EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

1  EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

        El Amplificador Operacional (Op-amp) es un circuito integrado que tiene una resistencia de entrada alta; una resistencia de salida baja; una ganancia de voltaje en lazo abierto alta y una corriente de entrada baja.  Es un elemento de circuito activo y se utiliza para efectuar operaciones matemáticas de suma, sustracción, multiplicación, división, diferenciación e integración, circuitos logarítmicos y anti logarítmicos.  Además de las aplicaciones matemáticas, tienen una gran cantidad de aplicaciones en los circuitos tales como: amplificador inversor, amplificador no inversor, filtro activo con excelentes características de respuesta de frecuencia, sintetizador de funciones, compresión de señales, detector de fase, detector de valor máximo, detector de cruce por cero, muestreo y retención, amplificador de corrientes de salida, fuente de corriente, fuentes de voltaje, generador de funciones (rampa, ondas cuadradas, ondas triangulares, oscilador controlado por voltaje VCO, etc.), comparador, conversor de análogo a digital y de digital a análogo, circuitos de medida, instrumentación y control, circuitos de protección, circuito de aislamiento, etcétera.

        En la figura Nº 1a se aprecia el empaque comercial de un amplificador disponible comercialmente.  El modelo presentado es un Op-amp con empaque en línea doble (DIP) de 8 terminales, en donde se identifica la función de cada terminal.  La figura Nº 1b muestra el símbolo utilizado para representar a los Op-amp con todas sus conexiones, y en la figura 1c se muestra el símbolo simplificado de uso común.[pic 1]

[pic 2]

c)                [pic 3]

Figura Nº 1, Amplificador Operacional común: a) configuración de terminales, b) símbolo del circuito c) símbolo común

        La función de cada una de las terminales del circuito integrado de la figura Nº 1a es la siguiente:

1. Terminales 1 y 5, de balance o compensación, son utilizadas para prevenir oscilaciones del Op-amp cuando no posee compensación interna.
2. Terminal 2, entrada inversora, si la entrada no inversora es conectada a tierra y una señal es aplicada a la terminal 2, la salida estará 180º fuera de fase respecto a la señal de entrada.
3. Terminal 3, entrada no inversora, si la entrada inversora es conectada a tierra y una señal es aplicada a la terminal 3, la salida estará en fase con la señal de entrada.
4. Terminales 7 (+V) y 4 (-V); fuente de alimentación, debe ser dual.

        Para analizar un circuito que emplea amplificadores operacionales ideales, se deben emplear dos reglas básicas y los teoremas estudiados anteriormente, estas reglas son:

1. No fluye corriente hacia ninguna terminal de entrada.
2. No existe diferencia de tensión entre las dos terminales de entrada.

        Posteriormente se estudiará la validez de estas reglas con un modelo comercial.

2 AMPLIFICADOR INVERSOR

        En esta configuración la entrada se desfasa 180º y se amplifica.  En primer lugar se determinará la salida del circuito de la figura Nº 2, como una función de: el voltaje de entrada, y las resistencias,  [pic 4][pic 5]

LCK en el nodo “a”  [pic 6], aplicando la regla Nº 1

[pic 7]

LVK lazo de la entrada a la salida: [pic 8]                                                 Figura Nº 2

LVK lazo de la entrada al Op-amp, a tierra: [pic 9], aplicando la regla Nº 2 [pic 10];  sustituyendo  i  en  la  primera  ecuación  de  LVK,  [pic 11]

[pic 12]

PRÁCTICA Sea vent = 10 sen (3t) mV, R1 = 5kΩ y Rf = 50kΩ, encuentre vsal y grafique los voltajes.

[pic 13]

PRÁCTICA Calcule vsal al circuito de la figura Nº 3

PRÁCTICA  Cierto micrófono proporciona 0.5 V cuando alguien aplaude a una distancia de 5 metros. Un interruptor electrónico tiene una resistencia equivalente de Thevenin de 670 Ω y requiere 100 mA para energizarse. Diseñe el circuito que conectará el micrófono al interruptor electrónico, de manera que el interruptor se active cuando alguien aplauda a 5 metros o menos.

3 AMPLIFICADOR NO INVERSOR[pic 14]

        En esta configuración la entrada no se desfasa y se amplifica.  En primer lugar se determinará la salida del circuito de la figura Nº 3, como una función de: el voltaje de entrada, y las resistencias,  [pic 15]

LCK en el nodo “a” [pic 16] aplicando la regla Nº 2   [pic 17]                        Figura Nº 3

[pic 18]  [pic 19]

PRÁCTICA Sea vent = 10 sen (3t) mV, R1 = 5kΩ y Rf = 50kΩ, encuentre vsal y grafique los voltajes.

4 SEGUIDOR DE TENSIÓN 

        Si la resistencia de retroalimentación Rf = 0 (corto circuito) o R1 = ∞ (circuito abierto) o ambos, la ganancia se vuelve 1, y el circuito de la figura Nº 3 se convierte en el mostrado en la figura Nº 4, un seguidor de tensión (o amplificador de ganancia unitaria), debido a que la salida “sigue” o es igual a la entrada; por lo tanto [pic 20].

        Este circuito tiene una alta impedancia de entrada y resulta útil como amplificador de etapa intermedia (buffer) para aislar un circuito de otro.[pic 21]

Figura Nº 4

5 AMPLIFICADOR SUMADOR

        Es un circuito, figura Nº 5, que combina varias entradas y produce una salida ponderada (Ponderar: contrapesar, equilibrar) de las entradas.[pic 22]

LCK en el nodo “a”, [pic 23],

Y también [pic 24]

 aplicando las dos reglas; [pic 25],

[pic 26]             Figura Nº 5

PRÁCTICA  Calcule v0 e io del circuito mostrado en la figura Nº 6[pic 27]

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