AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Un amplificador operacional es básicamente un amplificador con una ganancia muy alta. Los amplificadores pueden ser usados en circuitos electrónicos retroalimentados para implementar amplificadores precisos, filtros, amplificadores operacionales que estos se encuentran disponibles en circuito integrados, de manera que pueden ser considerados y usados como un bloque básico de construcción.

Idealmente un amplificador operacional debe tener ciertas propiedades como ganancia infinita y ancho de banda infinito. En la práctica, los fabricantes proporcionan una amplia gama de amplificadores operacionales siendo más costosos los que se aproximan al ideal.

Modelo ideal del amplificador operacional.

Un amplificador operacional es una amplificador diferencial, el cual puede modelarse mediante un circuito de dos puertos como el de la siguiente figura.

a) b)

Lo que lo caracteriza como amplificador operacional es su muy alta ganancia de voltaje; una A de 100,000 o mayor.

El símbolo para un amplificador operacional se puede observar en la figura b) anterior. A diferencia del modelo, el amplificador operacional.

3 no está realmente conectado a tierra. Sin embargo, está conectado a una fuente de voltaje positiva y una negativa, estableciendo efectivamente la tierra aproximadamente a la mitad entre las dos fuentes. Generalmente tienen valores de +15 v y -15 V, pero pueden ser tan bajos como +5 V y -5 V. Las terminales "más" y "menos" a la entrada del amplificador operacional indican la polaridad de

que hace positivo. La terminal "menos" se denota con la terminal de entrada inversora, ya que elevando su voltaje baja el voltaje en la salida. La terminal "más" se conoce como terminal de entrada no inversora, debido a que elevando su voltaje eleva el voltaje en .

las conexiones de las fuentes de alimentación frecuentemente no se observan en ninguna corriente de entrada, y la salida no estaría afectada por la carga. Estas propiedades pueden resumirse así:

A= Rent = Rsal= 0

De igual manera, un amplificador operacional ideal tiene otras propiedades tales como ancho de banda infinito y un rango de voltaje infinito en la entrada y salida. Sin embargo, la propiedad más importante para simplificar las ideas de diseño es A= . en la práctica esto no se puede lograr, pero en la mayoría de los casos el análisis basado en un modelo con ganancia infinita conduce a excelentes concordancias con el funcionamiento real.

Inversor

Un amplificador con ganancia infinita no es muy útil por si mismo. La grasn utilidad de los amplificadores operacionales surge de la conjunción de estos con otros elementos, los cuales determinan la respuesta del circuito. Así, en la siguiente figura se usa un amplificador operacional junto con dos resistores para formar un amplificador con ganancia de -3.

En todas las aplicaciones de los amplificadores operacionales lineales la salida de algún modo es conectada a la terminal de entrada inversora, a través de R2 en este caso. Esto da como resultado una retroalimentación negativa. Bajo esta condición, el amplificador operacional funcional de manera que su voltaje de entrada siempre sea 0. Supongamos que es negativo, tomando la terminal inversora ligeramente debajo de tierra, como el la figura anterior. Entonces es positivo, lo que causa que sea positivo, o bastante positivo para elevar el voltaje en la terminal inversora de manera que es de nuevo cero. Debido a que la ganancia (ideal) es infinita, ni siquiera un pequeño voltaje puede permanecer

en .

Esto es de gran importancia para entender el circuito de un amplificador operacional: el voltaje entre las dos terminales de entrada del amplificador operacional es cero. Esto es un logro no trivial, debido a que se hace sin demandar corriente a la entrada del amplificador operacional.

El análisis del circuito de un amplificador operacional es fácil, una vez que se hacen las siguientes consideraciones: (1) que es ideal y (2) que se logra el objetivo de mantener 0 volts entre sus terminales de entrada.

Debido a que este diseño del amplificador conduce a una ganancia negativa, se le llama configuración inversora. Es importante notar en la figura anterior que la ganancia -R1/R2 depende solamente de los valores de los reisitores, y estos pueden ser fabricados muy exactamente; 0.1 si es necesario.

Otro uso para la configuración inversora es el amplificador sumador. Este circuito puede usarse en la combinación o mezcla de señales de audio.

V = -3 (v1 + V2 + V3)

Configuración no inversora

Como el nombre implica, la configuración no inversora de un amplificador operacional realiza una amplificación con la ganancia positiva. Aún de más importancia, es el que la impedancia de entrada del amplificador es muy alta. Debido a esto es muy útil en aplicaciones de separador (buffer), donde la fuente se protege de tener que proporcionar una alta corriente de carga.

La siguiente figura muestra un ejemplo de la configuración no inversora. Nótese nuevamente la polaridad de la entrada; la terminal inversora está conectada a la salida a través de R2. Ya que hay un corto virtual a la entrada del amplificador operacional, la fuente de voltaje aparece en la unión de R1 y R2. El voltaje establece una corriente i= /R1 a través de R1 y esta misma corriente fluye a través de R2; no fluye corriente en la terminal inversora. La tierra esta ahora a la izquierda, de manera que el voltaje de salida es el voltaje a través de ambos resistores = (R1 + R2 ) i = (R1+ R2) /R!= 4 .

