AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1.- ¿Qué es un Amplificador Operacional?

Los amplificadores operacionales son circuitos semiconductores cuyas características de funcionamiento los hacen muy versátiles, y con ellos se pueden resolver diversos tipos de problemas relacionados con el procesamiento de señales electrónicas. Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O., op-amp u OPAM), es un circuito electrónico.

2.- ¿Cuáles son sus entradas y salidas?

Tienen dos entradas la - que se denomina “inversora” y la + que se denomina “no inversora” y una salida Vo.

El Amplificador operacional tiene dos entradas y una salida de señal. Las entradas se marcan con menos (-) y más (+) para especificar las entradas inversora y no inversora, respectivamente.

Una entrada aplicada al terminal no inversor aparecerá con la misma polaridad en la salida; en tanto que una entrada que se aplique al terminal inversor aparecerá invertida en la salida

4.- ¿Cómo se energiza?

Corriente de polarización de entrada ( Ib  )  

 Ib1 = Ib2           ideal Ib = 80nA        típico Ib = 500nA      máximo

    Corriente de compensación de entrada ( Io i  ).- Es la diferencia de la           corriente de polarización de entrada.   

            Io i = 0hA                               eo =0V ideal

            Io i = 20hA                             típico  Io i = 60hA                             máximo

   Resistencia de entrada ( Zi )

5.- ¿Idealmente cuanto es su ganancia a lazo abierto?

Esta ganancia es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no existe ningún camino de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas. Para muchas aplicaciones

es importante que este valor sea lo más elevado posible.

La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:

AV = Vsal/Vent

Donde:AV = ganancia de tensiónVsal = tensión de salidaVent = tensión de entrada

En un amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. Como el operacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000 (en amplificador operacional 741C).

Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, en donde lo que se desea es saber cual de las dos entradas tiene mayor tensión.

5.- ¿Cómo es la independencia de entrada y salida?

El amplificador operacional como se señalo anteriormente es un amplificador diferencial de ganancia muy alta que se utiliza como bloque constructivo para el diseño de una amplia gama de circuitos electrónicos. Se representa mediante un triangulo y las características que lo definen son,

La importancia del amplificador operacional en la electrónica actual es que permite diseñar bloques funcionales con un comportamiento que es independiente de las características del elemento amplificador. Con él se consigue diseñar circuito electrónico muy preciso y estable aun cuando se utilice tecnología semiconductora que en sí es imprecisa e inestable.

Este análisis demuestra que cuando el amplificador diferencial tiene una ganancia diferencial muy grande, la función de transferencia entrada/salida del

circuito se hace independiente de ella y solo depende de las características de los circuitos pasivos α y β.

Sobre este análisis es importante hacer las siguientes consideraciones:

1. El circuito realimentado se puede interpretar como un mecanismo que ajusta dinámicamente la salida, al valor necesario para que la señal error e(t) se haga cero. A esta situación se llama cero virtual, esto es un cero en tensión que se consigue no a través de una condición topológica de circuito (cortocircuito) sino por ajuste dinámico.

2. El requisito para operar en este modo, es que la ganancia diferencial Ad tienda a infinito, y en la práctica esto equivale a que la ganancia de bucle Adα sea mucho mayor que la unidad: Adα >>1.

En el análisis se ha supuesto que el circuito es estable, y la salida tiende en régimen estacionario a un valor finito estable. Para ello, la realimentación debe ser no regenerativa, y en el caso de que, por actuar una amplificador operacional la ganancia de bucle sea infinita, si la realimentación tiene que ser negativa.

6.- Analizar las siguientes aplicaciones de amplificador de operaciones:

Inversor de voltaje:

En la siguiente figura se muestra un circuito de Amplificador operacional en configuración inversora que también se puede decir que es un circuito amplificado operacional inversor de voltaje.

Figura 1

Se puede observar que, además del amplificador operacional, el circuito está compuesto por dos resistores (R¡ y Rr), una fuente de tensión como señal de

entrada (uf) y un cortocircuito vinculando la entrada no inversora y el nodo común (tierra).

El objetivo del presente análisis (y de todo lo que siga de aquí en adelante) es obtener una expresión de la tensión de salida Us en función de la tensión de fuente, Uf.

Si se aplica la ley de nodos en el terminal inversor del Amplificador Operacional, se obtiene:.

Las corrientes de entrada a los terminales inversor y no inversor son nulas en una AmpOp ideal, por lo tanto resultando:

(a)

Por otra parte, el potencial de dicho nodo es cero, puesto que para el AmpOp ideal la tensión entre los terminales inversor y no inversor Ud resulta nula, y este último terminal se encuentra conectado a tierra. Por lo tanto, recorriendo las mallas de entrada y de salida hasta N de acuerdo a la segunda ley de Kirchhoff, respectivamente se tiene:

(b)

Sustituyendo las ecuaciones (b) en la ecuación (a), es posible determinar la tensión de salida en función de la de entrada.

