AMPLIFICADORES OPERACIONALES

El término de amplificador operacional fue asignado alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación. Importantes dentro de la computación analógica de esa época.

La aparición y desarrollo de la tecnología integrada, que permitía fabricar sobre un único substrato monolítico de silicio gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de amplificadores integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas. El primer OA fue desarrollado por R.J.Widlar en Fairchild. En 198 se introdujo el famoso OA 741 que desbanco a sus rivales de la época con una técnica de compensación interna muy relevante y de interés incluso en nuestros días. Los amplificadores basados en tecnología CMOS han surgido como parte de circuitos VLSI de mayor complejidad, aunque sus características eléctricas no pueden competir con los de la tecnología bipolar. Su campo de aplicación es más restrictivo pero su estructura sencilla y relativa baja área de ocupación les hacen idóneas en aplicación donde no se necesitan altas prestaciones como son los circuitos de capacidades conmutadas. Combinando las ventajas de los dispositivos CMOS y bipolares, la tecnología Bi-CMOS permite el diseño de excelentes OAs.

BLOQUES FUNCIONALES DE UN OA

Los OAs integrados están constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que dependen de sus prestaciones y de la habilidad del diseñador a la hora de combinarlas. Tradicionalmente, un OA esta formador por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida. Estos bloques están polarizados con fuentes de corrientes. Circuitos estabilizadores, adaptadores y desplazadores de nivel. La figura anterior muestra a nivel de bloque la configuración de un OA. La etapa diferencial presenta las siguientes características: tiene dos entradas (inversora y no inversora), su relación de rechazo en modo común es muy alto, las señales van directamente acopladas a las entradas

y presentan una derivada de tensión de salida muy pequeña. El amplificador intermedio proporciona la ganancia de tensión suplementaria. Suele ser un EC con carga activa y esta acoplada al amplificador diferencial a través de un seguidor de emisor de muy alta impedancia de entrada para minimizar su efecto de carga. El adaptador permite acoplar la etapa intermedia con la etapa de salida que generalmente es una clase AB.

ESQUEMATICO DEL OA 741 (ESQUEMA COMPLETO)

ESQUEMA SIMPLIFICADO

La figura anterior describe el esquema de OA 741. Este OA mantiene la filosofía del diseño de circuitos integrados: gran número de transistores, pocas resistencias y un condensador para compensación interna. Esta filosofía es el resultado de la economía de fabricación de dispositivos integrados donde se combina área de silicio, sencillez de fabricación y calidad de los componentes. El 741 requiere dos tensiones de alimentación que normalmente son de ± 15V. La masa del circuito es el nudo común a las dos fuentes de alimentación. La segunda figura describe la versión simplificada con los elementos circuitales más importantes. En este circuito se observa la etapa diferencial constituida por los transistores Q1 y Q2, la etapa amplificadora intermedia por Q16, Q17 y Q23, y la etapa de salida de push-pull por Q14 y Q20.

SIMBOLO OA

AMPLIFICADORES MULTIETAPA

Un amplificador puede estar constituido por una única etapa, sencilla o complicada, o puede utilizar una interconexión de varias etapas. Diversas alternativas de diseño, polarización, acople y realimentación, lo cual determina la topología del amplificador.

En un amplificador multietapa, las etapas individuales pueden ser esencialmente idénticas o radicalmente distintas. Las técnicas de realimentación se pueden emplear tanto a nivel individual como a nivel funcional, o en ambos, y con la finalidad de obtener estabilización de la polarización o de la ganancia, reducción de la impedancia de salida, etc.

FUNCIONAMIENTO EN CLASES A, B, AB Y C.

La etapa de salida o de potencia de cada una de las etapas de un amplificador se clasifica según las diferentes formas de funcionamiento (clase A, B, AB, C), dependiendo de las características de conducción del dispositivo Activo. Estas definiciones también son aplicables a cualquier etapa amplificadora intermedia.

CLASE A

La señal de salida varía los 360° del ciclo. Para este amplificador se requiere que el punto Q se encuentre a un nivel tal que al menos la mitad de la excursión de la señal de salida pueda variar hacia arriba y abajo, sin llegar a un voltaje suficientemente grande para estar limitado por el nivel de voltaje de alimentación, o demasiado bajo para llegar al nivel de alimentación bajo, o cero voltios, en esta descripción.