Diferencial

Algunas aplicaciones requieren que la diferencia entre dos voltajes sea amplificada. Este es el caso de un sistema de control donde el comparador toma la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de retroalimentación. Otro ejemplo es en aplicaciones biomédicas donde se hace una medición de la diferencia de voltaje entre dos puntos en el cuerpo del paciente.

V = (R2/R1) (V1 - V2)

En este amplificador la salida depende solamente de la diferencia entre los voltajes de entrada. Si estos voltajes son aumentados o disminuidos simultáneamente, no afecta la salida. A esto se le llama rechazo en modo común.

Otra analogía con la palanca hace esto más claro. En la siguiente figura el divisor de voltaje (conectado a ) es semejante a una palanca de segunda especie con un punto de apoyo anclado a su extremo derecho. Su punto de esfuerzo es un pivote conectando los resistores inferiores con los resistores superiores. El arreglo completo es semejante a unas tijeras. La distancia de la punta con respecto al punto de apoyo depende solamente del espaciamiento entre las palancas. Si ambas palancas son movidas la misma distancia, la altura de la punta derecha superior esencialmente no cambia.

Integrador

Los circuitos electrónicos son frecuentemente usados para realizar operaciones matemáticas.

Realmente, un capacitor por si mismo hace esto si la entrada es una corriente y la salida es un voltaje.

Si se desea representar todas las variables mediante voltajes, entonces el voltaje de entrada debe primero convertirse en una corriente proporcional i, y un capacitor hace el resto. Esto es esencialmente l o que hace el circuito integrador de la siguiente figura . ya que R1 esta conectado a la tierra virtual, aparece directamente a través de el, y se produce una corriente proporcional: i= /R1. El capacitor también está conectado a la tierra virtual, de manera que el voltaje de salida es el voltaje a través del capacitor, la integral de la misma corriente:

V = - 1 v1 dt.

R 1 C

a) b)

El diseño de un circuito que parece adecuado con un amplificador operacional ideal puede oscilar cuando se construye prácticamente; esto se cumple para el diferenciador de la figura b) anterior.

Comparador

Un amplificador operacional por sí mismo, puede ser usado como un comparador. Las terminales de entrada comparan dos voltajes, y la salida es +14 V o - 14 V, dependiendo de que le voltaje de entrada sea el más grande.

Los compradores o detectores es una clase especial de amplificador, en el cual la salida en voltaje proporciona información acerca del estado de la señal de entrada (un voltaje desconocido) con respecto a un voltaje de referencia.

Un amplificador operacional, tiene dos entradas, y que el voltaje de salida es proporcional a la diferencia entre el voltaje de la entrada no inversora (+) y el de la inversora (-), es posible usar este dispositivo como comparador ya que la única función que realizan los amplificadores operacionales es:

Vo = (+V) - (-V) Ao

Derivador

A este circuito se le conoce por varios nombres circuito de primera derivada, amplificador de diferenciación, filtro pasaaltas, etc...

Un derivador ideal produce un voltaje de salida proporcional a las variaciones del voltaje de entrada en el tiempo, entregando un voltaje de salida instantáneo que se relaciona con la derivada del voltaje de entrada. El circuito básico que realiza esta función requiere de un amplificador operacional, un capacitor de entrada y una resistencia de retroalimentación, como se muestra en la siguiente figura:

Para explicar este circuito se mostrara que el voltaje de salida es la diferencial del voltaje de entrada. Para efectuar este análisis se retoman los dos primeros axiomas ya conocidos. En este caso se deduce:

Vx = Vy = 0

Ii = If

La corriente de entrada- se determina a partir del voltaje que existe a través del capacitor Ci

d

Ii = Ci (Vi - V x)

dt

En esta última ecuación se observa que el circuito es sensible a la pendiente de la señal de entrada. Por lo tanto, no tiene objeto aplicar a la entrada un voltaje que no cambie en el tiempo, como es el caso del voltaje directo cc. Bajo esta condición el voltaje de salida siempre será cero.

Sumador

Para lograr un sumador inversor, una de las formas es usar la singularidad de tierra virtual en el nodo de suma x del amplificador inversor. Para ello, este se modifica y se configura un circuito con la propiedad de efectuar una suma lineal como se muestra en la siguiente figura:

En el sumador como en el amplificador inversor se aplican los dos axiomas bajo la consideración de que el amplificador operacional es ideal, es decir, que Vd = 0 y que Is= 0 por lo tanto, Ii= If. En el sumador inversor la If es la suma algebraica de todas las corrientes de entrada al circuito, tales como I1, I2, I3, etc...

Vx = Ve

I1 + I2 = If

I1= V1 - V x I2 = V2 - Vx If = Vx - Vo

R2 Rf

R1

Sistema de transmisión y lectura digital.