( c )

Se debe observar que la tensión de salida es una réplica invertida y cambiada de escala de la tensión de entrada. La inversión de signo entre la entrada y la salida es, por supuesto, la razón para denominar a este circuito amplificador inversor. El factor de escala, o ganancia de lazo cerrado, es el cociente Rr /Ri.

El resultado dado por la Ecuación (b) sólo es válido si el amplificador operacional mostrado en el circuito de la Figura inicial es ideal; es decir; si A es

infinita y si la resistencia de entrada es infinita. Para un amplificador operacional práctico la ecuación (c) constituye una aproximación usualmente bastante buena..La ecuación (c) es importante porque indica que si la ganancia A del amplificador operacional es grande, la ganancia del amplificador inversor se puede fijar mediante las resistencias externas Rr y Ri. El límite superior de la ganancia (o factor de amplificación de lazo cerrado) Rr/Ri está determinado por las tensiones de alimentación y por el valor de la tensión de señal uf. Si se tienen tensiones de alimentación simétricas, es decir se obtiene

Por ejemplo, si Ucc = 15 V y uf= 10 mV, el cociente Rr/Ri debe ser inferior a 1500.

En el circuito amplificador inversor mostrado en la Figura 1, la resistencia Rr proporciona la conexión de realimentación negativa; es decir, conecta el terminal de salida con el terminal de la entrada inversora. Si se elimina Rr, el camino de realimentación queda abierto y se dice que el amplificador estará operando en lazo abierto. La Figura muestra la operación en lazo abierto.

En la siguiente figura se muestra un circuito amplificador de operando de lazo abierto:

Figura 2.

La ruptura del camino de realimentación cambia drásticamente el comportamiento del circuito. En primer lugar, la tensión de salida será ahora:

(b)

Suponiendo, como antes, que

Entonces

para poder mantener el sistema en la región de operación lineal. Puesto que la corriente de la entrada inversora es prácticamente igual a cero, entonces la caída de tensión en bornes de Ri es prácticamente cero, luego la tensión de la entrada inversora es casi igual a la tensión de señal Uf. Pero además, debería cumplirse que ud≈ uf. Por tanto, el amplificador operacional puede funcionar en

lazo abierto en el modo lineal sólo si . Si el AmpOp simplemente se satura. En particular, , el amplificador operacional se satura en

el amplificador operacional se satura en +Ucc. La relación mostrada en la ecuación (b) se aplica cuando no hay camino de realimentación, y es por ello que el valor de A se denomina a menudo ganancia en lazo abierto del amplificador operacional.

El mismo razonamiento seguido para el análisis del AmpOp en configuración inversor puede usarse para analizar cualquier otra configuración.

Sumador de Voltaje:

La tensión de salida en un amplificador sumador es una suma cambiada de escala y cambiada de signo de las tensiones aplicadas a la entrada del amplificador. La Figura 3 (que muestra un circuito amplificador sumador? muestra un amplificador sumador con tres tensiones de entrada.

La relación entre la tensión de salida us y las tres tensiones de entrada ua, ub y uc se puede obtener planteando la LKC en el nodo N, o bien aplicando el principio de superposición; no olvidando las restricciones de tensión y de corriente en la entrada del amplificador operacional ideal.

El resultado obtenido en cualquier caso, es:

Finalmente si Ra= Rb= Rc= Ri, la tensión de salida es la suma, con signo cambiado, de las tensiones de entrada:

Aunque se ha ilustrado el amplificador sumador con sólo tres señales de entrada, la cantidad de tensiones de entrada puede aumentarse según sea necesario. Por ejemplo, pueden sumarse 16 señales de audio grabadas por separado con el fin de formar una única señal de audio. La configuración de amplificador sumador de la Figura 2 podría incluir 16 valores de resistencia de entrada distintos, de modo que cada una de las pistas de audio de entrada apareciera en la señal de salida con un factor de amplificación distinto. El amplificador sumador juega, así, el papel de un mezclador de audio.

Amplificador derivador o diferenciador:

El amplificador operacional en configuración derivador o diferenciador, proporciona a la salida una tensión que resulta proporcional la derivada o diferencial de la señal de tensión de entrada. El circuito se muestra en la Figura 3.

Figura 3.