CLASE

Un circuito clase B proporciona una señal de salida que varia a lo largo de la mitad del ciclo de la señal de entrada, o 180° de la señal. El punto de polarización en DC para la clase B, está, por lo tanto a cero voltios, variando entonces la salida desde el punto de polarización medio ciclo. Es obvio que la salida no es una reproducción fiel de la entrada si solamente está presente medio ciclo. Se necesitan dos operaciones clase B, una para proporcionar del medio ciclo de salida positivo y otra para proporcionar la operación del medio ciclo negativo

CLASE AB

Un amplificador puede estar polarizado a un nivel de DC por arriba del nivel de corriente de base cero de la clase B y por arriba de la mitad del nivel de voltaje de alimentación de la clase A. Esta condición de polarización es la clase AB. La operación de la clase AB todavía requiere una conexión en contrafase para lograr un ciclo de salida completo, pero el nivel de polarización en DC está por lo general, cercano el nivel de corriente de base cero para una mejor eficiencia de potencia.

CLASEC

La salida de un amplificador clase C esta polarizada para operar a menor de 180° del ciclo, y solamente con un circuito sintonizado (resonante) que proporciona un ciclo completo de operación para la frecuencia sintonizada o resonante.

AMPLIFICADOR A TRANSISTOR ESTÍPICO:

Las técnicas de análisis empleadas para etapas amplificadoras a válvulas también son aplicables a las transistorizadas. La principal diferencia está en los modelos de dispositivos activos utilizados.

La sección de la fuente se halla diferenciada e incluye el generador equivalente de la etapa precedente, mientras que la carga incluye los efectos de carga de la etapa siguiente.Los parámetros híbridos resultan complejos y dependen de la frecuencia, a menudo es más cómodo emplear simplificaciones. La mayoría de los transistores poseen los parámetros especificados por sus fabricantes, si bien puede ser necesario determinar algunos adicionales mediante medición.

AMPLIFICADORES DE PUSH-PULL:

En un amplificador de un solo terminal, el componente activo se halla continuamente conduciendo. Este tipo de configuraciones se emplea generalmente en aplicaciones de baja potencia, funcionando en clase A. Por ejemplo, los preamplificadores y amplificadores de bajo nivel funcionan generalmente con un solo terminal, a menos que los niveles de potencia de salida requieran la acción más eficiente de los circuitos push-pull.

En la configuración v (o en contrafase) existen, por lo menos, dos componentes activos que, alternativamente, amplifican los ciclos positivos y negativos de la señal de entrada. En la salida, la conexión con la carga esta, en la mayoría de los casos, efectuada mediante acoplo por transformador.

CIRCUITOS COMPLEMENTARIOS

Con el uso de transistores complementarios (npn y pnp) es posible obtener una salida de ciclo completo a través de una carga usando medios ciclos de operación de cada transistor. Mientras se aplica solo una señal de entrada a la base de ambas transistores, los transistores de tipo opuesto conducirán en medios ciclos opuestos de la entrada.

El transistor npn conducirá en el medio ciclo positivo de la señal, con un medio ciclo de señal resultante a través de la carga. Durante el medio ciclo negativo de la señal, el transistor Pnp conduce cuando la entrada es negativa.

Durante un ciclo completo de la entrada se desarrolla un ciclo completo de la señal de salida a través de la carga. Una desventaja del circuito es la necesidad de dos voltajes de alimentación separados. Otra desventaja menos obvia con el circuito complementario se muestra la distorsión de cruce resultante en la señal de salida.

Para hacer posible esta configuración fue necesario el uso de los transistores TIP31C y TIP 32C "npn y pnp" complementarios, los cuales son transistores Darlington de potencia.

CONEXIÓN DARLINGTON

Una conexión muy popular de dos transistores de unión bipolar para que opere como un transistor don "superbeta" es la conexión Darlington. La principal característica de la conexión Darlington es que el transistor compuesto actúa como una sola unidad con una ganancia de corriente que es el producto de las ganancias de corriente de los transistores individuales. Si la conexión se hace cuando se utiliza dos transistores separados que tengan ganancias de corriente B1 y B2, la conexión Darlington proporcionará una ganancia de corriente:

BD=B1XB2

Si los dos transistores están apareados para que B1 ± B2 ± B, la conexión Darlington da unagananciadecorrienteBD=B2

Una conexión Darlington de transistores proporciona un transistor que tieneuna ganancia de corriente muy grande, casi siempre unos cuántos miles.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de vacío. El uso generalizado de los AOs no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales, fabricándose módulos que realizaban la circuitería interna del amplificador operacional mediante diseño discreto de estado sólido. 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.

Tal y como acabamos de exponer, el componente electrónico conocido como amplificador operacional es realmente un circuito complejo formado por muchos transistores y otros componentes en un solo circuito integrado. El esquema funcional de un amplificador operacional puede verse en la Figura 1.

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Figura 1: Esquema funcional del amplificador operacional

El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que se amplifica el

modo diferencial de las señales, mientras que el modo común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia total es muy elevada, típicamente del orden de 105. Finalmente, en la última etapa no se amplifica la tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades.

Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una fuente de alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el operacional está formado por componentes no generadores.

Una vez realizada esta presentación, hay que aclarar que en la mayoría de los casos, es posible conocer el comportamiento de un circuito en el que se inserta un operacional sin tener en cuenta su estructura interna. Para ello vamos a definir, como siempre, un componente ideal que nos permita una primera aproximación. Y también como es habitual, los cálculos rigurosos necesitarán de modelos más complejos, para los que sí es necesario estudiarlo más profundamente.

El símbolo del amplificador operacional es el que se muestra en la Figura 2, junto con el equivalente circuital ideal.

Figura 2: Representación del amplificador operacional ideal

El operacional tiene cinco terminales:

Entrada no inversora (V+) Entrada inversora (V-) Alimentación positiva (ECC) Alimentación negativa (-ECC)

Salida (VOUT)

A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que como se verá, no afectan al funcionamiento. La representación circuital está formada por una resistencia de entrada, que une los dos terminales, y un generador de tensión de salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las entradas.

Las características más relevantes del amplificador operacional son:

Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M. Ganancia muy elevada: Mayor que 105.

Las consecuencias que se derivan de estas características son:

La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan elevada, la corriente que circula por los terminales inversor y no inversor puede despreciarse.

La ganancia puede considerarse infinita.

Con estas dos aproximaciones puede abordarse ya el análisis de algunos circuitos sencillos.

LIMITACIONES PRÁCTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

LIMITACIONES

SATURACIÓN Un amplificador operacional típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente algunos voltios menos. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores. La salida máxima del amplificador es aproximadamente 80%-90% del voltaje de las fuentes de potencia (más o menos ±13V si las fuentes son ±15V) a menos que sean del tipo “rail-to-rail”. Estos últimos pueden alcanzar voltajes muy cercanos a los de la fuente de potencia. En cualquier caso, la salida sufrirá recorte una vez alcance el voltaje de saturación en el lado positivo o negativo.

TENSIÓN DE OFFSET Es la diferencia de tensión que se da entre sus dos patillas. Se puede expresar su dependencia de la temperatura (T) como: Donde T0 es una temperatura de referencia. Una característica derivada de ésta es el PSRR, razón de rechazo a la fuente de alimentación, que es la capacidad del amplificador para ignorar cambios en la fuente de alimentación de tensión.

CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO EL AO tiene un circuito de protección que limita la corriente a un valor máximo, llamado la corriente de corto circuito. Si la corriente de salida que el AO suple o absorbe alcanza este valor, la magnitud el

voltaje de salida deja de aumentar, limitando así la corriente al valor de este parámetro

CARACTERÍSTICA TENSIÓN-FRECUENCIA Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante. Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios. Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener las características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

CAPACIDADES El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

DERIVA TÉRMICA Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los A.O. también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.

CONFIGURACIONES BASICAS

AMPLIFICADOR NO INVERSO

Este circuito presenta como característica más destacable su capacidad para mantener la fase de la señal. El análisis se realiza de forma análoga al anterior.

Se ha razonado que la diferencia de tensión en las patillas de entrada del amplificador operacional ha de ser nula, por lo que la tensión presente en la patilla inversora será la misma que la presente en el no-inversor. Por hallarse las resistencias R1 y R2 en serie, la corriente que las atravesará será la misma y conocida, ya que sabemos el valor de R1 y las tensiones en sus extremos (Vin y 0):

Resulta sencillo despejar de esta expresión la ganancia:

Se puede apreciar como no existe signo negativo en la expresión (no se invierte la señal), siendo además la ganancia siempre superior a la unidad. Este circuito no permite por consiguiente atenuar señales.

Se hará una puntualización con respecto a la conveniencia de uso del inversor / no inversor. La inversión de fase no resulta significativa en el tratamiento de señales alternas, ya que dichas señales varían entre semiciclos positivos y negativos. Un amplificador inversor aplicado a una señal alterna tiene como resultado una simple inversión de fase. Sin embargo en señales de continua el resultado es bien distinto. Si deseamos duplicar una tensión continua e introducimos a la entrada de un amplificador inversor 2V a la salida tendremos - 4V (negativos), lo cual puede ser un inconveniente en determinadas aplicaciones. La elección de una etapa u otra depende por consiguiente de las condiciones concretas de diseño.

AMPLIFICADOR SUMADOR

Esencialmente no es más que un amplificador en configuración inversora. Difiere de este último en la red resistiva empleada en sustitución de la resistencia R1 utilizada en el ejemplo de configuración inversora.

