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AMPLIFICADORES OPERACIONALES

ASIGNATURA: Fundamentos de Electrónica NOMBRE PROFESOR: Sebastián Díaz NOMBRE ALUMNO: Carlos Fuenzalida Allende. Gustavo Orellana Droguete

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ÍNDICE 1.

2.

Reseña Histórica Amplificadores Operacionales ...............................................................................5 1.1

Los Primeros Años .......................................................................................................................5

1.2

Nacimiento y desarrollo del amplificador operacional de circuito integrado.............................5

1.3

Progreso en el desarrollo de los amplificadores operacionales ..................................................6

1.4

Los amplificadores operacionales se especializan ......................................................................6

Símbolo (Pines del LM741) ..................................................................................................................8 2.1

3.

Símbolo y terminales del circuito ................................................................................................8

Importancia, Ventajas y Aplicaciones en la electrónica actual ...........................................................9 3.1

Aplicaciones en la electrónica actual ..........................................................................................9

3.2

Importancia y ventajas de los Amplificadores Operacionales ....................................................9

3.2.1

Ventajas .......................................................................................................................................9

3.2.2

Importancia .............................................................................................................................. 10

4.

Diagrama en bloques del amplificador operacional ........................................................................ 11

5.

Características de cada etapa ........................................................................................................... 12

6.

5.1

Etapa de Entrada: Amplificador Diferencial ............................................................................. 12

5.2

Etapa Intermedia: Desplazador de Nivel .................................................................................. 12

5.3

Etapa de Salida: En Contrafase ................................................................................................. 12

El amplificador operacional ideal ..................................................................................................... 13

2

7.

Especificaciones técnicas del A.O. .................................................................................................... 15 7.1

Ganancia de tensión en bucle abierto A .................................................................................. 15

7.2

Impedancia de Entrada ............................................................................................................ 15

7.3

Impedancia de Salida................................................................................................................ 16

7.4

Margen Dinámico ..................................................................................................................... 16

7.5

Ancho de Banda........................................................................................................................ 17

7.6

Máxima tensión de entrada ..................................................................................................... 17

7.7

Slew rate ................................................................................................................................... 17

7.8

CMRR ........................................................................................................................................ 18

7.9

Overshoot ................................................................................................................................. 18

7.10

Rise-time................................................................................................................................... 19

7.11

Saturación................................................................................................................................. 20

8.

Método para eliminar tensión Offset de salida ............................................................................... 21

9.

Modos de configuración................................................................................................................... 22 9.1

Amplificador Inversor ............................................................................................................... 22

9.2

Amplificador No Inversor ......................................................................................................... 23

9.3

Amplificador Diferencial ........................................................................................................... 24

9.4

Sumador Inversor ..................................................................................................................... 26

9.5

Integrador ................................................................................................................................. 27

3

9.6

Diferenciador ............................................................................................................................ 29

9.7

Seguidor de tensión.................................................................................................................. 30

10. Conclusiones y observaciones .......................................................................................................... 31 11. Bibliografía........................................................................................................................................ 33

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1. Reseña Histórica Amplificadores Operacionales

1.1 Los Primeros Años Los AOP’s se desarrollaron en la década de los años 40 construyéndose con válvulas. George Philbrick es una de las personas a quienes se atribuye la invención y difusión de los amplificadores operacionales. Trabajó primero en Huntington Engineering Labs. y luego en su propia compañía Philbrick Associates. Intervino en el diseño de un amplificador operacional con un solo tubo de vacío y lo introdujo al mercado en 1948. Esos primeros amplificadores y las versiones posteriores mejoradas estaban destinados fundamentalmente a emplearse en las computadoras analógicas. Por aquella época, la palabra ―operacional‖ en estos dispositivos significaba operaciones matemáticas. Los primeros amplificadores operacionales servían para construir circuitos capaces de sumar, restar, multiplicar e incluso resolver ecuaciones diferenciales. Las computadoras analógicas eran poco exactas: admitían un máximo de tres cifras significativas. De ahí que fueran reemplazadas por las computadoras digitales que son más rápidas, exactas y versátiles. Pero el advenimiento de la computadora digital no marcó la desaparición del amplificador operacional.

