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Electrnica Analgica II Parte 1
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
OPERATIONAL AMPLIFIERS (OP-AMP)
INTRODUCCIN El amplificador Operacional es uno de los
dispositivos electrnicos mas verstiles y ampliamente usados en
aplicaciones lineales. Los OP-AMP son populares por su bajo precio
y facilidad de uso. Nos permiten construir circuitos tiles sin la
necesidad de saber acerca de su compleja circuitera interna. El
aparecimiento de los OP-AMP se da a mediados de los aos 60. El
nombre de operacionales se debe a que en ese tiempo eran usados
para realizar operaciones matemticas, tales como: suma, resta,
multiplicacin y hasta resolver ecuaciones diferenciales. Eran muy
usados en computadores analgicos. Estos circuitos integrados
(IC-integrated circuit) OP-AMPs revolucionaron ciertas reas de la
Electrnica por su reducido tamao y su bajo costo. Entre las
funciones que se pueden realizar con estos circuitos, uno o dos
OP-AMPs y pocos componentes, podemos incluir: generadores de seal
(osciladores), acondicionadores de seal, temporizadores, detectores
de nivel de voltaje y moduladores. Con el avance de la Electrnica
los OP-AMPs han sido mejorados enormemente, desde el punto de vista
de su fabricacin han venido a ser ms precisos. Los OP-AMPs de
propsitos generales fueron rediseados para optimizar o agregar
ciertas caractersticas. Los ICs con funciones especficas que
contienen ms que un simple OP-AMP fueron desarrollados para
realizar funciones complejas. As solo es necesario mirar un libro
de datos para apreciar sus variedades. Identificacin de un
OP-AMP
No todos los fabricantes usan precisamente el mismo cdigo de
identificacin. Pero la mayora usan un cdigo de identificacin que
consisten de cuatro partes escritas en el siguiente orden:(1) letra
prefijo, (2) designador del circuito, (3) letra sufijo, y (4) cdigo
de especificacin militar. (1) El cdigo de letra prefijo usualmente
consiste de dos o tres letras que identifican al fabricante.
Algunos de estos cdigos son mostrados en la siguiente lista: Letra
prefijo Fabricante AD Analog Devices Am Advanced Micro Device BB
Burr-Brown CA,CD RCA ECG Sylvania HA Harris ICL,IH Intersil LH,LM
National Semiconductor Corp. MC,MFC Motorola MIC ITT NE/SE,N/S
Signetics OP Precision Monolithics RC/RM Raytheon SG Silicon
General TL,SN Texas Instruments UA(A) Fairchild UC Solitron Devices
TOA Transition (2) El designador del circuito consiste de tres a
siete nmeros y letras. Ellos identifican el tipo de OP-AMP y su
rango de temperatura. Ejemplo: 062C : donde 062 significa OP-AMP de
entradas J-FET y C identifica su rango de temperatura Comercial Los
tres cdigos del rango temperatura son:
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C: Comercial, 0 a 70oC I: Industrial, -25 a 85oC M: Militar, -55
a 125oC (3) Una o dos letras sufijo identifican el estilo del
paquete que usa el chip OP-AMP. Los tres cdigos mas comunes para
letras sufijo son: D Plastic dual-in-line for surface
mounting on a pc board. J Ceramic dual-in-line. N,P Plastic
dual-in-line for insertion into
sockets. (Leads extend through the top surface of a pc board and
are soldered to the bottom surface.)
(4) El cdigo de especificacin militar es usado solo cuando el
dispositivo es para aplicaciones de alta confiabilidad. EL OP_AMP
IDEAL El OP-AMP se simboliza como se muestra en la figura 1.
+_
_+
+
_
+
_
i 1 = 0
i 2 = 0
A(V2-V1)
V2
1
2
3
Terminal Comn
V1
Figura 1 Donde a la entrada "-" le llamamos entrada inversora y
a la entrada "+" le llamamos entrada no inversora. En esta
simbologa se omiten los pines de la fuente de alimentacin, que por
lo general son +VCC y -VCC (-VEE) con valores tpicos de 15V. Hay
que notar que no existe terminal del OP-AMP fsicamente conectada a
tierra. En algunos casos el OP-AMP puede tener otras terminales
para propsitos especficos. Estas otras terminales pueden incluir
terminales para compensacin de frecuencia y terminales para anular
el offset.
