener en cuenta es la producida por un alternador, el cual, al estar compuesto por una espira que gira alrededor de su eje longitudinal en el interior de un campo magnético, produce una corriente eléctrica inducida en los terminales de la espiral. Esta corriente eléctrica., si el campo magnético es homogéneo, tiene forma senoidal. Así, si la espiral gira a 3000 rpm, la frecuencia de la corriente alterna inducida es de 50 Hz. el circuito integrado oscilador mas usado por novatos, es el 555, también el 4069 y otros. En un oscilador electrónico lo que se pretende es obtener un sistema de oscilación que sea estable y periódico, manteniendo una frecuencia y una forma de oscilación que sea estable y periódico, manteniendo una frecuencia y una forma de onda constante. Para ello se aprovecha el proceso natural de oscilación amortiguada que poseen los circuitos compuestos por elementos capacitivos. Estos elementos tienen la capacidad de almacenar carga eléctrica en su interior (cargarse eléctricamente) y descargarse cuando la carga que los alimentaba ha desaparecido.

El ejemplo mas simple de oscilador es el compuesto por una bobina, un condensador, una batería y un conmutador. Inicialmente el conmutador se haya en su posición izquierda, de forma que el condensador C se carga con la corriente que proporciona la batería V. Transcurrido cierto tiempo el conmutador se pasa a la posición derecha. Como la bobina no posee ninguna carga y el condensador esta totalmente cargado este ultimo se descarga completamente hacia la bobina, una vez que el condensador se ha descargado completamente es ahora la bobina la que se descarga sobre el condensador, no parándose hasta la carga en la bobina es cero y el condensador por lo tanto vuelve a estar cargado. Este proceso se repite hasta que la energía almacenada por uno y otro se consume en forma de calor. Este proceso puede representarse gráficamente empleando un je cartesiano X-Y en el que el eje X representa el tiempo y el eje Y el valor de la corriente eléctrica que circula por la bobina y las tensiones en los bornes del condensador. Si se lo dibuja se puede apreciar como se produce un continuo intercambio de energía entre el condensador y la bobina. La substracción de energía producida por la resistencia de la bobina y el condensador (lo que provoca el calentamiento de los componentes) es lo que hace que este proceso no sea infinito. En la grafica se puede apreciar como el desfase de tensiones existente entre bornes de la bobina es siempre de sentido opuesto a la existente en el condensador. Este desfase es del 180° entre tensiones, existiendo un desfase de 90° entre la corriente que circula por la bobina y la tensión existente. Esta señal se va amortiguando con le tiempo. Hasta que acaba extinguiéndose transcurrido un periodo de tiempo bastante corto. Un circuito electrónico que se capaz de volver a cargar eléctricamente uno de los componentes permitirá hacer un proceso de oscilación constante. Tierra virtual Cuando un amplificador operacional no esta saturado, trabaja en condiciones normales. Así la diferencia de tensión entre la entrada inversora y tierra es casi 0 voltios. Entonces se dice que la entrada es una tierra virtual. Si el amplificador entra en saturación, lo anterior ya no es cierto, pues aparece una tensión entre la entrada inversora y tierra.

RESUMEN Amplificadores Operacionales Un amplificador operacional (A.O.) es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G.(V+ -v-), donde + es le terminal de entrada no inversora y – terminal de entrada inversora. Originalmente los A.O se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí también su nombre. El termino "Analógico" se refiere a las magnitudes o valores que varían con el tiempo en forma continua como la distancia y la temperatura, la velocidad, que podrían variar muy lento o muy rápido como un sistema de audio. El símbolo de un A.O. es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son: V+: entrada no inversora V-: entrada inversora Vout: salida

Vs+: alimentación positiva Vs-: alimentación negativa Internamente el Amp. Op. (Op Amp) contiene un gran número de transistores, resistores, capacitores, etc.