1.2 Nacimiento y desarrollo del amplificador operacional de circuito integrado Entre los años 1964 y 1967 Fairchild desarrolló los amplificadores operacionales en circuitos integrados 702, 709 y 741, mientras que el National Semiconductor introdujo el 101/301. Estos amplificadores de circuito integrado revolucionaron algunas áreas de la electrónica por su tamaño pequeño y costo bajo. Más importante aún, redujeron drásticamente el trabajo de diseño de circuitos. Por ejemplo, en vez de la tediosa y difícil tarea de realizar un amplificador con transistores, los diseñadores podían servirse del amplificador operacional y unas cuantas resistencias para construir un excelente amplificador. El tiempo para diseñar un amplificador con un amplificador operacional es de unos 10 segundos. Es más, los amplificadores operacionales en circuitos integrados son baratos, ocupan menos espacio y requieren menos potencia que los componentes discretos. Los circuitos que pueden realizarse con uno o dos amplificadores operacionales y unos pocos componentes incluyen la generación de señal (osciladores), acondicionamiento de señales, temporizadores, detección de nivel de voltaje y modulación. La lista podría extenderse casi al infinito. 5

1.3 Progreso en el desarrollo de los amplificadores operacionales A medida que la tecnología de fabricación adquirió mayor precisión se realizaron mejoras notables a los amplificadores operacionales en dos aspectos: primero, algunos transistores de unión (juntura) bipolar fueron sustituidos por transistores de efecto de campo. Los JFET, en la entrada del amplificador operacional toman corrientes muy pequeñas y permiten que los voltajes de entrada varíen entre los límites de la fuente de alimentación. Los transistores MOS, o de semiconductor de óxido metálico, en los circuitos de salida permiten que la salida se aproxime a milivolts de los límites de la fuente de poder. El primer amplificador operacional BIFET, o de transistores de efecto de campo, fue el LF356. El CA3130 tiene entradas bipolares y una salida MOS complementaria. De ahí su nombre tan apropiado: BIMOS. Estos amplificadores son más rápidos y presentan una respuesta mejor a altas frecuencias que el 741. La segunda innovación fundamental fue la invención de los encapsulados de doble y cuádruple amplificador. En el mismo encapsulado de 14 terminales ocupado por un solo amplificador operacional, los diseñadores fabricaban cuatro individuales, los cuales comparten la misma fuente de poder. El LM324 es un ejemplo muy conocido de este tipo cuádruple y el LM358 es uno doble muy usado.

1.4 Los amplificadores operacionales se especializan Llegó el ineludible momento en que los amplificadores operacionales de propósito general fueron rediseñados para optimizar o incorporar ciertas características. Los circuitos integrados de función especial que contienen más de un amplificador operacional se desarrollaron entonces para llevar a cabo funciones complejas. Basta hojear los manuales de datos de amplificadores operacionales lineales para apreciar la gran variedad. Los siguientes son algunos ejemplos: 1. Capacidad de alta corriente, alto voltaje o ambos. 2. Módulos para sonar de emisión y recepción 3. Amplificadores múltiples. 4. Amplificadores de ganancia programable. 5. Instrumentación y control automotriz. 6

6. Circuitos integrados para comunicaciones. 7. Circuitos integrados de radio/audio/video. Los amplificadores de propósito general durarán muchos años en el mercado. Sin embargo, cabe suponer que se desarrollen circuitos integrados más complejos en un solo chip que combinen varios amplificadores con circuitos digitales. De hecho, con el advenimiento de la tecnología de integración a gran escala (VSLI), es inevitable que se fabriquen sistemas completos en un solo chip.

