Amplificadores Op

Conferencia # 4: El Amplificador Operacional

Sumario

1. Propiedades fundamentales del amplificador operacional

2. Diferentes configuraciones del amplificador operacional

Bibliografía

- Hayt and Kemmerly, “ECA”. Epig. 2.8

Objetivos

1. Describir al amplificador operacional.

2. Deducir el circuito equivalente del A.Op a partir de sus propiedades.

3. Explicar algunas de las configuraciones del amplificador operacional.

Introducción

Rememorar conferencia anterior: Concepto de circuitos lineales. Divisores de voltajes y corrientes en circuitos serie y paralelo respectivamente. Procedimiento de transformaciones recíprocas de fuentes reales de voltaje y corriente. Conexiones de resistores en  y Y.

Preguntas

1. Enuncie el concepto de circuitos lineales

2. Explique cómo se transforma una fuente real de voltaje en una fuente real de corriente.

3. Explique las características de los resistores conectados en delta y en estrella.

Desarrollo

1. Propiedades fundamentales del amplificador operacional

El término Amplificador Operacional (AOp) se refiere a un amplificador que realiza operaciones matemáticas. Históricamente, los primeros amplificadores operacionales se utilizaron en computadoras analógicas, en las que realizaban sumas, restas, multiplicaciones, etc.

El primer amplificador operacional fue construido en los años 40 (durante la Segunda Guerra Mundial), usando válvulas al vacío para resolver eléctricamente operaciones matemáticas de suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración, así como la solución eléctrica de ecuaciones diferenciales en computadoras analógicas sencillas. El primer AOp producido en masa lo introdujo George A. Philbrick en 1948, el K2-W como el mostrado en la figura 1, su costo era en los años cincuenta de $22 USD.

Figura 1: El Primer Amplificador Operacional “real”, el K2-W.

Estos AOp, formando parte de circuitos electrónicos, permitían la simulación de sistemas físicos y se usaron ampliamente, para la investigación y desarrollo de dichos sistemas.

El primer amplificador operacional monolítico data de los años 1960, era el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Actualmente, los amplificadores operacionales son circuitos integrados que contienen transistores, diodos, resistencias y capacitores, fabricados sobre una pequeña pastilla de silicio. Las operaciones matemáticas señaladas anteriormente, se logran adicionando externamente elementos (resistores, capacitores, etc.).

Con la posibilidad de producción en masa que las técnicas de fabricación de circuitos integrados proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades, lo que, a su vez contribuyó a rebajar su coste. Hoy en día, el precio de un amplificador operacional integrado de propósito general, con una ganancia de 100 dB, una tensión offset de entrada de 1 mV, una corriente de entrada de 100 nA y un ancho de banda de 1 MHz. es inferior a 1 euro.

El amplificador, que era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para convertirse en un componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado por completo el panorama del diseño de circuitos lineales.

El AOp es un amplificador diferencial (amplifica la diferencia entre dos señales) de elevada ganancia, con dos entradas, una inversora y la otra no inversora y una salida.

Uno de los símbolos más usado para representar el AOp, es el que se presenta en la figura 2a:

Figura 2: Representación del Amplificador Operacional.

El AOp se alimenta de una fuente de CD, la cual le entrega dos voltajes referidos a tierra, uno de +V y otro de –V (generalmente los valores de los voltajes de alimentación son de +15 V y -15 V), lo que permite que la señal a la salida del AOp pueda variar de polaridad (entre +V y –V), sin que se requiera emplear acoplamiento capacitivo o inductivo entre el AOp y la carga conectada a su salida, tal como se muestra en la figura 2b. Los terminales de la fuente de alimentación de corriente directa (+V, -V), no siempre aparecen representados en el símbolo mostrado. También hay AOp que se alimentan entre + V y tierra.

El terminal de entrada identificado por el signo (-) es la entrada inversora y el voltaje V1 está definido entre la entrada inversora y tierra. El voltaje V2 se define entre la entrada no inversora (+) y tierra. A la salida se obtiene (entre el terminal de salida y tierra) el voltaje Vi = (V1 – V2) amplificado y desfasado 180º respecto a la entrada (Vo). Si V2 = 0, entonces V1 aparece amplificado y desfasado 180º a la salida. Si V1 = 0, entonces V2 aparece amplificado a la salida pero sin desfase.

La ganancia o amplificación de este dispositivo está en el orden de 104 a 107 para diferentes tipos de AOp, siendo su valor típico de 105. Es conocida como ganancia de lazo abierto y se representa por Av.

El modelo equivalente del AOp está compuesto básicamente por una fuente de voltaje dependiente de voltaje (AvVi) y resistores, tal como aparece en la figura 3. La fuente dependiente aparece en los terminales de salida del AOp y el voltaje de control (Vi) se aplica a los terminales de entrada.

Figura 3: Circuito equivalente del AOp.

El voltaje aplicado a la carga será:

La curva de voltaje transferencial ideal es la que se muestra en la figura 4. La curva no está a escala, pues sería casi vertical, debido a la ganancia infinita de Av.

Figura 4: Curva de transferencia de voltaje ideal

El AOp presenta una resistencia de entrada (Ri) muy alta (de

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