Amplificadores Operacionales.

Amplificadores Operacionales.

El nombre de amplificador operacional proviene de una de las utilidades básicas de este, como son la de realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos (características operativas). Originalmente los amplificadores operacionales (AO) se empleaban para operaciones matemáticas (Suma, Resta, Multiplicación, División, Integración, Derivación, etc.) en calculadoras analógicas, de ahí su nombre.

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

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

Esquemas y Configuraciones Externas.

El símbolo de un amplificador operacional es el siguiente:

Los Terminales son:

V+: Entrada no inversora.

V-: Entrada Inversora

Vout: Salida

Vs+: Alimentación positiva

Vs-: Alimentación negativa.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por razones de claridad.

Lazo Abierto:

Si no existe realimentación, la salida del AO será la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de 1mV la salida debería de ser 100V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el AO estará saturado si se da este caso. Si la tensión mas alta es la aplicada a la Terminal positiva la salida será la que corresponde a la alimentación Vs+, mientras que si la tensión más alta es la de la Terminal negativa la salida será la alimentación Vs-

Lazo Cerrado:

Se conoce como lazo a la retroalimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la Terminal negativa, la tensión en esta Terminal también se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas se reduce, disminuyéndose también la salida este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las 2 entradas, idealmente con el mismo valor.

Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas 2 aproximaciones para analizar el circuito:

V+ = V-

I+ = I- = 0

Alimentación:

El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0V. El valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un máximo y un mínimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador el valor de tensión que se escoja, únicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentación.

Configuración Interna de un Amplificador Operacional.

Internamente el AO contiene un gran numero de transistores, resistores, capacitares, etc. Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines o terminales. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que esta a la izquierda de una muesca cuando se pone integrado. La distribución de los terminales del amplificador operacional integrado DIP de 8 pines es:

- Pin 2: entrada inversora (-)

- Pin 3: Entrada no inversora (+)

- Pin 6: Salida (out)

Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensión:

- Una positiva conectada al Pin 7

- Una negativa conectada al Pin 4

También existe otra presentación con 14 pines, en algunos casos no hay muesca, pero hay un circuito pequeño cerca del Pin numero 1.

Esquema de la configuración interna del Amplificador Operacional:

Amplificador Operacional Ideal

A continuación se muestra un esquema del amplificador operacional ideal:

Este es un dispositivo de acoplo directo, con entrada diferencial y un único Terminal de salida. El amplificador solo responde a la diferencia de tensión entre los 2 terminales de entrada, no a su potencia común. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida. Con una tensión de entrada diferencial, Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizaran siempre independientemente de la aplicación. La señal d salida es de un solo Terminal y esta referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares (+)

V0 = a Vd

a = infinito

Ri = Infinito

R0 = 0

BW (Ancho de banda) = infinito

V0 = 0 si Vd = 0

Teniendo en mente las funciones de la entrada y la salida, se puede definir las propiedades del amplificador ideal.

1.- La ganancia de tencion es infinita: a = ∞

2.- La Resistencia de entrada es infinita: Ri = ∞

3.- La resistencia de salida es 0: Ro = 0

4.- El ancho de banda es infinito: BW = ∞

5.- La tensión offset de entrada es 0: V0 = 0 Si Vd = 0

A partir de estas características del AO, podemos deducir otras 2 importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia de tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña luego, en resumen:

La tensión de entrada diferencial es nula. También, si la resistencia de entrada es infinita. No existe flujo de corriente en ninguno de los termínales de entrada. Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearan repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se puede, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores operacionales

Funcionamiento en Modo Diferencial y Modo Común

Una tercera configuración del amplificador operacional es conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de la configuración inversa y no inversa. Aunque esta basado en los otros 2 circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. A continuación se muestra un esquema de un amplificador operacional diferencial:

El circuito anterior tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional. Para comprender el circuito, primero se estudiarán las dos señales de entrada por separado, y después combinadas. Como siempre Vd = 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero. Se debe recordar que Vd = V(+) - V(-) ==> V(-) = V(+) La tensión a la salida debida a V1 la llamaremos V01

Y como V(-) = V(+) La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá:

Y la salida debida a V2 (suponiendo V1 = 0) será, usando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor, V02

Y dado que, aplicando el teorema de la superposición la tensión de salida V0 = V01 + V02 y haciendo que R3 sea igual a R1 y R4 igual a R2 tendremos que:

Por lo que concluiremos

Que expresando en términos de ganancia:

Que es la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial esta configuración es única porque puede rechazar una señal común a ambas entradas. Esto se debe a la propiedad de tensión de entrada diferencial nula, que se explica a continuación.

En el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo. V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V(+) en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V (-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red de resistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V(-) se mantenga igual a V(+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está a masa. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación

La ganancia para señales en modo común es cero, puesto que, por definición,

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