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2. Símbolo (Pines del LM741)

2.1 Símbolo y terminales del circuito El símbolo del amplificador operacional que se da en la figura 1-1 es un triángulo que apunta en la dirección del flujo de la señal. Este componente tiene un número de identificación de parte (NIP) colocado dentro del símbolo del triángulo. El número designa al amplificador operacional con características específicas. El 741C que se muestra aquí es un amplificador operacional de propósito general. El amplificador operacional también puede codificarse en un esquema o diagrama de circuito con un número de referencia por ejemplo UI, IC 101, etc. Después el número de identificación de parte se pone dentro de la lista de partes del esquema del circuito. Todos los amplificadores operacionales poseen por lo menos cinco terminales:  La terminal de entrada inversora (-) en la pata 2,  La terminal de entrada inversora (+) en la pata 3,  La terminal de fuente de alimentación negativa Vee o –V, en la pata 4,  La terminal de salida 6,  La terminal de fuente de poder positiva Vcc o +V, en la pata 7,

Figura 1-1 Símbolo de circuito para un amplificador operacional de propósito general. La numeración de las terminales se refiere a un encapsulado mini DIP de 8 terminales. 8

3. Importancia, Ventajas y Aplicaciones en la electrónica actual

3.1 Aplicaciones en la electrónica actual Es muy difícil enumerar la totalidad de las aplicaciones de este circuito denominado amplificador operacional. De modo general, podemos decir que sus aplicaciones están presentes en los sistemas electrónicos de control industrial, en la instrumentación nuclear, en la instrumentación médica (electromedicina o bioelectrónica), en los ordenadores analógicos, en los equipos de telecomunicaciones y de audio, etc.

3.2 Importancia y ventajas de los Amplificadores Operacionales 3.2.1 Ventajas Queda claro que cualquier circuito que contenga un operacional puede también diseñarse sin él. Para ello tendríamos que utilizar componentes discretos y no un integrado específico. Ahora bien, el uso de un operacional en vez de los componentes a los que este sustituye redunda en unas cuantas ventajas que el diseñador, o el simple aficionado, no puede pasar por alto. Entre estas podemos destacar las siguientes: 

Ahorro en la etapa de diseño: el Amplificador Operacional se contempla como una "caja negra" ideal a la que sólo hay que alimentar correctamente y conectar sus terminales de entrada y salida.



Sencillez de sustitución en caso de avería: al ir contenido en un "chip", el operacional puede ser sustituido de forma rápida. Para ello sólo tenemos que colocarlo en el circuito sobre un zócalo adecuado.



Fiabilidad: el hecho de que un buen número de transistores de nuestro montaje venga contenido en un único chip, el cual es verificado en fábrica, evita la posibilidad de errores si se cablearan de forma discreta los transistores contenidos en el A.O.



Ahorro económico: no hay que ser un experto en finanzas para apreciar la diferencia de costo que representaría adquirir los componentes integrados en un operacional, en vez de comprar directamente este chip.



Ahorro de espacio: a pesar de que nos empeñemos en verlo así, la preocupación por la miniaturización electrónica no es tan solo una "obsesión nipona". Sólo tenemos que pensar que el coste de un circuito dado también se incrementa con el aumento del 9

circuito impreso (soporte para soldar los componentes). O, dicho de otra forma: a menor superficie de circuito menor coste del mismo.

3.2.2 Importancia A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que no afectan al funcionamiento. La representación circuital de los amplificadores operacionales está formada por una resistencia de entrada, que une los dos terminales, y un generador de tensión de salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las entradas. Las características más relevantes del amplificador operacional son: 

Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 Mohm.



Ganancia muy elevada: Mayor que 105.

Las consecuencias que se derivan de estas características son: 

La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan elevada, la corriente que circula por los terminales inversor y no inversor puede despreciarse.



La ganancia puede considerarse infinita.

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4. Diagrama en bloques del amplificador operacional Los amplificadores operacionales para propósito general son sistemas de etapas múltiples. Como se puede apreciar en la figura 1-3, un amplificador operacional básico consiste en una etapa de entrada que tiene dos terminales; una etapa de salida que cuenta con una terminal de salida; y una etapa intermedia mediante la que se conecta la señal de salida de la etapa de entrada con la terminal de entrada de la etapa de salida. Una fuente bipolar de cc se conecta a las terminales de alimentación del amplificador operacional y, por lo tanto, a cada una de sus etapas internas. Dependiendo de la aplicación de que se trate, las señales de entrada +V y –V pueden ser positivas, negativas o cero. El voltaje de salida obtenido se mide por medio de la resistencia de carga RL, la cual se conecta entre la terminal de salida del amplificador operacional y la tierra. El voltaje de salida, depende de las señales de entrada y de las características del amplificador operacional.

