Amplificador operacional básico • El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador de CC, con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta.
• Sus características de operación se determinan por los elementos de realimentación (conexión directa entre la salida y la entrada) que se utilizan. Cambiando la forma y disposición de dichos elementos, se pueden implementar diferentes operaciones analógicas, y las características globales del circuito se determinan sólo por estos elementos de realimentación.
• Permite realizar operaciones, que antiguamente se realizaban con muchos componentes discretos, ahora con uno sólo: EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL.
Símbolo esquemático Una herramienta adicional básica del AO es su símbolo característico:
El amplificador operacional ideal El amplificador operacional se puede pensar como una caja, con sus terminales de entrada y salida, ignorando qué hay dentro de dicha caja. Se muestra un amplificador idealizado como un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único Terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, y no a su potencial común.
El amplificador operacional ideal Las propiedades del amplificador ideal son: 1. La ganancia de tensión es infinita: infinita a = ∞ 2. La resistencia de entrada es infinita: infinita Ri = ∞ 3. La resistencia de salida es cero: cero Ro = 0 4. El ancho de banda es infinito: infinito BW = ∞ 5. La tensión de “offset” de entrada es cero :
V0 = 0 sí Vd = 0
El amplificador operacional ideal A partir de estas características del AO ideal, se pueden deducir dos propiedades adicionales:
• Como la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña, y la tensión de entrada diferencial es nula. nula • Si la resistencia de entrada es infinita, no existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada. entrada Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas del AO. AO Con ellas se puede deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos con amplificadores operacionales.
Circuitos con AO’s Comentarios preliminares
Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: las configuraciones...
• Inversora y • No-inversora. No-inversora En general, todos los circuitos con AO son variaciones estrechamente relacionadas de estas dos configuraciones, más otro circuito básico que resulta de una combinación de los dos primeros: el amplificador diferencial con AO.
El amplificador inversor La primera configuración básica del AO es el amplificador inversor: inversor
En este circuito, la entrada (+) está conectada a masa, masa y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.
El amplificador inversor Aplicando las propiedades del AO ideal, las características más distintivas de este circuito se pueden destacar como sigue:
• Como el amplificador tiene ganancia infinita, desarrollará su tensión de salida, V0 , con tensión de entrada “nula”. “nula”
• Ya que la entrada diferencial del AO es: Vd = V p − Vn
⇒ Vd = 0
• Si Vd = 0, 0 toda la tensión de entrada Vi deberá aparecer en R1, obteniendo una corriente en R1:
I = Vi R1
• Como Vn está a un potencial cero, se dice que es un punto de tierra virtual. virtual
El amplificador inversor Toda la corriente I que circula por R1 pasará por R2, puesto que no se derivará ninguna corriente hacia la entrada del operacional (impedancia infinita). infinita Por lo tanto: − V0 = I R2 Teniendo en cuenta que la corriente por el circuito es la misma, resulta entonces: V0 Vi − =I= R2 R1
La ganancia del amplificador inversor será: ∆V =
V0 R =− 2 Vi R1
El amplificador inversor Este punto se le denomina tierra virtual, virtual ya que siempre tendrá el mismo potencial que en la entrada (+). Como en él se “suman” suman las señales de salida y entrada, también se lo conoce como nodo suma. suma Esta última característica conduce al tercer axioma básico de los amplificadores operacionales, el cual se aplica a la operación en bucle (o lazo) cerrado:
En lazo cerrado, la entrada (-) se iguala al potencial de la entrada (+) (o de referencia). Esta tensión puede ser masa (como en la figura anterior), o cualquier otro potencial que se desee.
El amplificador no-inversor En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida Vo, Vo se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R1 - R2. Puesto que no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, 0 la tensión en R1 será igual a Vi:
Vi = I R1
Circuitos con AO’s
El amplificador no-inversor
Como :
Vo = I ( R1 + R2 )
se tiene que:
V1 Vo = ( R1 + R2 ) R1 Por lo tanto, en términos de ganancia, la ecuación característica para el AO no inversor ideal vendrá dada por:
Vo R1 + R2 R2 = = 1+ V1 R1 R1
Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor El amplificador diferencial Una configuraci贸n importante con AO es la que se conoce como amplificador diferencial, diferencial que no es m谩s que una combinaci贸n de las dos configuraciones principales. Este circuito tiene se帽ales aplicadas en ambos terminales de entrada, tal como se muestra en la siguiente figura:
Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor El amplificador diferencial Para comprender cómo funciona el circuito, primero se analizarán las dos señales de entrada por separado, y después, en forma combinada. Como siempre, Vd = 0, 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero. cero Por lo tanto: Vd = V (+) − V (−) ⇔ V (+) = V (−) donde la tensión en el terminal positivo será:
V1 V (+) = R2 R1 + R2
Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor El amplificador diferencial Aplicando el principio de superposición, superposición la tensión de salida se puede considerar como la suma de los efectos producidos por ambas señales en forma individual, haciendo una cero cuando se considera la otra. Por lo tanto, llamando V01 a la tensión a la salida debida a V1, y teniendo en cuenta que V2=0 y que V(-)=V(+), (+) se tiene:
V1 R2 R3 + R4 V01 = × R1 + R2 R3
Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor El amplificador diferencial La tensión de salida debida a V2, suponiendo V1=0 (y considerando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor), valdrá: R4 V02 = −V2 R3 Aplicando el teorema de superposición, la tensión de salida V0 = V01 + V02. Haciendo que R3=R1 y R4 =R2, se tendrá que:
V1 R2 R2 V01 = V02 = −V2 R1 R1
R2 V0 = (V1 − V2 ) R1
Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor El amplificador diferencial En términos de ganancia:
V0 R2 = V1 − V2 R1 es la ganancia del AO para señales en modo diferencial. diferencial V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una tensión V(+) menor en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, esta tensión será igual a V(-) en el nodo suma ( terminal (-) ).
FIN Ahora el control