Como en todos los casos analizados anteriormente, teniendo en cuenta las restricciones de tensión y corriente en la entrada del AmpOp, resulta:

Se propone al lector demostrar la expresión anterior, recordando que la relación fundamental entre la tensión y la corriente en un capacitor se expresa de la siguiente manera:

A pesar de que la expresión teórica de la tensión de salida de esta configuración resulta adecuada matemáticamente, este circuito se utiliza muy raramente en la práctica debido a que la operación de diferenciación de cualquier señal tiende a amplificar los ruidos presentes en la misma.

Características:

Su salida es proporcional a la derivada en el tiempo de la tensión de entrada.

Su análisis es similar al del inversor, únicamente que la intensidad de entrada es la correspondiente al condensador teniendo en cuenta que la diferencia de tensión a la que está sometido es la de entrada menos la masa virtual.

Comparador de Voltaje:

Comparador simple:

El amplificador operacional en bucle abierto (sin realimentar) se comporta como un comparador analógico simple.

El comparador analógico se denomina también “ADC de un bit”.

Si el operacional no puede soportar una tensión diferencial elevada en la entrada, se puede limitar esta tensión utilizando 2 resistencias y 2 diodos.La velocidad de conmutación del comparador queda limitada por el slew-rate del operacional.

Los fabricantes de amplificadores operacionales ofrecen modelos específicos optimizados par su uso como comparadores (voltage comparators: LM311).

Los parámetros más importantes de un comparador son:

Tensión de offset referida a la entrada muy pequeña Tensión diferencial máxima en la entrada elevada Slew rate elevado.

Por el contrario, los “comparadores” pueden tener una función de transferencia poco lineal ya que esa característica no es importante para esta aplicación.

Comparador de Schmitt inversor:

La realimentación positiva hace que el operacional se encuentre siempre en estado de saturación (Vo=Vcc o bien Vo=–Vcc), exceptuando las instantes de las transiciones entre los estados citados.

La tensión en la entrada no inversora es: V2= Vo · R1 / (R1+R2)

Para realizar el análisis de este circuito se supone que la tensión de salida es inicialmente Vo= Vcc. En estas condiciones: V2= Vcc · R1 / (R1+R2)

El supuesto Vo= Vcc, implica que Vi < V2. Si se hace crecer Vi, llegará un momento en que Vi > V2, instante en el que la salida conmutará a Vo= -Vcc . En este estado, V2= -Vcc · R1 / (R1+R2) .

Si Vi continúa creciendo, Vo se mantiene en Vo= -Vcc.

Si ahora Vi decrece, llegará un momento en que Vi < V2, instante en el que Vo vuelve a ser Vcc.

Este comportamiento se puede representar de forma gráfica:

El comparador de Schmitt recibe también el nombre de comparador con histéresis.

Se denomina histéresis a la separación entre los tramos verticales de la gráfica. En este circuito, la histéresis es 2·∆V, siendo: ∆V= Vcc · R1 / (R1+R2)

Respuesta del comparador de Schmitt a la señal trazada en negro.

Vo conmuta entre +Vcc y –Vcc.

Comparador de Schmitt no inversor: Este circuito también presenta realimentación positiva, por lo que su comportamiento es muy parecido al anterior.

La señal de entrada se conecta a la entrada no inversora del operacional a través de R1, por lo que se denomina comparador no inversor.

Nuevamente, el operacional se encuentra siempre en estado de saturación (Vo=Vcc o bien Vo=–Vcc), exceptuando las instantes de las transiciones entre los estados citados.

La tensión en la entrada no inversora es:

V2= (Vo · R1 + Vi · R2) / (R1+R2)

Para realizar el análisis de este circuito se supone que la tensión de salida es inicialmente Vo= Vcc. En estas condiciones: V2= (Vcc · R1 + Vi · R2) / (R1+R2) despejando Vi: Vi= (V2·(R1+R2) – Vo·R1) / R2

El supuesto Vo= Vcc, implica que V2 > 0 . Si se hace decrecer Vi, llegará un momento en que V2 < 0, instante en el que la salida conmutará a Vo= -Vcc . En este estado, V2= (-Vcc · R1 + Vi · R2) / (R1+R2).

El valor de Vi que corresponde a esta conmutación es Vi= -Vcc · (R1/R2) ya que V2=0.

V2 Electrónica Analógica: Opamps:

Si Vi continúa decreciendo, Vo se mantiene a -Vcc.

Si ahora Vi crece, llegará un momento en que V2 > 0, instante en el que Vo vuelve a ser Vcc.

El valor de Vi para que tenga lugar esta conmutación es: Vi= Vcc · R1/R2

Si denominamos: ∆V= Vcc · R1 / R2

la tensión de histéresis es 2·∆V. La gráfica correspondiente a este circuito está invertida en relación con la del circuito anterior

Integrador de Voltaje:

Los op-amps permiten construir integradores casi perfectos, sin la restricción de que Vout << Vin.

