1) Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico que tiene dos entradas y una salida, donde la salida es la diferencia de las entradas multiplicada por una ganancia muy alta. Se usan amplificadores operacionales como UA741 o LM741.
2) Los amplificadores operacionales usan retroalimentación negativa, lo que mejora características como mayor impedancia de entrada y menor impedancia de salida.
3) Los amplificadores operacionales son útiles para amplificar pequeñas señales diferenciales provenientes de transductores, incluso cuando hay una
1. AMPLIFICADOR OPERACIONAL
1. ¿Qué es un amplificador operacional?
Son circuitos integrados con un nivel de componentes y estructura interna
complicada por lo que los vamos a estudiar desde fuera como cajas negras.
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.
2. ¿Qué tipo de retroalimentación usa el amplificador operacional?
Lazo abierto
Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas
multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000(que se
considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la
diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000 V. Debido
a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la
alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para
su uso en comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la
aplicada a la patilla + (entrada no inversora) la salida será VS+, mientras que si la
tensión más alta es la del pin - (entrada inversora) la salida será la alimentación VS-.
Lazo cerrado o realimentado
Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una
realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se
parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la
tensión en la pata + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva.
Como existe la realimentación entre la salida y la pata -, la tensión en esta pata
también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce,
disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que
la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo
valor.
Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para
analizar el circuito:
V+ = V- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual).
I+ = I- = 0
Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con
cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como
una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La
mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy
2. pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La
menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como
una fuente eléctrica de mejores características. Además, la señal de salida no
depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy
variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede
ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte
superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.
Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la
entrada no inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy
distintos. El más aplicado es obtener un oscilador para el generar señales oscilantes.
3. Dibuja el símbolo del amplificador operacional (OPAM) y describe cada una
de sus partes
El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:
Los terminales son:
V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los
A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y
VEE.
Habitualmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por
claridad.
3. 4. Explicar las características del OPAM ideal
En la Figura se representa el símbolo y la curva característica de transferencia
del amplificador operacional ideal y en la Figura su circuito equivalente.
El amplificador operacional ideal goza de las siguientes características:
a) 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 (I B +, I B -
= 0).
b) Impedancia de salida nula (Ro = 0).
c) Ganancia diferencial de tensión es infinita (Av = ∞).
d) El margen dinámico ± VCC. No hay pérdida de tensión en la salida por
saturación de elementos.
e) La Razón de rechazo en Modo común (CMRR) es infinita. Este término
requiere una explicación más amplia.
f) El amplificador responde igualmente a todas las frecuencias (el ancho de
banda es infinito).
g) 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.
h) Para que la tensión de salida sea nula, los dos terminales de entrada deben
estar a la misma tensión.
i) Tensión de offset nula (tensión en la entrada para que la salida sea nula).
4. 5. ¿Cuáles son las reglas básicas para analizar los OPAMS?
Existen reglas muy simples para analizar el comportamiento del amplificador
operacional con realimentación externa. Dichas reglas son suficientemente buenas
para casi todo lo que se intentará analizar en este texto.
En primer lugar, la ganancia del amplificador operacional es tan alta, que una
fracción de un milivoltio aplicada entre los terminales de entrada provocará una
variación de la salida sobre todo su rango, de manera que ignoramos este pequeño
voltaje y establecemos la regla 1.
a) La salida intenta hacer lo que sea necesario para que la diferencia de
voltajes de entrada sea cero.
En segundo lugar, los amplificadores operacionales absorben muy poca corriente
de entrada (0.2nA para el 411; pico amperios para los del tipo de entrada FET); si
redondeamos esto, se puede establecer la regla 2:
b) Las entradas no absorben corriente
Una nota explicatoria muy importante: la regla 1 no significa que el amplificador
operacional realmente cambie el voltaje en sus entradas. No puede hacer tal cosa
(¿Como podría y ser al mismo tiempo consistente con la regla (b)?). Lo que hace
es "mirar" en sus terminales de entrada y variar su voltaje de salida de manera que
la red de realimentación hace que el diferencial de entrada sea cero (si es posible).
Con esas dos reglas [de oro] el estudiante puede llegar muy lejos. Su aplicación se
ilustra analizando algunos circuitos básicos (y además muy importantes!) con
amplificadores operacionales.
6. Analizar los siguientes circuitos:
8. 7. ¿Qué entiende por circuitos no lineales?
En teoría de circuitos, un circuito no lineal es un circuito cuya relación
entre tensión y corriente no se puede describir con una ecuación o sistema lineal.
El diodo es un circuito no lineal que se expresa mediante la ecuación de Shockley:
Un circuito no lineal es más complejo que un circuito lineal. Por lo mismo, suelen
simplificarse a su equivalente lineal. Un ejemplo de esto son los modelos
de transistores.
8. Analizar el circuito electrónico llamado amplificador de instrumentación
El término amplificador de instrumentación es usado para denotar un
amplificador diferencial con acoplamiento DC, de alta ganancia, con salida des-
balanceada, alta impedancia de entrada, y CMRR elevado. Un ejemplo de tales
transductores es una galga extensiométrica. Un arreglo tipo puente de
resistencias que convierte el esfuerzo (elongación) del material al cual están
sujetas en pequeños cambios de resistencia; el resultado neto es un pequeño
cambio en el voltaje de salida diferencial cuando el puente se excita por un
voltaje de polarización DC fijo. Las resistencias tienen aproximadamente la
misma resistencia, típicamente 350 ohmios, pero están sujetas a esfuerzos
diferentes. La sensibilidad de plena escala es típicamente 2 mV por voltio, de
manera que la salida de plena escala es 20mV para 10 voltios de excitación DC.
Este pequeño voltaje de salida diferencial proporcional al esfuerzo se superpone
sobre un nivel de DC de 5 voltios. El amplificador diferencial debe tener un
CMRR extremadamente alto para ser capaz de amplificar señales diferenciales
de milivoltios a la vez que se rechazan variaciones en el rango de 5 voltios de
señal de modo común. Por ejemplo, suponga que se desea un error máximo de
0.1%. Puesto que 0.1% de plena escala son 0.02mV, superpuestos sobre
5000mV, el CMRR debería ser superior a 250,000; esto es casi 108 dB. La
figura 11 muestra una situación típica que requiere un rechazo de modo común
muy modesto. Este circuito de detección de corriente usado como parte de una
fuente de suministro de corriente constante para generar una corriente constante
en la carga. La caída de voltaje en la resistencia de potencia de 0.01 ohmio del
tipo de precisión de 4 hilos es proporcional a la corriente de carga. Aunque un
lado de R5 esté conectado a tierra, no sería muy sensato usar un amplificador
des-balanceado (señal de entrada con tierra de medición) puesto que las
resistencias de conexión de un mili ohmio contribuirían con un error del 10%.
Obviamente se requiere un amplificador diferencial, pero este no necesita tener
un CMRR particularmente bueno, puesto que se esperan señales de modo común
9. muy pequeñas. El op-amp está conectado en la configuración Standard de
amplificador diferencial Rl, R2, y R5 son del tipo de resistencia de precisión
hechas de alambre para estabilidad extrema de ganancia, en donde R3 y R4 que
establecen el CMRR, pueden ser del tipo metálico del 1%. El circuito total
exhibe una exactitud de ganancia cercana a la de la resistencia de detección de
corriente y un CMRR de casi 40dB.
9. ¿Por qué es útil el amplificador de instrumentación?
Se usan para amplificar pequeñas señales diferenciales que se originan en
transductores en las cuales pueden existir una señal o nivel de modo común
elevada.
