AMPLIFICADOR OPERACIONAL

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO “LUIS CABALLERO MEJÍAS”

NUCLEO GUARENAS

PROFESOR INTEGRANTES

Ruben Ovalles Colmenares Oscar

Exp. 2008100231

Guarenas, Julio del 2012

U

N

E

X

P

O

Un “amp op” es un amplificador diferencial que puede ser modelado por el circuito de dos puertas que aparece en la siguiente figura (1). Lo que lo caracteriza como un amplificador operacional es su elevada ganancia de voltaje una A de 100000 o superior. Por lo tanto, sólo se requieren aproximadamente 50 V en Vi para producir Vo = 5 V.

Figura No. 1

En la figura (2) aparece el símbolo correspondiente a un amplificador operacional. A diferencia del modelo, el amplificador operacional no está en realidad conectado a tierra. Sin embargo, sí está conectado a una fuente de voltaje positivo y negativo, estableciendo en efecto una “tierra” aproximadamente a mitad entre los suministros. Estos son típicamente de +15 V y -15 V, puro pueden ser de +5 V y -5V. Los terminales “más” y “menos” a la entrada del amplificador operacional indican la polaridad de vi que hace positivo a v0.

Figura No. 2

Las conexiones de la fuente de energía con frecuencia no aparecen en los símbolos de los amplificadores operacionales. Los voltajes exactos de funcionamiento no son importantes para la operación de los amplificadores operacionales, en tanto el voltaje de señal no exceda de los suministrados.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES BASICOS

En la figura se muestran los circuitos amplificadores realimentados más comunes.

Identificado con la letra a se tiene al amplificador inversor, el mismo se caracteriza por

presentar una ganancia de lazo cerrado que viene dada por las relaciones:

para valores grandes de ganancia  de lazo abierto A se llega a la expresión aproximada y

más comúnmente usada del amplificador inversor  G = -R2/R1. La señal de entrada

se conecta al  terminal inversor del amplificador operacional. En este amplificador la

salida está desfasada 180° con la entrada. Para mínimo error de voltaje  de desviación

R3 = R1//R2.    

En el amplificador no inversor, la señal de entrada se aplica al terminal no

inversor del amplificador. La ganancia de lazo cerrado  viene dada por:

Para valores  grandes   de A   se  llega a la relación  aproximada  más  comúnmente

usada  G = (R1+R2)/R1. En el amplificador no inversor la salida está en fase con la

entrada. Para mínimo error de voltaje de desviación, R1//R2 = R, siendo R la resistencia

de salida de la señal de alimentación conectada  a la entrada no inversora.

El amplificador diferencial está diseñado para trabajar con voltajes en modo diferencial.

Este circuito amplificador constituye la base para el amplificador de instrumentación

que se analizará posteriormente. El voltaje de salida VO en función de los voltajes V1 y

V2 viene dado por:                                                 

Para el caso especial donde R1 = R3 y R2 = R4 se tiene:

;       G = R2/R1;  siendo G la ganancia de lazo cerrado

Para mínimo error de  voltaje de desviación R1//R2 = R3//R4. 

Otro circuito amplificador muy usado es el seguidor de voltaje o también

llamado buffer de ganancia unitaria. Este circuito amplificador es muy útil para acoplar

las señales provenientes de los sensores, ya que presenta una alta   impedancia de

entrada y baja impedancia de salida.  Su circuito se muestra en la figura.

La relación entre el voltaje de salida VO y el voltaje de entrada V1 es:

VOLTAJE DE DESAJUSTE DE ENTRADA (Vos)

Se define como el voltaje que debe ser aplicado entre las 2 terminales de entrada del Amplificador Operacional para obtener cero volts en la salida. En el AO real si ambas entradas son conectadas a tierra, la salida es distinta de cero, pues existe una pequeña tensión de desplazamiento. Esta tensión en la entrada, llamada Vio; se define como la tensión de entrada necesaria para que la salida sea igual a cero. Si este valor es distinto de cero, el AO amplificar· cualquier desplazamiento en la entrada, provocando un error grande en corriente continua en la salida.

Este parámetro es independiente de la ganancia del AO, y su polaridad puede ser positiva o negativa. El efecto del voltaje Vio, se modela como una fuente de tensión continua en una de las entradas del AO ideal como se indica en la Fig. 3 y sus valores típicos de muestran el la tabla.