Para el anlisis del OP-AMP ideal se supone que la diferencia de
voltaje entre las seales aplicadas a las dos terminales de entrada
del OP-AMP (es decir V2-V1, tambin conocido en la literatura sobre
Electrnica como voltaje de entrada diferencial, Vid), multiplicado
por la amplificacin A (propia del OP-AMP) causa un voltaje A(V2-V1)
en el terminal de salida del operacional. Hay que aclarar que los
voltajes V1 y V2 son voltajes entre las terminales del OP-AMP y
tierra, como pueden ser apreciados en la figura 1. Tambin se supone
que la corriente de entrada a ambos terminales de entrada al OP-AMP
son cero, es decir que la impedancia de entrada del OP-AMP se
supone que es infinita. Adems se supone que en el terminal de
salida se tiene una fuente ideal de voltaje que ser independiente
de la corriente que puede ser entregada a la carga que se conecte
en dicho terminal, es decir que la impedancia de salida del OP-AMP
ideal es cero. Como puede ser visto de la descripcin anterior, el
OP-AMP responde solo a la diferencia de voltaje V2-V1 y por lo
tanto ignora cualquier seal comn a ambas entradas. A esta propiedad
le llamamos rechazo de modo comn y podemos concluir que el OP-AMP
ideal tiene rechazo de modo comn infinito. El OP-AMP es un
amplificador de entrada diferencial y salida unilateral, es decir
la salida aparece entre el terminal de salida y tierra. El OP-AMP
ideal tiene una ganancia A que permanece constante a frecuencias
bajas, cero y arriba hasta el infinito, lo que quiere decir que el
OP-AMP ideal amplifica seales de cualquier frecuencia con igual
ganancia. El OP-AMP ideal tiene una ganancia A muy grande,
idealmente infinita, es por eso que casi en todas las aplicaciones
el OP-AMP no ser usado en configuracin de lazo abierto, ms bien
aplicaremos retroalimentacin para cerrar el lazo alrededor del
OP-AMP. ANLISIS DE CIRCUITOS CONSIDERANDO EL OP-AMP IDEAL
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Configuracin inversora Vamos a considerar el circuito de la
figura 2, donde se aplica retroalimentacin negativa, ya que la seal
de la salida es retroalimentada hacia el terminal inversor atravs
de la resistencia R2 . Trataremos de determinar la ganancia de lazo
cerrado G definida como G = Vo/VS.
R1 R2
Vs
Vo
Figura 2 Utilizamos el circuito equivalente del OP-AMP ideal, y
se obtiene el circuito mostrado en la figura 3.
+_
+
_
+
_
Vs
A(V2-V1)
1
2
3V2-V1
I2I1
0
Vo
R2
Figura 3 Como sabemos que la ganancia A del OP-AMP ideal es muy
grande (idealmente infinita) y asumimos que el circuito esta
trabajando y produciendo un voltaje de salida finito en su terminal
de salida, entonces el voltaje entre las terminales de entrada del
OP-AMP debera ser despreciablemente pequeo. As obtenemos que:
2 1 0V V V oA = (1)
Esto muestra que el voltaje en el terminal de entrada inversor
(V1) esta dado por: V2 V1 , es decir debido a que la ganancia A se
aproxima al infinito, el voltaje V1 se aproxima a V2. Hablamos
entonces de un corto circuito virtual que existe entre los dos
terminales de entrada. Un corto circuito virtual significa que
cualquier voltaje que est en el terminal no inversor automticamente
aparecer en el terminal inversor debido a la ganancia infinita A.
Como el terminal no inversor de nuestro circuito de estudio est
conectado a tierra, entonces V2 = 0 y V1 0. Hablamos entonces de
que el terminal inversor es una tierra virtual, es decir teniendo
cero voltios, pero no fsicamente conectado a tierra. Ahora podemos
encontrar la corriente I1 que circula atravs de R1, aplicando la
ley de ohm.