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5. Características de cada etapa

5.1 Etapa de Entrada: Amplificador Diferencial La etapa de entrada del amplificador operacional se conoce como amplificador diferencial. Su impedancia de entrada es muy elevada y su ganancia de voltaje también es grande. Cuando se aplican las señales de entrada +V y –V el voltaje diferencial se amplifica en esta etapa y aparece como el voltaje de salida V1.

5.2 Etapa Intermedia: Desplazador de Nivel La señal de voltaje V1 a la salida del amplificador diferencial se acopla directamente a la entrada de la etapa intermedia del desplazador de nivel. En esta etapa se llevan a cabo dos funciones. La primera consiste en desplazar el nivel del voltaje de salida. La segunda permite que pase la señal de entrada V1 casi sin modificación y convertirse en la señal de entrada V2 de la etapa de salida.

5.3 Etapa de Salida: En Contrafase El voltaje de salida V2 de la etapa intermedia se acopla directamente a la etapa de salida. La etapa de salida que más comúnmente se utiliza es la de la configuración del transistor pnp-npn en contrafase. Usar un circuito de contrafase como etapa final permite que el amplificador operacional tenga una resistencia de salida muy baja. Como se muestra en la figura 1-3 anterior, la resistencia de carga RL se conecta entre la terminal de salida y la tierra para obtener voltaje de salida V0. Este modelo simplificado del amplificador operacional nos muestra la información básica sobre su arquitectura interna. El circuito real es más complicado, si bien las funciones son similares.

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6. El amplificador operacional ideal Los primeros trabajos sobre amplificadores operacionales datan de la década de los cuarenta y están relacionados con las calculadoras analógicas, capaces de resolver ecuaciones diferenciales. Actualmente, puede considerarse que el amplificador operacional es un componente básico de la electrónica analógica que juega un papel comparable al de otros elementos discretos. El amplificador operacional se considera como un bloque con terminales de entrada y salida. En este momento no interesan los dispositivos electrónicos dentro del amplificador.

El AOP es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas. Esto permite que la salida tenga excursiones por encima y por debajo de tierra. Los amplificadores operacionales tienen amplia aplicación en muchos sistemas electrónicos lineales. EI nombre de amplificador operacional se deriva de una de las aplicaciones originales de circuitos con estos amplificadores: realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos. Los dos terminales de entrada se conocen como entrada no inversora (Vp) e inversora (Vn) respectivamente. La primera genera una señal en fase con la entrada mientras que la segunda presenta un desfase de la señal de salida con respecto a la entrada de 180 grados. De manera ideal, la salida del amplificador depende no de las magnitudes de las dos tensiones de entrada (Vp,Vn), sino de la diferencia entre ellas. Se define una nueva tensión de entrada como la diferencia: Vn = Vp - Vd (1) Donde Vd es la tensión diferencial de entrada. La tensión de salida es proporcional a la entrada, y la relación se define como la ganancia de lazo abierto, A. Por tanto, la tensión de salida es: 13

V0 = A(Vp - Vn) (2) Las características del amplificador operacional son las siguientes: • Alta impedancia de entrada Ri (teóricamente tiende a infinito). • Baja impedancia de salida Ro, aproximadamente nula. • La ganancia de tensión de lazo abierto, A tiende a infinito. • El ancho de banda tiene a infinito. • Tensión de offset nula (Vo = 0 cuando Vp = Vn). • Corriente de polarización nula. • Margen dinámico infinito o de ± Vcc. • Ruido nulo. • Tiempo de conmutación nulo. Lógicamente estos requerimientos son imposibles de satisfacer, pero sirven para comparar con el comportamiento real y así poder saber su calidad respecto al modelo ideal

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7. Especificaciones técnicas del A.O.