El terminal + es el terminal inversor El terminal – es el terminal inversor Hay varios tipos de presentación de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines o patitas. Origen de los amplificadores: el amplificador operacional fue desarrollado para ser utilizado en computadoras analógicas en los inicios delos años 1940. Los primero Op. Amp. Utilizaban los tubos al vacio, eran de gran tamaño y consumían mucha potencia. En 1967 la empresa " Fairchild semiconductor" introdujo al mercado el primer amplificador operacional en la forma de un circuito integrado, logrando disminuir su tamaño, consumo de energía y su precio, este dispositivo es una amplificador lineal de alto rendimiento, con una gran variedad de usos. A continuación se muestra un esquema del amplificador operacional ideal:

Teniendo en mente las funciones de la entrada y la salida, se puede definir las propiedades del amplificador ideal. 1.- La ganancia de tencion es infinita: a = ∞ 2.- La Resistencia de entrada es infinita: Ri = ∞ 3.- La resistencia de salida es 0: Ro = 0 4.- El ancho de banda es infinito: BW = ∞ 5.- La tensión offset de entrada es 0: V0 = 0 Si Vd = 0 Diferencial Modo Común Es una combinación de las dos configuraciones anteriores. Aunque está basado en los otros dos circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. Este circuito, mostrado en la figura, tiene aplicadas

señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional

Para comprender el circuito, primero se estudiarán las dos señales de entrada por separado, y después combinadas. Como siempre Vd = 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero. Se debe recordar que Vd = V(+) - V(-) ==> V(-) = V(+) La tensión a la salida debida a V1 la llamaremos V01

y como V(-) = V(+) La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá:

Y la salida debida a V2 (suponiendo V1 = 0) será, usando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor, V02

Y dado que, aplicando el teorema de la superposición la tensión de salida V0 = V01 + V02 y haciendo que R3 sea igual a R1 y R4 igual a R2 tendremos que:

Por lo que concluiremos

Que expresando en términos de ganancia:

V1 y V2 sean idénticas

Inversor La configuración más sencilla es la inversora. Dada una señal analógica (por ejemplo de audio) el amplificador inversor constituye el modo mas simple de amplificar o atenuar la señal (en el ejemplo propuesto modificar el volumen de la señal)

Demostración Vin = I1 * R3 I1 =Vin / R3 I2 = I1, 0 - Vout = I2 * R2 - Vout = I2 * R2 I2 =- Vout / R2 Igualando I2 = I1: I2 = I1 - Vout / R2 = Vin / R3 - Vout = Vin * (R2 / R3) Vout = -Vin * (R2 / R3) No Inversor Este circuito presenta como característica más destacable su capacidad para mantener la fase de una señal, el análisis se realiza de forma análoga al anterior.

Demostración Tensión de R2 = Vi Vi = I2 * R2 I2 = Vi / R2 Tensión de R1 = Vo - Vi Vo - Vi = I1 * R1 I1 = (Vo - Vi) / R1 Igualando I1 e I2 I1 = I2 (Vo - Vi) / R1 = Vi / R2 Vo - Vi = Vi (R1 / R2) Vo = Vi (1 + R1 / R2) amplificador sumador inversor Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor, figura

En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V(+) está conectada a masa, por lo que la tensión V(-) estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente I1 circulará a través de RF y la llamaremos I2. Lo que ocurre en este caso es que la corriente I1 es la suma algebraica de las corrientes proporcionadas por V1, V2 y V3, es decir:

Y también

Como I1 = I2 concluiremos que:

Que establece que la tensión de salida es la suma algebraica invertida de las tensiones de entrada multiplicadas por un factor corrector, que el alumno puede observar que en el caso en que RF = RG1 = R G2 = R G3 ==> VOUT = - (V1 + V2 + V3) AMPLIFICADOR SUMADOR NO INVERSOR

también tenemos:

Si igualamos las dos expresiones de VE:

La expresión final de Vo se puede simplificar para el supuesto de que el valor en paralelo de R1 y R2 sea igual al valor en paralelo de R3 y R4.

