Amplificador Operacional

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1. INTRODUCCION: La mayor parte del control y medida de los procesos industriales se realiza mediante circuitos electrónicos, siendo el amplificador operacional un módulo básico de dichos circuitos de control. Aunque cada vez más, el procesado de la información y la toma de decisiones del sistema se realiza con circuitos digitales o sistemas basados en microprocesadores, la conversión de las variables medidas (temperatura, presión, velocidad, etc.) en variables eléctricas: corriente o tensión (en los sensores), o la conversión inversa (en los actuadores analógicos), requiere de circuitos analógicos, donde el amplificador operacional juega un papel fundamental

El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40. El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados.

Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos. Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de vacío.

Los primeros amplificadores operacionales se construyeron partiendo de componentes discretos (transistores y resistencias). A la mitad de la década de 1960 se produjo el primer amplificador operacional de circuito integrado (CI). Esta unidad (la µA 709) se formó de un número relativamente grande de transistores y resistencias, todos ellos en la misma placa de silicio. Aunque sus características eran pobres (en relación a los estándares actuales) y su precio fue bastante alto, su aparición señaló una nueva era en el diseño de circuitos electrónicos. Los ingenieros en electrónica comenzaron a utilizar los amplificadores operacionales en grandes cantidades, lo que causó que su precio se redujera en forma dramática. Demandaron también amplificadores operacionales de mejor calidad. Los fabricantes de semiconductores respondieron con prontitud, y en un plazo de unos pocos años se contó con amplificadores operacionales de alta calidad a precios extremadamente bajos (décimos de centavos de dólar) de un gran número de proveedores.

Una de las razones de la popularidad del amplificador operacional es su versatilidad. Como muy pronto se verá, se puede hacer casi cualquier cosa con los amplificadores operacionales Aún de mayor importancia, el amplificadores operacionales de circuito integrado (CI) presenta características que por muy poco alcanzan el que se considera ideal. Esto implica que es bastante fácil diseñar circuitos utilizando el amplificador operacional de CI.

Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos años los amplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estándar de diseño, abarcando aplicaciones mucho más allá del ámbito original de los computadores analógicos.

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.

2. CONCEPTO: 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 por 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).

Es un amplificador diferencial de ganancia muy alta que se utiliza como bloque constructivo para el diseño de una amplia gama de circuitos electrónicos.

3. SIMBOLO DEL AMPLIFICADOR: Se representa mediante un triangulo.

Los terminales son:

 V+: entrada no inversora

 V-: entrada inversora

 VOUT: salida

 VS+: alimentación positiva

 VS-: alimentación negativa

3.1. SIMBOLOS Y TERMINALES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL: Un amplificador operacional es un amplificador diferencial. Desde el punto de vista de una señal, el Amp. Op. tiene tres terminales: dos terminales de entrada y un terminal de salida. La figura muestra el símbolo que utilizaremos para representar el Amp. Op. Los terminales 1 y 2 son los terminales de entrada, y el terminal 3 es el de salida.

Los terminales son:

• V+: entrada no inversora

• V-: entrada inversora

• Vout: salida

• Vs+: alimentación positiva

• Vs-: alimentación negativa

Internamente el Amp. Op. (Op Amp) contiene un gran número de transistores, resistores, capacitores, etc.

El terminal + es el terminal inversor

El terminal – es el terminal inversor

4. 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 está 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 tensión 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.

En el modelo de amplificador ideal, la salida del amplificador se obtiene a través de la expresión:

Esta expresión nos dice que la salida del amplificador es directamente proporcional a la diferencia de potencial Vd en la entrada. Designaremos a la constante de proporcionalidad A como GANANCIA EN LAZO ABIERTO. Con esta definición podemos decir también que el amplificador operacional es DIFERENCIAL ya que la salida depende de la diferencia de tensión en sus entradas.

A es una constante para cada amplificador y sus valores son muy altos (>200000 para amplificadores reales). En lazo abierto significa que es la ganancia del propio dispositivo sin conectar a nada.

Resolución de circuitos con amplificadores operacionales ideales: Para resolver

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