7.1 Ganancia de tensión en bucle abierto A Corresponde a la ganancia del amplificador sin realimentar. Depende de la frecuencia de trabajo y de la temperatura, disminuyendo al aumentar uno cualquiera de ambos factores. Su valor típico es el de 100 dB. Si el A.O. se utiliza con realimentación en tal caso la ganancia depende de la red de realimentación.

7.2 Impedancia de Entrada Se define como la impedancia que el amplificador presenta a la fuente de excitación conectada a una de las dos entradas y con la otra a masa. Zi varía con la temperatura y la frecuencia, suele darse para determinada condiciones concretas, por ejemplo: T = 25 ° C y f = 1 KHz, evidentemente la variación de Zi modifica la ganancia del A.O. Debido a que el A.O. es un amplificador de tensión, Zi debe de ser muy elevada con el fin de evitar cualquier efecto de carga sobre la etapa anterior de excitación. El valor típico de la impedancia de entrada suele ser del orden de los MW,

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7.3 Impedancia de Salida Es la impedancia que presenta el A.O. hacia una carga conectada a la salida. Una Zo elevada reduce la ganancia del A.O. y puede dar lugar a que la etapa siguiente cargue el A.O. Por otra parte la impedancia de salida disminuye al aumentar la frecuencia de trabajo, ya que, en estas circunstancias A disminuye. Los valores normales a Zo son inferiores a 100 W.

7.4 Margen Dinámico Representa el valor máximo —pico a pico— que puede adquirir la señal simétrica de salida. Idealmente debería de coincidir con ±Vcc (diferencia entre los valores de ambas fuentes de alimentación). No obstante, debido a las pérdidas en funcionamiento real, Vo-pp es inferior en algunos voltios a ±Vcc, Un aumento de la frecuencia, impedancia de salida o intensidad sobre la carga, se traduce en una disminución del margen dinámico.

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7.5 Ancho de Banda Se define como la gama de frecuencias de funcionamiento comprendidas entre la frecuencia de

corte

inferior

y

superior.

Recordemos

que

las

frecuencias

de

corte,

definidas

convencionalmente, son aquéllas para las que la ganancia cae 3 dB respecto a su valor típico (normalmente para f = KHz ), En las hojas de características B se da para funcionamiento en bucle abierto tomando un valor comprendido entre 0 y 10 MHz en modelos comerciales. Si tenemos en cuenta que el A.O. es un amplificador de continua —amplificador desde f = 0 Hz— la frecuencia máxima con la que puede operar coincidirá con el valor asignado al ancho de banda.

7.6 Máxima tensión de entrada Varía en función de la alimentación del A.O. Normalmente es algo inferior a ±Vcc,

7.7 Slew rate Se define el ―Slew Rate‖ de un amplificador como la máxima variación de tensión de salida por unidad de tiempo. Normalmente viene expresado en V/us. En términos generales podemos decir que el valor de SR proporciona la velocidad de respuesta del amplificador. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el valor de SR. El AOP 741 posee un SR de 0,5 V/us, el LF 351 de 13 V/us, y el LM 318 de 70 V/us. ―Slew Rate‖ suele traducirse por tiempo de subida, tiempo de respuesta, etc.

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7.8 CMRR Supongamos que una fuente cualquiera de ruido se halla próxima a un circuito. En esta situación los terminales de entrada estarían afectados por señales indeseables, de igual amplitud y fase, que se superpondrían a las señales aplicadas en las entradas, y serían amplificadas con ellas a no ser que el circuito tuviese una importante característica denominada ―Factor de Rechazo en Modo Común‖ (CMRR: Common Mode Rejection Ratio), que viene determinada por la etapa diferencial del AOP. Podemos definir la ―CMRR‖ como la capacidad de un AOP de rechazar (atenuar) señales idénticas aplicadas simultáneamente en sus entradas (señal en modo común).