DERIVA TERMICA

Es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva de cero (variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna) y la deriva térmica de cero (variación en la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la temperatura). La deriva está expresada usualmente en porcentaje de la señal de salida de la escala total a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de

variación de la temperatura. Por ejemplo, la deriva térmica de cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue de 0,2 % del alcance.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES. TEORIA Y MONTAJES PRACTICOS. W. GARCIA LOPEZ Y J. L. GUTIERREZ IGLESIA

COMO EVITAR PROBLEMAS EN LA ETAPA DE ENTRADA

Ya hemos abordado el problema de la amplificación lineal de señales en capítulos anteriores. En ellos, el efecto deseado se implementaba mediante unos modelos teóricos —los amplificadores ideales— que luego tenían una cierta correlación práctica en los transistores, que pueden emplearse como amplificadores aproximadamente lineales una vez se colocan en el punto de operación adecuado. De esta forma, ya contábamos con un elemento real que podíamos emplear como amplificador de señal en nuestros circuitos; no obstante, su uso presentaba ciertos inconvenientes prácticos, debido a que la característica de un transistor es, de por sí, fuertemente no-lineal. Esto conllevaba una serie de efectos secundarios indeseables, como la aparición de armónicos, así como el que el elemento no fuese útil como amplificador lineal en un rango amplio de señales de entrada. Quedaba, por tanto, abierto el problema de encontrar un elemento real capaz de imitar con mejor fiabilidad el comportamiento de un amplificador lineal ideal. Como veremos a continuación, para obtener la característica de uno de estos amplificadores podemos utilizar una técnica, llamada realimentación o feedback, que utiliza un amplificador no-lineal para obtener de él una respuesta aproximadamente lineal. De esta forma, variamos el enfoque de esta cuestión: pasamos de cuestionarnos si es posible construir un amplificador lineal ideal a plantearnos si podemos corregir el comportamiento de un amplificador no-lineal, como los que ya conocemos, para obtener de él un amplificador lineal. El dispositivo que describiremos nos descubrirá cómo implementar esta corrección, y a continuación veremos su contrapartida en la práctica mediante un nuevo componente: el amplificador operacional.

TECNICA DE RETROALIMENTACIÓN

Imaginemos un dispositivo que funcione como un amplificador. Para simplificar, consideraremos el esquema de la Figura 1, que representa un amplificador simple: la señal de salida es igual a una versión escalada, como representa la constante, de la señal de entrada. Hasta el momento, todas las formas que hemos visto de conseguir un elemento como éste —de forma que existiera amplificación, es decir, que — dependían de transistores, lo que implica ciertos efectos sobre la señal de salida. En particular, el amplificador es muy sensible a las condiciones ambientales, por lo que no resulta fiable, ya que no se puede asegurar que siempre amplifique en la misma medida; similarmente, aparecen efectos no-lineales sobre la salida, de forma que es más correcto decir que y = f(A, x), con A un parámetro dependiente de las condiciones de trabajo del amplificador. Por otro lado, también es posible construir circuitos que nos proporcionen una amplificación A muy grande, con lo que A >> 1.

Supongamos ahora que a ese elemento le interconectamos otro, en este caso un amplificador que nos devuelva una versión atenuada de la señal de salida, así como un sumador para combinar la señal de entrada X y la señal de salida de este segundo amplificador tal como se detalla en la Figura 2. Estudiemos un poco este nuevo circuito. Ya que hemos impuesto que el segundo amplificador atenúe la señal, tenemos que β < 1, por lo que para su construcción podemos emplear otros elementos, como los resistores, que son mucho menos dependientes de las condiciones ambientales. Por lo tanto, tenemos que β sí se puede fijar con bastante precisión y es muy aproximadamente constante, al contrario de lo que ocurría con A. Es importante tener clara la diferencia cualitativa entre los dos amplificadores: el primero amplifica en gran medida, pero de forma poco precisa; el segundo atenúa la señal de entrada de una forma que podemos controlar con gran precisión.