11
1 1I V V
RVR
s s= (2) Esta corriente ser la misma que circular atravs de la
resistencia R2, puesto que la impedancia de entrada del OP-AMP
ideal es infinita y por lo tanto la corriente de entrada es cero.
Aplicamos la ley de Ohm para determinar el Vo :
osV V I R V
RR= = 1 1 2
120 (3)
As
G VV
RR
o
s
= = 21
(4)
El signo menos significa que el amplificador de lazo cerrado
provee inversin de la seal, es decir si VS es una onda seno a la
salida en Vo tendremos una seal seno amplificada por el factor
R2/R1 , pero con 180o de desfase. A causa del signo menos asociado
con la ganancia de lazo cerrado (G) esta configuracin es conocida
como configuracin inversora. Resistencias de entrada y salida
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Asumiendo el OP-AMP ideal con una ganancia de lazo infinita, la
Resistencia de entrada de lazo cerrado del amplificador inversor de
la figura (2) es simplemente igual a R1. Esta puede ser calculada
de la figura (3), donde
ins s
sR VI
VV R R = =1 1 1
As, para hacer Rin grande deberiamos seleccionar un valor alto
de R1. Sin embargo, si la ganancia requerida R2/R1 es tambin alta,
entonces R2 podra llegar a tomar un valor alto no prctico ( por
ejemplo, ms grande que unos pocos mega ohms). Podemos concluir que
la configuracin inversora sufre de una resistencia de entrada baja.
Debera tambin ser mencionado que la ganancia de lazo abierto finita
A tiene un efecto despreciable en el valor de la resistencia de
entrada de la configuracin del amplificador inversor. Puesto que la
salida de la configuracin inversora es tomada de las terminales de
una fuente de voltaje ideal A(V2-V1), de esto resulta que la
resistencia de salida del amplificador de lazo cerrado de la
configuracin inversora es cero. El circuito mostrado en la figura
(4) muestra el circuito del ,modelo equivalente de la configuracin
del amplificador inversor ( bajo la asuncin que el OP-AMP es
ideal).
Ri=R1
+
-Vs (-R2/R1)Vs
Ro=0
+-
Figura 4 Configuracin no-inversora En esta configuracin la seal
de entrada VS es aplicada directamente al terminal de entrada
positivo ( o no-inversor) del OP-AMP. Para el
anlisis del circuito no-inversor se determinar la ganancia de
lazo cerrado G (Vo/VS) del circuito mostrado en la figura 5.
R2R1
Vs
Vo
Figura 5 Asumiendo que el OP-AMP es ideal con ganancia A
infinita y que existe corto circuito virtual entre las dos
terminales de entrada, el voltaje VS que aparece en el terminal
no-inversor, aparecer tambin en el terminal inversor, as aplicando
la ley de Ohm, logramos obtener:
o ssV V V
RR= +
12 (5)
lo cual conduce a:
G V Ro= = +1V Rs
2
1
(6)
Resistencia de entrada y salida La resistencia de entrada del
amplificador de lazo cerrado de la configuracin no-inversora es
idealmente infinita, puesto que no fluye corriente en el terminal
de entrada positivo del OP-AMP. La salida del amplificador
no-inversor es tomada de las terminales de una fuente ideal de
voltaje A(V2-V1) (como puede ser visto del circuito equivalente de
la figura (1)), por lo tanto la resistencia de salida de la
configuracin no-inversora es cero. El circuito mostrado en la
figura (6) muestra el circuito del ,modelo equivalente de la
configuracin del amplificador no-inversora ( bajo la asuncin que el
OP-AMP es ideal).
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+
-Vs
Ri=
(1 + R2/R1)Vs
Ro=0
+-
Figura 6 La propiedad de alta impedancia de entrada de esta
configuracin nos permite usar el circuito como un amplificador
seguidor para conectar una fuente con una alta impedancia a una
carga de baja impedancia. Tendramos que hacer R2 = 0 y R1 = en esta
configuracin para obtener un amplificador de ganancia unitaria., el
cual esta mostrado en la figura 7. Este circuito es comnmente
conocido como un seguidor de voltaje puesto que la salida sigue la
entrada.
VS
Vo
Figura 7
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