AMPLIFICADOR INTEGRADOR Un circuito integrador realiza un proceso de suma llamado "integración". La tensión de salida del circuito integrador es proporcional al área bajo la curva de entrada (onda de entrada), para cualquier instante. Integrador ideal



Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)



Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos (t = 0) Este circuito también se usa como filtro Amplificador Diferencia dn Ocurre cuando se aplica a un tren de impulsos de entrada de este circuito. Cuando un pulso de tensión, se eleva de repente de cero a máximo, la corriente que carga al condensador C, de repente se eleva a un valor máximo también. En la medida que se carga C, la carga de corriente se cae exponencialmente a cero. Ya que esta corriente de carga pasas por la resistencia R, el voltaje a través dela R ( que es el voltaje de salida) hace lo mismo. La carga eléctrica (i) empieza a almacenarse en el condensador (C) cuando el voltaje se aplica a la entrada. La corriente eléctrica que fluye en el condensador, como la carga eléctrica se almacena en decrementos. La corriente eléctrica que fluye a través del condensador (C) y la resistencia (R) se calcula por lo siguiente fórmula: i = (V/R)e-(t/CR)

Seguidor de tensión Proporciona a la salida la misma tensión, que a la entrada Esta aplicación es importante en la amplificación de señales que teniendo un buen nivel de tensión son de muy baja potencia y por tanto se atenuarían en el caso de conectarlas a amplificadores de mediana o baja impedancia de entrada. comparador El comparador, esta constituido por un amplificador operacional en lazo abierto y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia. En este circuito, estamos alimentando el amplificador operacional (A.O.) con dos tensiones +Vcc = 15V y -Vcc = -15 V. Conectamos la patilla V+ del A.O. a tierra para que sirva como tensión de referencia, en este caso 0 V. toma valores positivos, el A.O. se satura a negativo. Vi toma valores negativos, el A.O. se satura a positivo. Disparador de schmit (sCHMITT tRIGGER) Cambia su estado de salida cuando la tensión en su entrada sobrepasa un determinado nivel; la salida no vuelve a cambiar cuando la entrada baja de ese voltaje, sino que el nivel de tensión para el cambio es otro distinto, más bajo que el primero. A este efecto se conoce como ciclo de histéresis, El trigger Schmitt usa la histéresis para prevenir el ruido que podría solaparse a la señal original. Se suele utilizar un amplificador operacional realimentado positivamente.

Por ejemplo, si el trigger inicialmente está activado, la salida estará en estado alto a una tensión Vout = +Vs, y las dos resistencias formarán un divisor de tensión entre la salida y la entrada.

Llegado este punto la tensión a la salida cambia a Vout=−Vs. Por un razonamiento equivalente podemos llegar a la condición para pasar de −Vs a +Vs:

Amplificador de Ganancia constante; Es un amplificador Inversor

Filtros Activos Controlar las frecuencias permitiendo o no el paso de estas dependiendo de su valor. Frecuencia de corte: es aquella en que la ganancia del circuito cae a -3 db por debajo de la máxima ganancia alcanzada. En los filtros pasa y elimina banda, existen dos: una superior y otra inferior. Banda pasante: conjunto de frecuencias de ganancia superior a la de corte en un margen menor o igual a 3 dB. Calidad: especifica la eficacia del filtro, es decir, la identidad de su respuesta. Se mide en dB / octava; dB / década .lo ideal seria que tomara un valor de infinito. Filtro para bajo: se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores. En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la de entrada. Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, el filtro paso alto mas simple es un circuito RC en serie en el Filtro paso banda: Son aquellos que permiten el paso de componente frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Cual la salida es la caída de tensión en la resistencia. Filtro elimina banda: Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Osciladores: Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo electromagnético (ondas de radio, infrarrojo, microondas, luz visible rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos). Es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varia de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc.