En la figura siguiente semuestra como se consigue esto. La corriente de entrada Vin / R fluye a través de C. Ya que la entrada inversos se encuentra a Tierra virtual, el voltaje de salida está dado por:

Integrador Clásico

Integrador con boton de reset

Caracteristicas:

Su tensión de salida es proporcional a la integral en el tiempo de la tensión de entrada.

• Es útil en instrumentación, por ejemplo, un acelerómetro nos devuelve una señal proporcional a la aceleración de un objeto. Aplicada a un integrador, se obtiene la velocidad de dicho objeto. Volviendo a integrar se obtiene la posición.

Tabla de Bloques funcionales construidos con un amplificador operacional:

INTRODUCCIÓN

El amplificador operacional es muy útil en la actualidad en cuanto al área de electrónica se refiere, y a su vez muchas personas hablan de ellos ¿pero realmente saben su definición y todo lo que a el se refiere?

El amplificador operacional se utilizó originalmente para denominar un tipo de amplificador empleado en ordenadores analógicos, capaces de realizar operaciones matemáticas: suma, resta, multiplicación, integración y derivación. Los primeros de estos elementos se construyeron a partir de componentes discretos; estaban formados por numerosos transistores, resistores y condensadores.

La aparición de los circuitos integrados, a finales de la década de 1950, hizo posible que este tipo de circuitos amplificadores se integrase en un espacio reducido. En 1963, la empresa Fairchild Semiconductors lanzó al mercado el primer amplificador operacional en un circuito integrado monolítico; su aparición marcaba una nueva era en el diseño de circuitos electrónicos. Unos años después, en 1968, se introdujo una versión mejorada, que daría el impulso definitivo al desarrollo y expansión de los amplificadores operacionales.

La función básica de un amplificador operacional es producir a la salida una señal cuyo valor es directamente proporcional a la diferencia entre las dos señales de entrada. El factor de proporcionalidad se conoce como factor de amplificación o de ganancia. La ecuación que relaciona la tensión de salida con las tensiones de entrada en un circuito con amplificador operacional se denomina función de transferencia del circuito.

Si la tensión en la entrada con signo negativo varía, manteniéndose constante la tensión en la entrada positiva, en la salida la tensión variará con signo opuesto a la variación de la entrada negativa; por esta razón, la entrada con signo negativo recibe el nombre de inversora. Por el contrario, si la tensión en la entrada positiva varía, manteniéndose constante la tensión en la entrada negativa, la salida variará con el mismo signo que la variación de la entrada positiva, razón por la cual esta entrada se denomina no inversora.

En el presente trabajo de investigación trataremos el tema de Amplificadores Operacionales, y todo lo que a el se refiere como: ¿Cuáles son sus entradas y salidas?, ¿Cómo se energiza?, ¿Idealmente cuanto es su ganancia a lazo abierto?, ¿Cómo es la independencia de entrada y salida?Analizar las aplicaciones de amplificador de operaciones: Inversor de voltaje, Sumador de Voltaje, Restador de Voltaje, Derivador de Voltaje, Comparador de Voltaje, Detector de Voltaje.

CONCLUSIÓN

Con el presente trabajo de investigación se ha llegado a la conclusión de que el amplificador operacional en la electrónica actual es el que permite diseñar bloques funcionales con un comportamiento que es independiente de las características del elemento amplificador. Con él se consigue diseñar circuito electrónico muy preciso y estable aun cuando se utilice tecnología semiconductora que en sí es imprecisa e inestable.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%201.%20Amplificadores%20Operacionales.pdf

http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/tcieye/Apuntes/(18)Amplificadores%20operacionales%20_%20Rev2012.pdf

https://www.google.co.ve/webhp?source=search_app#hl=es&sclient=psy-ab&q=analisis+de+amplificador+operacional&oq=analisis+de+amplificador+operacional&gs_l=serp.3..0i7i30l4.12684.18538.0.19790.11.11.0.0.0.6.410.2255.0j10j4-1.11.0...0.0...1c.1.9.psy-ab.le77E0QBOv4&pbx=1&bav=on.2,or.r_cp.r_qf.&fp=99e8c13010dfb36a&biw=1405&bih=739

http://www.qi.fcen.uba.ar/materias/iqi/opamp1.html

http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemas-electronicos/material-de-clase-1/tema-6.-amplificadores-operacionales.pdf

http://webs.uvigo.es/ario/docencia/eangrado/OPAMP2.pdf

http://www.oocities.org/iel_115/archivos/capitulo1.pdf

http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_2.pdf

http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_2.pdf