7.9 Overshoot El ―Overshoot‖ que habitualmente se traduce por ―sobrecresta‖ es el valor, en tantos por ciento, que nos informa de la cuantía en que se sobrepasó el nivel de salida durante la respuesta transitoria del circuito, esto es, antes de que la salida alcanzara el estado permanente. Para el AOP 741 su valor es del orden de 5%. Conviene señalar que este fenómeno es perjudicial, principalmente trabajando con señales de bajo nivel. Sea V, el valor del nivel estabilizado de la tensión de salida del circuito con AOP y Vovs el valor de la amplitud del Overshoot en relación al nivel Vo entonces: 18

La determinación de los parámetros Rise-Time y Overshoot constituye el estudio de la respuesta transitoria del AOP. Normalmente se lleva a cabo utilizando como referencia el circuito seguidor de tensión.

7.10

Rise-time

Es una característica importante e los AOP’s y se define como el tiempo necesario para que la señal de salida varíe del 10% al 90% de su valor final. Véase la Figura 2.15.

Representamos el Rise-Time por T. Para el AOP 741 su valor típico es del orden de 0,3 us. Este valor se mide tomando como referencia el circuito seguidor de tensión al que se aplica un tren de impulsos de 5 voltios de amplitud. 19

Se demuestra que entre este parámetro y el ancho de banda de un circuito con AOP existe la relación siguiente:

Esta ecuación es útil para el cálculo de BW a partir del valor de Rise-Time (obtenido del manual del fabricante). 7.11

Saturación

Diremos que el AOP está saturado cuando, operando en cualquiera de las tres formas, alcance en la salida un nivel de tensión determinado, a partir del cual la señal de salida no pueda variar su amplitud. En la práctica el nivel de saturación es del orden del 90% del valor de +-V. Así por ejemplo, si alimentamos el AOP con +-15V, la salida alcanzará una saturación positiva aproximada de +13,5 V y una negativa en torno a -13,5 V. La figura 2.8 representa gráficamente este hecho.

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8. Método para eliminar tensión Offset de salida Los voltajes base-emisor de los dos transistores de entrada del amplificador diferencial de entrada rara vez son iguales. Por ello, un pequeño voltaje de desbalance diferencial tendrá lugar en la entrada. Este voltaje por lo regular es inferior a 10mV. Sin embargo, al multiplicarse por una ganancia apreciable de lazo cerrado, el voltaje de desbalance a la salida del amplificador se ha vuelto muy grande y ello es intolerable, especialmente en el caso de circuitos acoplados en cc. Este desbalance de voltaje puede desplazar el punto de reposo de la salida en tal forma que se produzcan recortes asimétricos en la señal de salida en el caso de ganancias altas. Por este motivo, las patillas 1 y 5 del AOP 741 (o 351) están conectadas a un potenciómetro y a la patilla 4. Esto permite eliminar la señal de error presente en la salida por medio de un ajuste adecuado del potenciómetro. Con la inyección de pequeñas corrientes en el punto de suma se consigue obtener un ajuste de desbalance para los circuitos de los amplificadores. Dado que este voltaje es dependiente de la temperatura, existe la posibilidad de que el circuito una vez ajustado siga presentando cierto desbalance con la temperatura. No obstante, como el coeficiente de temperatura suele ser apenas de unos microvolts por grado centígrado, no presenta mayor problema. La importancia del ajuste OFFSET se aprecia en las aplicaciones en que se trabaja con señales pequeñas (del orden de mV), por ejemplo: 

Instrumentación petroquímica



Instrumentación nuclear



Electromedicina (Bioelectrónica)

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9. Modos de configuración

9.1 Amplificador Inversor Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque puede ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación.

Al final tenemos:

Fórmula que nos indica que la tensión de salida Vo es la tensión de entrada Vi multiplicada por una ganancia R2/R1. El signo negativo de la expresión indica la inversión de fase entre la entrada y la salida. - Impedancia de entrada:

- Impedancia de salida:

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9.2 Amplificador No Inversor Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada. El análisis matemático será igual que en el montaje inversor.

Consideramos:

Teniendo en cuenta que: Vy=Vi y Vx=Vi tenemos:

en este caso la ganancia será:

Como se ve la ganancia de éste amplificador no puede ser menor que 1. Como en el caso del amplificador inversor R3 es igual a la combinada en paralelo de R2 y R1. 23

9.3 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 4, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional.