Determinemos cuál es la influencia del sumador en el montaje. Como vemos, la señal procedente del segundo amplificador se resta a la señal de entrada, con lo que la señal que entra en el primer amplificador la podemos expresar como ε = x – βy. Por otro lado, tenemos que y = Aε. Si suponemos ahora que A » 1, tenemos que, como es finito, el equilibrio se alcanza cuando ε ≈ 0, de dónde

Ecuación que nos proporciona la amplificación obtenida mediante el dispositivo. Como vemos, la amplificación que se obtiene es independiente del valor de A y sólo depende del de, que, como sabemos, se puede fijar con mucha precisión. Además, como β < 1, tenemos que 1 ⁄ β > 1, por lo que efectivamente obtenemos una versión amplificada —en principio, ya que β se puede fijar con precisión, tanto como queramos— de la señal de entrada. Combinamos así lo mejor de dos mundos: por un lado tenemos la gran capacidad de amplificación del primer amplificador y por otro la precisión y fiabilidad del segundo. El resultado de la operación que se lleva a cabo en el sumador, y que hemos denotad, se denomina señal de error, ya que el equilibrio se alcanza cuando ε se anula.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL.

En la figura siguiente se representa el símbolo y la curva característica de transferencia del amplificador operacional ideal y en la Figura 6.8.b su circuito equivalente.

El amplificador operacional ideal goza de las siguientes características: 1. Impedancia de entrada infinita (Ri = ∞). El circuito de entrada es un circuito abierto. Por tanto, no hay corriente en ningún terminal de entrada, es decir, las corrientes de polarización son nulas (IB+, IB- = 0). 2. Impedancia de salida nula (Ro = 0). 3. Ganancia diferencial de tensión es infinita (Av = ∞). 4. El margen dinámico ±Vcc. No hay pérdida de tensión en la salida por saturación de elementos. 5. La Razón de rechazo en Modo común (CMRR) es infinita. Este término requiere una explicación más amplia.

Una característica significativa de una conexión diferencial es que las señales que son opuestas en las entradas son altamente amplificadas, mientras que las que son comunes a las dos entradas son apenas ligeramente amplificadas (la operación global es amplificar la señal diferencial mientras que se rechaza la señal común a las dos entradas). Puesto que el ruido (cualquier señal de entrada indeseable) es generalmente común a ambas entradas, la conexión diferencial tiende a suministrar una atenuación de esta entrada indeseable, mientras que proporciona una salida amplificada de la señal diferencial aplicada a las entradas.

Como medida de la capacidad de eliminación de las señales de modo común (de ruido) se emplea el valor numérico conocido como Razón de rechazo en Modo común (CMRR). En la figura siguiente, se indica esquemáticamente el funcionamiento en modo común del amplificador operacional.

Si el amplificador es ideal, la componente común de las señales de entrada no sería amplificada (VoCM =0). Pero en el amplificador real, la salida tiene un valor VoCM ≠ 0. De forma que la Ganancia en Modo Común (ACM ≠ 0)

Si llamamos A a la Ganancia del Modo Diferencial, la Razón de Rechazo en Modo Común se define como la relación de ambas Ganancias:

El valor de CMRR también se suele expresar en términos logarítmicos como:

Decir que la CMRR es infinita significa que el operacional presenta una buena atenuación de las señales de ruido.

A estas características básicas del amplificador operacional ideal podemos añadir las siguientes:

6. El amplificador responde igualmente a todas las frecuencias (el ancho de banda es infinito).

7. Tiempo de conmutación nulo. Es decir, la salida sigue a la entrada, no existen transitorios debido a la velocidad finita que presentan los transistores que hay en el operacional.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

MONTAJE INVERSOR

Sea el circuito:

Vamos a calcular su ganancia en lazo cerrado G y su resistencia de entrada Ri. Como V+ está unida a tierra, será V− = 0. Esto se conoce como TIERRA VIRTUAL ya que está como conectada a tierra pero sin estarlo.

Donde, por tanto, G puede ser mayor o menor que 1 sin más que elegir las resistencias de la forma adecuada. El valor de la resistencia de entrada se puede calcular de la siguiente forma:

MONTAJE NO INVERSOR

Sea el circuito:

La resistencia de entrada se obtendrá

Ya que por definición, en el modelo ideal la intensidad I=0.

En cuanto a la ganancia, sabemos que V- = V+ = Vi, si suponemos que por R1 pasa una intensidad I1 cuyo valor sería

La tensión Vo se obtendría

Como se puede observar, en este caso, la ganancia será siempre positiva ya que las Ri son siempre positivas y además siempre será mayor o igual a 1. G=1 para el caso en que R1= ∞ (circuito abierto) ó R2= 0 (sustituyendo la R por un cable) o ambas cosas a la vez. Este circuito hace la función de un circuito ADAPTADOR DE IMPEDANCIA ya que presenta una impedancia de entrada infinita y una impedancia de salida nula.

