Amplificadores

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Introducción:

El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene 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 caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100 dB.

El A.O. es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, la cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo tierra (o el punto de referencia que se considere).

El nombre de amplificador operacional proviene de una de las utilidades básicas de este, como lo son realizar operaciones matemáticas en computadores analógos.

1. Definición de Amplificador Operacional.

Un “amp op” es un amplificador diferencial que puede ser modelado por el circuito de dos puertas que aparece en la siguiente figura (1). Lo que lo caracteriza como un amplificador operacional es su elevada ganancia de voltaje una A de 100000 o superior. Por lo tanto, sólo se requieren aproximadamente 50 V en vi para producir v0 = 5 V.

Figura No. 1

En la figura (2) aparece el símbolo correspondiente a un amplificador operacional. A diferencia del modelo, el amplificador operacional no está en realidad conectado a tierra. Sin embargo, sí está conectado a una fuente de voltaje positivo y negativo, estableciendo en efecto una “tierra” aproximadamente a mitad entre los suministros. Estos son típicamente de +15 V y -15 V, puro pueden ser de +5 V y -5V. Los terminales “más” y “menos” a la entrada del amplificador operacional indican la polaridad de vi que hace positivo a v0.

Figura No. 2

Las conexiones de la fuente de energía con frecuencia no aparecen en los símbolos de los amplificadores operacionales. Los voltajes exactos de funcionamiento no son importantes para la operación de los amplificadores operacionales, en tanto el voltaje de señal no exceda de los suministrados.

Un amplificador operacional ideal tendría ganancia infinita y ninguna corriente de entrada, y la salida v0 no sería afectada por ninguna carga. Estas propiedades pueden resumirse como

A = ", Rentr.= ", Rsal..= 0

Un “amp op” ideal tiene otras propiedades, tales como un ancho de banda infinito, un intervalo de voltajes infinito a la entrada y la salida. Pero la propiedad más importante para simplificar las ideas de diseño es A = ". En la práctica esto no puede lograrse, pero el análisis basado en un modelo con ganancia infinita conduce a un acuerdo excelente en cuanto a la actuación real en la mayoría de los casos.

El Amplificador Operacional ideal se caracteriza por:

• Resistencia de entrada, (Ren), tiende a infinito.

• Resistencia de salida, (Ro), tiende a cero.

• Ganancia de tensión de lazo abierto, (A), tiende a infinito.

• Ancho de banda (BW), tiende a infinito.

• Vo = 0, cuando V+ = V-,

Ya que la resistencia de entrada, Ren, es infinita, la corriente en cada entrada , inversora y no inversora, es cero. Además el hecho de que la ganancia de lazo abierto sea infinita hace que la tensión entre las dos terminales sea cero, como es muestra a continuación:

V+ - V- = Vo

A

V+ - V- = 0

V+ = V-

2. Configuración Básica de un sumador según un

Amplificador Operacional.

Es probable que el más útil de los circuitos de “amp-op” utilizados en computadoras analógicas sea el circuito amplificador sumador. La figura (3) muestra un circuito sumador de tres entradas, el cual brinda un medio para sumar (añadir) algebraicamente voltajes de tres entradas, cada uno multiplicado por un factor de ganancia constante.

Figura No. 3

Amplificador Sumador

Si se utiliza el circuito equivalente virtual, el voltaje de salida puede expresarse en términos de entrada como:

Vo = (Rf/R1)V1 + (RF/R2)V2 + (Rf/R3)V3

En otras palabras, cada entrada añade un voltaje a la salida conforme se obtiene de un circuito de ganancia constante inversor. Si se emplean más entradas, ellas añaden componentes adicionales a la salida.

Un ejemplo del amplificador sumador es el circuito que aparece en la figura (4).

Figura No. 4

Este circuito puede usarse para combinar o mezclar señales de audio. Las fuentes V1, V2 y V3 determinan las corrientes i1,i2 e i3 a través de sus respectivas resistencias a tierra (se trata de una tierra “virtual” establecida por el corto virtual del amp-op). Cada corriente es proporcional a su correspondiente voltaje, por ejemplo, i1 = V1/(1K ). Aplicando la LKC, la corriente i4 que pasa por el resistor de realimentación de 3K es la suma de estas corrientes:

I4 = i1 + i2 + i3 = (V1 + V2 + V3)/1K .

Pero Vo = 3K * i4. Por lo tanto,

Vo = -3 (V1 + V2 + V3).

El voltaje de salida es la suma de los voltajes de entrada a los que se agrega alguna ganancia.

4. Configuración Básica de un Inversor según un

Amplificador Operacional.

Un amplificador con ganancia infinita no es muy útil en si. La utilidad de los “amp op” procede de incluirlos en otros elementos que determinan la respuesta del circuito. En la figura (6) se utiliza un amplificador operacional junto con dos resistores para integrar un amplificador con ganancia -3.

Figura No. 6

En todas las aplicaciones lineales del “amp op” la salida ésta conectada de alguna forma al terminal “menos” de entrada, por conducto de R2 en este caso. Esto da como resultado una realimentación negativa. En estas condiciones el amplificador actúa logrando que el voltaje de entrada v1 se hace negativo, llevando al terminal “menos” ligeramente debajo de “tierra”. Entonces vi se hace positivo, volviendo a v0 también positivo; lo bastante positivo para elevar el terminal “menos” de forma que Vi es cero de nuevo. Debido a que la ganancia (ideal) es infinita, ni siquiera un pequeño voltaje puede mantenerse en Vi.

Esto tiene la mayor importancia para comprender un circuito con amplificador operacional: el voltaje entre los dos terminales de entrada del amplificador es cero. Esto es un logro nada trivial porque se obtiene sin sacar ninguna corriente a la entrada del “amp op”. Por ejemplo, en el circuito de la figura (6) se podrían tener cero volts de tierra a la unión de R1 y R2, poniendo simplemente en corto y a tierra dicha junta. Pero esto sacaría corriente a través del corto, perturbándose

...