Oscilación eléctrica Estos elementos tienen la capacidad de almacenar carga eléctrica en su interior (cargarse eléctricamente) y descargarse cuando la carga que los alimentaba ha desaparecido. El ejemplo mas simple de oscilador es el compuesto por una bobina, un condensador, una batería y un conmutador. Inicialmente el conmutador se haya en su posición izquierda, de forma que el condensador C se carga con la corriente que proporciona la batería V. Transcurrido cierto tiempo el conmutador se pasa a la posición derecha. Como la bobina no posee ninguna carga y el condensador esta totalmente cargado este

ultimo se descarga completamente hacia la bobina, una vez que el condensador se ha descargado completamente es ahora la bobina la que se descarga sobre el condensador. Tierra virtual Cuando un amplificador operacional no esta saturado, trabaja en condiciones normales. Así la diferencia de tensión entre la entrada inversora y tierra es casi 0 voltios. Entonces se dice que la entrada es una tierra virtual.

http://www.monografias.com/trabajos45/amplificadores-operacionales/amplificadoresoperacionales2.shtml

Amplificadores Operacionales y su uso en la electrónica Antony García GonzálezJune 28, 2013Electrónica

Aquí se habla acerca de los amplificadores operacionales y el uso que se les da en la electrónica mediante sus diferentes configuraciones que nos permiten realizar funciones especiales dentro de circuitos electrónicos, y por supuesto, en combinación con Arduino

En esta ocasión les traigo un post acerca de los amplificadores operacionales, los cuales son muy importantes en el mundo de la electrónica. De hecho muchos dispositivos electrónicos avanzados (como Arduino por ejemplo) están basados en amplificadores operacionales. Los circuitos integrados de hoy día poseen miles y millones de componentes en su interior, entre los cuales destaca el amplificador operacional. Pero, ¿qué es un amplificador operacional?

Los amplificadores operacionales, también llamados Op Amp por sus siglas en inglés, son dispositivos electrónicos capaces de realizar una gran cantidad de funciones dentro de un circuito electrónico , dependiendo de la como se coloque dentro del mismo.

El amplificador operacional posee 5 patas, las cuales poseen distintas funciones:

Terminal

Descripción

- input

Entrada Inversora

+ input

Entrada no inversora

Output

Salida

+Vss

Alimentación Positiva

-Vss

Alimentación Negativa

En los amplificadores operacionales se cumplen algunas condiciones: o

La impedancia entre las entradas inversora y no inversora es infinita, por lo que no hay corriente de entrada.

o

La diferencia de potencial entre las terminales inversora y no inversora es, o debe ser nula.

o

No hay corriente entrando o saliendo de las patas inversora y no inversora.

Con dichas condiciones basta para conocer el funcionamiento de los amplificadores operacionales.

El símbolo del amplificador operacional es el de un triángulo en cuya base de colocan las patas inversora y no inversora. En el vértice superior se coloca la salida. En los lados del triángulo se colocan las entradas del voltaje que se necesita para hacer efectiva la amplificación. Usos del Amplificador Operacional Como su nombre lo indica, el amplificador operacional es un dispositivo que puede aumentar cualquier tipo de señal, sea de voltaje o de corriente, de corriente alterna o de corriente directa. Ahora vamos a ver como es que se da este proceso y las diferentes configuraciones con las que puede trabajar este dispositivo. El Amplificador Operacional como comparador…

Una de las funciones principales del amplificador operacional es la de comparador. Una de las condiciones que se debe cumplir para utilizar el

amplificador operacional es que el voltaje entre la entrada inversora y no inversora debe ser cero. Si establecemos un voltaje fijo en la terminal inversora, pero en la pata no inversora tenemos un voltaje menor a dicho potencial, la salida del amplificador será nula, es decir, no habrá voltaje en la salida.

Si igualamos el voltaje en las terminales inversora y no inversora, la salida de voltaje será efectiva.

Esta función es utilizada en los comparadores lógicos que conforman los conversores de Análogo a Digital. Los voltímetros y por extensión la mayoría de los instrumentos de medición digitales están basados en comparadores lógicos y conversores de análogo a digital. También pueden ser utilizados para comparar niveles de voltajes o en protecciones contra sobre corriente. Los usos que le podamos dar al comparador los podremos estudiar a profundidad en futuros aportes. El Amplificador Operacional no inversor…

Esta configuración permite aumentar el nivel del voltaje en una señal de entrada de tal forma que la señal que entra en la pata no inversora sale amplificada del dispositivo. Pero, ¿cómo sucede esto? Hagamos un análisis sencillo… Si el voltaje en las terminales inversora y no inversora es el mismo, entonces podemos suponer que el voltaje entre R1 y R2 es el mismo que el voltaje de entrada.