Fig. 4 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:

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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:

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

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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.

9.4 Sumador Inversor Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor, figura 5.

Fig. 5 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:

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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. 9.5 Integrador Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a IIN.

Fig. 6 27

Una modificación del amplificador inversor, el integrador, mostrado en la figura 6, se aprovecha de esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN. Como ocurría en el amplificador inversor, V(-) = 0, puesto que V(+) = 0, y por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada Iin pasa hacia el condensador CF, llamaremos a esta corriente IF. El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente constante IF, en CF da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar CF por el lazo de realimentación. La variación de tensión en CF es

lo que hace que la salida varíe por unidad de tiempo según:

Como en otras configuraciones del amplificador inversor, la impedancia de entrada es simplemente RG Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

Por supuesto la rampa dependerá de los valores de la señal de entrada, de la resistencia y del condensador. 28

9.6 Diferenciador Una segunda modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador mostrado en la figura 7.

Fig. 7 En este circuito, la posición de R y C están al revés que en el integrador, estando el elemento capacitativo en la red de entrada. Luego la corriente de entrada obtenida es proporcional a la tasa de variación de la tensión de entrada:

De nuevo diremos que la corriente de entrada IIN, circulará por RF, por lo que IF = IIN Y puesto que VOUT= - IF RF Sustituyendo obtenemos

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

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9.7 Seguidor de tensión Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia unidad mostrada en la figura 8

En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RF es cero, y la realimentación es del 100%. V0 es entonces exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como "seguidor de emisor" puesto que la salida es una réplica en fase con ganancia unidad de la tensión de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa es también infinita.

30

10.

Conclusiones y observaciones

Los amplificadores operaciones fueron inicialmente construidos con el objetivo de realizar operaciones matemáticas en los años 40 y actualmente son ampliamente utilizados. Con el paso del tiempo éstos fueron mejorándose y se le introdujeron mejoras en sus componentes para hacerlos más eficaces. Se pasó desde los AOP a tubo a los circuitos integrados, hasta terminar con dispositivos con transistores bipolares y de efecto de campo. En lo que respecta a los pines que poseen en la actualidad, podemos destacar que se cuenta con una fuente de alimentación positiva y negativa, dos entradas inversoras y una sola salida. El utilizar los AOP otorga una gran cantidad de ventajas, por un lado reducimos costos y tiempos al integrar una cantidad de elementos en un solo integrado. Es fácilmente reemplazable y se cuenta con una garantía de fábrica en razón de sus especificaciones y evitamos el riesgo de cometer errores en el armado. En su estructura interna el AOP cuenta con tres bloques: el amplificador diferencial en la entrada, un desplazador de nivel en la etapa intermedia y una contrafase en la salida. A la hora de establecer la calidad de un amplificador operacional, se realiza una comparación con los parámetros establecidos dentro de lo que se llama el amplificador operacional ideal. Aquí se plantean una serie de características que son imposibles de satisfacer pero que se utilizan con el fin de medir el desempeño. Los AOP cuentan con una serie de características que los definen como es el caso de la saturación, el slew rate, el rise-time, el overshoot, el cmrr, el ancho de banda, la impendancia de entrada o la impedancia de salida. Sin embargo, se produce un fenómeno en los voltajes baseemisor de los dos transistores de entrada. Se presenta una diferencia de voltajes minima en esa etapa pero que puede ser amplificada y terminar transformándose en un gran problema, este fenómeno se conoce como tensión offset de salida. Para solucionar esto, se deben conectar las patillas 1 y 5 a un potenciómetro y a la patilla cuatro. Así regulando el potenciómetro podremos controlar esta diferencia de tensión. Finalmente podemos mencionar que otra de las grandes ventajas que tienen los AOP es la gran cantidad de configuraciones distintas que podemos realizar con el mismo dispositivo, tenemos la posibilidad de realizar un amplificador inversor, no inversor, diferenciales, sumadores 31

inversores, integradores, diferenciadores y seguidores de tensión, cada uno con sus características técnicas y usos particulares pero que son formados solamente usando el mismo integrado en distintas configuraciones.

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11. 

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