El desarrollo matemático es el mismo. Debido a la ganancia de tensión infinita del amplificador para que la tensión de salida sea un número finito la tensión de entrada debe ser nula. Puesto que una de las patillas (el no-inversor en este caso) se encuentra conectada a tierra a través de la resistencia Re, la otra patilla (patilla inversora) debe presentar también este valor.

Debido a la impedancia de entrada infinita del amplificador, la suma de intensidades que atraviesen las resistencias R1,R2,...Rn será igual a la intensidad que atraviese la resistencia Rs (según la primera ley de Kirchhoff). Por tanto podemos afirmar que:

Despejando la tensión de salida:

Al llegar a este punto se debe particularizar la presente configuración para obtener un sumador. Si se afirma la igualdad entre las resistencias R1=R2=...=Rn y además se hace que este valor coincida con el de la resistencia Ro se obtiene una tensión de salida igual a la suma algebraica de tensiones de entrada (con la correspondiente inversión de fase). Nótese la importancia de esta particularización para la comprensión de los antiguos calculadores analógicos:

AMPLIFICADOR RESTADOR

Algunas aplicaciones requieren que se amplifique la “diferencia” entre dos voltajes. Este es el caso de un sistema de control en el que el comparador toma la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de retroalimentación. Otro ejemplo es el que se encuentra en las aplicaciones de biomedicina, en las que se realiza una medición de la diferencia de voltaje entre dos puntos del cuerpo del paciente. En Estos casos la configuración diferencial del amp-op que aparece en la figura (5) es la requerida. Si se pone a tierra V1, entonces V2 contempla una configuración inversora. Si se pone a tierra V1 (por medio de un divisor de voltaje), verá una configuración no inversora. Un análisis basado en el método de la superposición nos da el resultado:

Vo = (R2/R1)(V1-V2).

Amplificador en Configuración Diferencial

El punto de importancia en este caso es que la salida depende solamente de la “diferencia” entre los voltajes de entrada. Si estos voltajes se mueven juntos arriba y abajo, no hay efecto que se observe a la salida. Esto se denomina rechazo por modo común.

AMPLIFICADOR DERIVADOR

Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

Este circuito también se usa como filtro

NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

AMPLIFICADOR INTEGRADOR

Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)

Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor

AMPLIFICADOR LOGARITMICO

El logaritmo y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la función exponencial Ala señal de entrada.

La señal de entrada, desarrollara una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el diodo en aproximación. Ello en conjunto con la resistencia de salida R, la dependencia de la tensión de salida (Vout) como producto de la tensión de entrada (Vin) es:

Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parámetros de la ecuación del diodo.

Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posición del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación, esta ecuación también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tensión de salida con relación a la de entrada:

En la práctica la realización de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usa transistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como es mayormente la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuración queda inalterado.

En la realización de estos circuitos también podrían hacerse conexiones múltiples, por ejemplo en el amplificador anti logarítmico las multiplicaciones son adiciones, mientras que en el logarítmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificadores logarítmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un anti logarítmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analógico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada.

AMPLIFICADOR ANTILOGARITMICO.

            Para convertir a partir de logaritmos (es decir, para obtener antilogaritmos), debe tomarse la exponencial del logaritmo. Puesto que elnx = X. Al tomar la exponencial de un logaritmo se obtiene el antilogaritmo. Usando un dispositivo logarítmico como elemento de entrada de un amplificador, como se indica en el diagrama del amplificador se obtiene una

respuesta exponencial y, por lo tanto, se tiene un amplificador anti logarítmico. En la siguiente ecuación se ve que

Ahora

Luego

Es lo mismo que decir

Donde V1 es un logaritmo.

            Puede usarse un diodo como elemento de entrada en vez de un transistor, en cuyo caso

El transistor funcionará mejor.

            Si la entrada es negativa en vez de positiva, el transistor de entrada debe ser del tipo npn, o el diodo, en su caso, debe usarse con el cátodo hacia V1.

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 análogos.

CONCLUSION

Una vez culminada la investigación podemos decir lo siguiente:

Que un amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes. Que pueden ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional. Y por medio de Operaciones lógicas básicas.

Y que hoy en día su utilidad es indispensable, ya que es utilizado para la fabricación de productos eléctricos. Ya sean electrodomésticos, computadoras, televisores, lavadoras. Por que se emplean también en cada una de ellas para su diseño, las operaciones básicas lógicas. Y que sin ellas no tendríamos el avance tecnológico que tenemos hoy en día y que seguiremos disfrutando.

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA

“ANTONIO JOSE DE SUCRE”

VICE-RECTORADO “LUIS CABALLERO MEJIAS”

NUCLEO GUARENAS

ELECTRÓNICA I

INTEGRANTES:

KERLY NAVAS # 2007200206

GUARENAS, 23 DE MARZO DE 2011