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Amplificadores Operacionales

Dispositivos Electronicos
by

Ricardo Gaytan

on 22 May 2013

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Transcript of Amplificadores Operacionales

Ing. Ricardo Gaytán Presentes en casi todo circuito moderno, ya se trate de un dispositivo de electrónica digital o analógica, el amplificador operacional es el pilar de la mayoría de los diseños. Amplificadores Operacionales ¿Que es un Amplificador Operacional? Amp.Op.
A.O.
Op-Amp.
OPAM
Op.Amp. Podemos definir de manera informal a un amplificador operacional como un circuito electrónico, generalmente se obtiene en forma de circuito integrado o chip, que consta de dos entradas (V+ y V-) y una sola salida (Vout). Esta salida es la diferencia entre las dos entradas, multiplicada por un factor de potencia, al cual llamaremos G. Por lo tanto: Vout = Gx(V+ - V-) Antecedentes Históricos En la década de 1960, la empresa Fairchild comenzó a fabricar el que seria el primer amplificador operacional, llamado UA-709. Años mas tarde fue reemplazado por el muy popular modelo 741, que en la actualidad fabrican innumerables compañías. Originalmente, el uso reservado a los amplificadores operacionales era el campo de las matemáticas. En efecto, las primeras calculadoras analógicas, donde en lugar de utilizar aritmética binaria basada en compuertas digitales se usaban diferentes niveles de tensión, utilizaban estos circuitos para construir unidades encargadas de sumar, restar, dividir, derivar, integrar, etc. Este es el origen del nombre “Amplificador Operacional”. En la practica, y dependiendo del fabricante (que brinda hojas de datos de cada modelo de chip que fabrica), un amplificador operacional “real” tiene un ancho de banda del orden de los MHz, impedancias de entrada de algunos megaohms, y una ganancia típica de 100,000, lo que permite que una diferencia de tensión de 50 millonésimas de volts en sus entradas genere 5 volts en su salida. SÍMBOLO La imagen nos muestra el símbolo generalmente utilizado para representar estos dispositivos, donde se ven las entradas y la salida, además de las dos conexiones para la alimentación (Vs+ y Vs-). Estas tensiones en general son de entre 5 y 15 voltios, con signos opuestos. En los esquemas electrónicos se presenta al amplificador operacional como una caja negra con características ideales, lo que simplifica mucho su interpretación. Sin embargo, 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 amplificadores operacionales 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 a cortocircuitos. Mientras que con un transistor BJT podíamos tener una beta de 100, 200 o hasta 500, la ganancia en un operacional suele ser de los 100,000 inclusive hasta de un millón. Internamente el Amplificador Operacional contiene un gran número de transistores, resistores, capacitores, etc.. El terminal + es el terminal no inversor.
El terminal - es el terminal inversor. Ganancia en lazo abierto. Esta ganancia es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no existe ningún camino de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas.
La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:
AV = Vsal/Vent

Donde:
AV = ganancia de tensión
Vsal = tensión de salida
Vent = tensión de entrada

En un amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. Como el operacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000 (en amplificador operacional 741C).
Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, en donde lo que se desea es saber cual de las dos entradas tiene mayor tensión. Ganancia en lazo cerrado del Amplificador Operacional Para poder controlar la ganancia de tensión que tiene un amplificador operacional, se le provee de una realimentación negativa, que hará que este circuito sea mucho más estable. La ganancia es dada por la siguiente fórmula: AV = - Vo / Vin.
El signo menos indica que la señal en la salida será la opuesta a la entrada (sale invertida, una tensión positiva aplicada a la entrada produce una tensión negativa a la salida).

El valor de la ganancia está dada por: AV = -R2/R1. Si se modifican los valores de R2 y R1, se modifica la ganancia.

Ejemplo:
Si R2 = 500 Kohmios y R1 = 10 Kohmios, entonces
AV = -Vo/Vin = -R2/R1 = -500/10 = -50.

La ganancia será de 50 y la señal a la salida estará invertida (signo menos) Amplificador Operacional inversor en AC El amplificador inversor amplifica e invierte (ver el signo menos) una señal de corriente alterna. En este caso la señal alterna de entrada sale amplificada en la salida, pero también desfasada 180° (invertida). La ganancia de tensión se obtiene con la fórmula:
AV = -Vsal/Vent y AV = -R2/R1

Si Vent = 0.1 V y Vsal = -10 V, entonces AV = -10/0.1 = -100.
Las magnitudes de la señales alternas se pueden medir en tensión pico, pico-pico o RMS. Respuesta de frecuencia del amplificador inversor El amplificador operacional no amplifica de la misma manera para todo el rango de frecuencias. Conforme la frecuencia de la señal a amplificar aumenta, la capacidad del Amplificador Operacional para amplificar disminuye.




Hay una frecuencia para la cual la ganancia de tensión ha disminuido al 70.7 % de la ganancia a frecuencias medias. (la ganancia a disminuido en 3 dB. (decibeles))
Esta es la frecuencia de corte y nos indica el límite superior del ancho de banda (BW) de este Op. Amp. AMPLIFICADOR NO INVERSOR En este circuito, la tensión Vin se aplica a la entrada V+, y una fracción de la señal de salida, Vout, se aplica a la entrada V- a través del divisor de tensión R1 - R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vin. Vin = Iin x R1
Y como
Vout = Iin x (R1 + R2)
Tenemos que
Vout = (Vin / R1) x (R1 + R2)
Condición que expresada en términos de ganancia nos queda:
(Vout / Vin) = (R1 + R2) / R1 Que es la ecuación característica de ganancia para el amplificador no inversor ideal. También se pueden deducir propiedades adicionales para esta configuración. El límite inferior de ganancia se produce cuando R2 = 0, lo que da lugar a una ganancia igual a 1. En el amplificador inversor, la corriente a través de R1 siempre determina la corriente a través de R2, independientemente del valor de R2, esto también es cierto en el amplificador no inversor. Luego R2 puede utilizarse como un control de ganancia lineal, capaz de incrementar la ganancia desde el mínimo unidad hasta un máximo de infinito. La impedancia de entrada es infinita, puesto que se trata de un amplificador ideal. Un amplificador operacional ideal debería reunir las siguientes características:

a) Ganancia en lazo abierto (A) infinita.
b) Ancho de banda infinito.
c) Impedancia de entrada infinita.
d) Impedancia de salida nula. Como consecuencia de estas características, tenemos: Como A tiende a infinito, Vi tenderá a 0.Como Zent. Es muy elevada, Ii será 0.Cuando se cumple Ii=0 y Vi=0 se dice que en la entrada existe una tierra virtual o cortocircuito virtual. Cortocircuito virtual o tierra virtual es pues el hecho de que entre dos puntos se cumple que a efectos de tensión es un cortocircuito y a efectos de intensidad un circuito abierto. También podemos decir que es aquel punto de un circuito que estando a 0V de tensión, no consume corriente. Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma V- del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor. 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. SUMADOR INVERSOR
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