Según la Ley de Ohm la corriente es igual al voltaje entre la resistencia. La Ley de Las Corrientes de Kirchhoff establece que la corriente que entra a un nodo es la misma corriente que sale del mismo. Basados en estos dos conceptos, podemos analizar las corrientes que entran al Nodo a analizar que es el que se forma entre las resistencias R1 y R2.

La corriente que entra al nodo es resultado de dividir voltaje entre resistencia, donde el voltaje será la diferencia entre voltaje de salida y voltaje de entrada. Se supone que la corriente va del mayor potencial al menor potencial y se asume que el voltaje de salida es mayor que el de entrada. De ahí se asume el sentido de las corrientes. Luego la corriente de salida será igual al voltaje de entrada menos el voltaje en tierra (0 voltios) entre la resistencia. Si reducimos la expresión obtendremos la siguiente ecuación:

Podemos hacer una prueba con el simulador. Si queremos obtener el doble de un voltaje de entrada, los valores de R2 y de R1 deben ser idénticos. Usaremos como voltaje de entrada 3 voltios.

Ahora en el simulador:

Con esto se comprueba que la ecuación del amplificador no inversor se cumple. Cabe destacar que los valores de R1 y R2 los podemos escoger siempre y cuando sean iguales. Todo va a depender de cuanta corriente queremos que halla en la salida. El Amplificador Operacional como inversor…

El amplificador operacional inversor logra invertir un voltaje de entrada a la vez que lo amplifica. El análisis es simple. Una vez más el voltaje en la para inversora y en la no inversora es el mismo. Como en la terminal no inversora el voltaje es cero (GND), entonces hacemos un análisis en el nodo que se forma entre R1 y R2.

Si hacemos un análisis en el nodo que se señala en la figura obtenemos lo siguiente:

La corriente que entra es el resultado de dividir el voltaje de entrada menos el voltaje en las terminales inversoras y no inversoras (es el mismo) entre la resistencia R1. Recordemos que no entra ni sale ninguna corriente entre las terminales inversora y no inversora. Esto quiere decir que la corriente que entra será igual a la que sale. La corriente que sale es el resultado de dividir la diferencia en el voltaje en las terminales inversora y no inversora menos el voltaje de salida entre la resistencia. Si llevamos todo a una expresión final en donde el voltaje de salida quede expresado en función del voltaje de entrada, obtenemos:

Si utilizamos los valores que aparecer en la figura de arriba obtenemos: Vsalida = -(5)(1k/1k)=-5 voltios

Como podemos observar, la simulación coincide con nuestros cálculos. Si queremos duplicar el voltaje a la vez que lo invertimos, el valor de R2 debe ser el doble del de R1, para que el V de entrada sea duplicado.

Las relaciones entre las resistencias R1 y R3 son las que indican el factor multiplicador del voltaje de entrada el cual siempre tendrá signo inverso. El Amplificador Operacional como sumador inversor… El amplificador operacional sumador permite al usuario sumar varios niveles de voltaje a la vez que se invierte el signo del voltaje.

El análisis de esta configuración es el siguiente:

Utilizando la Ley de las Corrientes de Kirchhoff se obtiene:

Cabe destacar que a esta expresión se le pueden agregar más fases, por lo tanto más voltajes. Una vez más todo dependerá de las relaciones en las resistencias. El resultado es el siguiente:

La salida es la suma de todos los voltajes (2+3+4=9) pero con signo invertido. Esta configuración es muy utilizada en los convertidores de digital a análogo para transformar señales digitales a niveles de voltaje análogo. Existen otras configuraciones como el restador de voltaje, el integrador ideal, el diferenciador ideal y la función exponencial y logarítmica, sin embargo por el momento no vamos a utilizar dichas configuraciones para nuestros diseños, los cuales están enfocados en proyectos basados en Arduino. Espero que el material presentado sea de mucha utilidad para todos ustedes. Saludos.