También recibe el nombre de SEGUIDOR DE TENSIÓN ya que la tensión de salida Vo coincide con la de entrada Vi.

Los amplificadores se pueden encadenar. Así si se pretende conseguir un amplificador cuya ganancia sea negativa y con impedancia de entrada alta, lo conseguiremos colocando un amplificador no inversor a la entrada, el cual suministra una alta impedancia de entrada, y un segundo amplificador inversor a la salida para obtener la ganancia negativa buscada.

CIRCUITO SUMADOR

Esta configuración tiene la siguiente estructura:

La salida de este amplificador es proporcional a la suma de las señales de entrada. Dado que V- =0 por ser igual a V+ que sí es igual a cero, las intensidades que circulan por cada rama son independientes de las demás y no se produce redistribución de intensidad alguna. Con ello la intensidad total que atraviesa R2 será la suma de las intensidades de cada una de las ramas de entrada.

La tensión de salida Vo será

Haciendo que R11 = R12 = ........... = R1N = R2 se consigue que

Lo normal sería obtener una suma ponderada de manera que a cada término se le puede dar el peso que nos interese.

CIRCUITO RESTADOR

El circuito de la figura resta las señales de entrada y el resultado se amplifica con la ganancia

Av = R2/R1

Es decir:

Vout = R2/R1 (V2-V1)

AMPLIFICADOR DE PUENTE

En su forma más simple, un puente consiste de cuatro elementos de dos terminales conectados para formar un cuadrilátero: una fuente de excitación (voltaje o corriente), conectada a lo largo de una de las diagonales, y un detector de voltaje o corriente encargándose de la otra diagonal. El detector en efecto, mide: la diferencia entre las salidas de los dos divisores potenciométricos conectados entre los terminales de la fuente de excitación. Un puente mide una propiedad eléctrica de un elemento circuítal de manera indirecta, por ejemplo, por comparación contra un elemento similar. Las dos formas principales de operar un puente son como detector de cancelación; y como un dispositivo que lee directamente una diferencia en un voltaje o una corriente.

IMPEDANCIA DE ENTRADA Y SALIDA EN LAZO CERRADO

Zin Zout

GANANCIA EN 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. Ver el diagrama inferior.

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.

GANANCIA EN LAZO CERRADO

Para poder controlar la ganancia de tensión que tiene un amplificador operacional, se le provee de una realimentación negativa, que hará que este circuitosea mucho más estable. La ganancia es dada por la siguiente fórmula: AV = - Vo / Vin.

El signo menos indica que la señal en la salida será la opuesta a la entrada (sale invertida, una tensión positiva aplicada a la entrada produce una tensión negativa a la salida).

El valor de la ganancia está dada por: AV = -R2/R1. Si se modifican los valores de R2 y R1, se modifica la ganancia.

Ejemplo: (ver el gráfico anterior)

Si R2 = 500 Kohmios y R1 = 10 Kohmios, entoncesAV = -Vo/Vin = -R2/R1 = -500/10 = -50.

La ganancia será de 50 y la señal a la salida estará invertida (signo menos).

DIAGRAMAS DE BODE

Los resultados que se obtienen en los análisis de la respuesta en frecuencia de los amplificadores operacionales se representan en los denominados “Diagramas de Bode”. Dado al carácter reactivo de algunos de los componentes del circuito de realimentación la ganancia Af; será, en general, un número complejo y, por lo tanto, podrá ser expresado mediante un modulo y una fase. De esta manera, la ganancia Af estará representada gráficamente por dos diagramas, a saber:

Un diagrama del módulo de la ganancia Af en función de la frecuencia ω. Un diagrama de la fase relativa θ entre la salida y la entrada en función de la

frecuencia ω.

EJEMPLOS

Diagrama de Bode de amplificador pasa-bajos

Donde los valores de la tabla dependerán de parámetros antes calculados de los cuales para este circuito son:

BIBLIOGRAFIA

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

http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas/electronica-general/teoria/tema-6-teoria

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

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http://books.google.co.ve/books?id=iWOwTgeLn-QC&pg=PP9&lpg=PP9&dq=amplificador+operacional+Diagramas+de+bode&source=bl&ots=eusLYTRaig&sig=5J02y1OrPNlmdqIY6BwA3jZlRNg&hl=es&sa=X&ei=-pT6T6iyJYL88gT8t5jxBg&ved=0CFAQ6AEwBA#v=onepage&q=amplificador%20operacional%20Diagramas%20de%20bode&f=false