AMPLIFIFICADOR OPERACIONAL: amplificador operacional

Amplificador operacional

Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

(Vout = G · (V(+) − V(−))) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los amplificadores operacionales se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

Características

Un amplificador operacional tiene al menos 5 cinco terminales como se muestra en la figura No. 3, la terminal No. 3 es la “Entrada inversora” porque la salida que resulta de la entrada en esta terminal se invierte. La entrada No. 3 se denomina “Entrada no inversora” porque la salida que resulta de la entrada de esta terminal tiene la misma polaridad que la entrada. La terminal No. 4 es para la alimentación negativa de cd V_EE. La terminal No. 6 es la terminal de salida. La terminal No. 7 es para la alimentación positiva de cd V_cc.

El Amplificador Operacional ideal se caracteriza por:

1. Resistencia de entrada (Ren), tiende a infinito.

2. Resistencia de salida (Ro), tiende a cero.

3. Ganancia de tensión de lazo abierto (A), tiende a infinito

4. Ancho de banda (BW) tiende a infinito.

5. Vo = 0 (Tensión de salida) cuando v+ = v-

Ya que la resistencia de entrada, Ren, es infinita, la corriente en cada entrada, inversora y no inversora, es cero. Además el hecho de que la ganancia de lazo abierto sea infinita hace que la tensión entre las dos terminales sea cero.

Figura n3

Configuraciones

Comparador: Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.

$V_{\rm out} = \left\{\begin{matrix} V_{S+} & V_1 > V_2 \\ V_{S-} & V_1 < V_2 \end{matrix}\right.$

Seguidor

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.

· Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)

· Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: V_out = V_in

· Z_in = ∞

· Si se da el caso de que una de las dos entradas (patillas) su tensión es O (está a tierra o masa) la tensión de salida (V_out ) será 0.

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones.

Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es R_e (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es R_l y la resistencia interna del sensor es R_g, entonces la relación entre la tensión medida por el voltímetro (V_e) y la tensión generada por el sensor (V_g) será la correspondiente a este divisor de tensión:

V_e = \frac{R_e}{R_g+R_l+R_e} \cdot V_g

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión en el sensor y el cableado.

Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito porefecto Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida.

No inversor

Como observamos, la tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

V_\mathrm{out} = V_\mathrm{in} \left(1+\frac{R_2}{R_1}\right)

Z_in = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.

Sumador inversor

La salida está invertida

Para resistencias independientes R₁, R₂,... R_n

$V_\mathrm{out} = -R_f \left(\frac{V_1}{R_1} + \frac{V_2}{R_2} + \dots + \frac{V_n}{R_n}\right)$

La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor

Impedancias de entrada: Z_n = R_n

Restador Inversor

Para resistencias independientes R₁,R₂,R₃,R₄:

$V_\mathrm{out} = V_2 \left( { \left( R_3 + R_1 \right) R_4 \over \left( R_4 + R_2 \right) R_1} \right) - V_1 \left( {R_3 \over R_1} \right)$

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales

La impedancia diferencial entre dos entradas es Z_in = R₁ + R₂ + R_in, donde R_in representa la resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada del amplificador de modo común.

Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación.

Integrador ideal

Integra e invierte la señal (V_in y V_out son funciones dependientes del tiempo)

$V_{\rm out} = \int_0^t - {V_{\rm in} \over RC} \, dt + V_{\rm inicial}$

V_inicial 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 condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. 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 condensador.

Derivador ideal

Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

$V_{\rm out} = - R C \, {d V_{\rm in} \over dt}$

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.

Conversor de corriente a tensión

El conversor de corriente a tensión, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en una tensión proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que está diseñado para trabajar con una fuente de corriente.

Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y la tensión de salida es:

V_{\rm out} = - R \cdot \ I_{\rm in}

Su aplicación es en sensores, los cuales no pueden ser activados, con la poca corriente que sale de algún sensor, por lo que se acopla un Aplificador Operacional que usa la poca corriente entregada, para dar salida a una tensión (Vout)

Función exponencial y logarítmica

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 a la señal de entrada.

La señal de entrada, desarrollará 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:

V_{\rm out} = - m \cdot \ln \left( \frac{V_{\rm in}}{n \cdot R} \right)

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:

V_{\rm out} = - n \cdot R \cdot e^{\frac{V_{\rm in}}{m}}

En la práctica, la realización de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usantransistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como es, sobre todo, 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 antilogarítmico las multiplicaciones son adiciones , mientras que en el logarítmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir de ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificadores logarítmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un antilogarítmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analógico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada.

Convertidor Digital-Analógico (R-2R)

Cualquiera de las entradas ve una $R_{in} = 3\cdot R$

Si $R_{2} = 2\cdot R$ entonces

V_\mathrm{out} = -\left(\frac{V_3}{3} + \frac{V_2}{6} + \frac{V_1}{12} + \frac{V_0}{24}\right)

R_{2} = 6\cdot R

entonces

V_\mathrm{out} = -\left(V_3 + \frac{V_2}{2} + \frac{V_1}{4} + \frac{V_0}{8}\right)

Aplicaciones

· Calculadoras analógicas

· Filtros

· Preamplificadores y buffers de audio y video

· Reguladores

· Conversores

· Evitar el efecto de carga

· Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)

Estructura interna del 741

Aunque es usual presentar al Amplificador Operacional como una caja negra con características ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los Amplificador Operacional tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.
Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.
Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente acortocircuitos.

Limitaciones

Saturación

Un Aplificador Operacional típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores.

Un concepto asociado a éste es el Slew rate.

Corrientes

Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar:

I_\text{offset} = |I_+-I_-|

I_\text{bias} = \frac{I_++I_-}{2}

Idealmente ambas deberían ser cero.

Capacidades

El Aplificador Operacional 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 Aplificadores Operacionales 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.

para mas informacion del tema :http://www.slideshare.net/samanta17/contenido-del-blog1-55394570

aqui podran observar algunos ejercicios resueltos:https://es.scribd.com/doc/290764017/Ejer-Cici-Os

Blogeado por:

Anthony Joseph Aguilar Perozo

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Kriss Melany Hernandez Hernandez

AMPLIFIFICADOR OPERACIONAL

domingo, 22 de noviembre de 2015

amplificador operacional

Características