Unidad Orientativa (Electrónica)
“Amplificadores Operacionales”
Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
1
Índice Temático 2
1. Que son los amplificadores operacionales? 2. Conociendo a los Amp. Op. 3. Parámetros Principales. 4. Circuitos Básicos • Comparador • Amplificador No inversor y Seguidor de Tensión • Amplificador Inversor • Sumador • Restador • Filtro Pasa Alto y Pasa Bajo
Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
1_Que son los Amplificadores Operacionales? Los Amplificadores operacionales, son dispositivos de estado solido que se implementan como bloque constructivo en una gran variedad de circuitos análogos, como así también digitales. Algunas de sus aplicaciones mas importantes incluyen: preamplificadores, amplificadores de voltajes, ecualizadores, comparadores de voltajes, generadores de funciones, filtros activos, osciladores, entre otros... Fueron el corazón de las primeras computadoras electrónicas, y hoy en día, siguen ocupando un lugar privilegiado entre los circuitos integrados de más empleo. 2_Conociendo a los Amp. Op. Un amplificador operacional es, básicamente un amplificador de voltaje de alta ganancia acoplado directamente. En la siguiente figura se muestra su simbología
Externamente consta de dos líneas de entrada una inversora y otra no inversora, una línea de salida y dos líneas de alimentación que se conecta generalmente a una fuente bipolar simétrica, esto permite que la salida pueda tomar valores tanto positivos como negativos dependiendo de la relación de las entradas. Esto se puede apreciar mejor si analizamos la ecuación para el voltaje de salida: Vo = Ao * (V2-V1)
Donde Ao se conoce como la ganancia en lazo abierto o la ganancia natural del Amp. Op., cuyo valor es generalmente en el orden de los millones, más adelante se tratará este tema. Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
3
La relación entre las entradas y la salida puede observarse en la siguiente figura:
4
Como podemos ver en el ejemplo, si se implementa un voltaje en la entrada negativa, mientras que la entrada positiva es cero, se produce un desfase de 180 grados, es decir, en la salida tendremos una inversión con respecto a la entrada.
En este otro ejemplo, se observa que un voltaje aplicado a la entrada positiva mientras la entrada negativa es cero, produce un voltaje de igual fase en la salida pero de valor amplificado. Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
3_Parámetros Principales: Naturalmente como todo dispositivo eléctrico y electrónico, el Amp. Op. también tiene ciertos parámetros que nos ayudan a escoger un amplificador de otro. A continuación se mencionan los parámetros más importantes que caracterizan a un Amp. Op.: 1_ Ganancia de Voltaje en Lazo Abierto (Ao): Idealmente un Amp Op debe tener una ganancia infinita, en la práctica este valor puede llegar hasta 100000, aunque es más común representar este valor en unidades de decibelios (20*log(100000) = 100dB). Recuérdese siempre que el Amp Op amplifica solo voltaje, para la corriente se requieren transistores de potencia tipo BJT o MOSFET. 2_ Impedancia de Entrada (Rin): Es la resistencia que observa el circuito de entrada externo entre las entradas positiva y negativa. Su valor esta entre 1M. a 1T., esta característica le permite conectarse con fuentes de tensión relativamente sensible sin perder la señal debido a que es como si no existiera una conexión real. 3_ Impedancia de Salida (Rout): Es la resistencia que observa el circuito de salida externo en el pin de salida. Su valor esta entre 10 a 100., esta característica evita que el voltaje amplificado pase en su totalidad hacia el circuito de salida. 4_ Ancho de Banda o Frecuencia de Corte (BW ó Ft): Es la máxima frecuencia que el amp op puede procesar con el mismo factor de amplificación. Su rango varía dependiendo de la aplicación entre 10KHz hasta 10GHz. 5_ Voltaje offset de Entrada (Voffset): Una desventaja del Amp Op es que cuando ambas entradas son cero, el voltaje de salida tiende a tener un ligero valor positivo o negativo conocido como offset o desplazamiento desde cero. Su rango varía entre 100uV hasta 10mV. Este factor toma especial importancia cuando se trata de amplificar señales muy débiles. 6_ Voltaje de Alimentación (VCC): Se trata de los valores máximo y mínimo de voltaje bipolar con el puede funcionar el Amp Op, existen incluso algunos Amp Op que pueden operar con fuentes simples lo que los hace muy útiles en aplicaciones portátiles con baterías. Su rango se encuentra entre los +/-3V hasta los +/-25V.
Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
5
4_Circuitos Básicos: Bien, hasta acá vimos y reconocimos gráficamente cuales son los terminales genéricos en los Amp. Op., conocimos sus funciones en modo inversor, y en modo no inversor, conocimos algunos de sus parámetros mas importantes, y ahora, conoceremos cuales son los diseños y configuraciones básicas de todo amplificador operacional
Comparador: El esquema del comparador es mostrado a continuación. 6
Vo = +VCC si Vs > Vt Vo = -VCC si Vs < Vt Debido a la alta ganancia que se tiene en lazo abierto (sin retroalimentación a las entradas),una pequeña diferencia entre el voltaje de entrada positivo y el negativo causa que la salida se sature ya sea al voltaje de alimentación positivo o al negativo. A modo de síntesis, como ya lo mencionamos anteriormente en la formula expuesta arriba, entendemos que la salida del amplificador operacional ( Vo) tendrá un voltaje con una polaridad dada según: 1_La salida Vo será positiva si se cumple que el voltaje de entrada Vs es mayor que el voltaje Vt. 2_La salida Vo será negativa, si se cumple que el voltaje de entrada Vs es menor que el voltaje Vt. Esta señal puede ser para chequear el estado de sensores tales como NTC, PTC, Fotocélulas, Fotodiodos, Micrófonos, etc; u bien, con un poco de ingenio por parte nuestra, se podría aplicar en circuitos de control. Por ejemplo circuitos para control de temperatura, humedad, etc, donde Vt seria el set point del circuito que nos definiría cuando queremos que actúe nuestro equipo dándonos una señal dada a sus salida.
Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
Amplificador No inversor y Seguidor de Tensión: Este esquema se caracteriza por ingresar la señal a través de la entrada positiva de esta manera la salida amplificada estará en fase con la señal de ingreso. Un detalle de este y de los siguientes circuitos es la re-alimentación que existe entre la salida y la o las entradas, esto permite reducir la amplificación en lazo abierto a cualquier valor más conveniente.
Vout = Vin * (1 +(R1/R2)) 7
Una modificación del amplificador no inversor es el seguidor de tensión, en este caso la resistencia de re-alimentación se ha reemplazado por un alambre (0 resistencia), la ganancia del circuito es 1, esta configuración se utiliza principalmente para aislar la fuente de la señal, del sistema de amplificación, muy utilizado para señales débiles o ruidosas.
Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
Amplificador Inversor: En el caso de un amplificador inversor, la señal de ingreso ha sido aplicada a la entrada negativa por lo que la salida tendrá un desfase de 180 grados eléctricos con respecto a la entrada, de ahí el nombre. Una característica importante de este amplificador es que puede actuar como atenuador, es decir en vez de agrandar señal, la empequeñece; este se puede apreciar al analizar la ecuación de ganancia donde se observa que si la resistencia de realimentación, es menor que la de ingreso entonces la ganancia será menor a la unidad (atenuación).
Vout = - Vin (RF / RI) 8
Sumador: Vout = - (RF/R1)*V1 - (RF/R2)*V2 - (RF/R3)*V3
Si se observa detenidamente, esta configuración no es más que dos o más amplificadores inversores en uno solo, esto se comprueba también al analizar la fórmula para el voltaje de salida. Utilizando amplificadores inversores adicionales se puede obtener fácilmente un restador múltiple.
Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres
Restador: A diferencia del sumador anteriormente mostrado, este circuito solo puede restar dos señales ya que una se aplica a la entrada negativa y la otra a la entrada positiva. Es común la utilización de esta configuración en el diseño de dispositivos electrónicos médicos tales como electrocardiogramas, electroencefalogramas, monitores cerebrales y varios sistemas de monitoreo de sensores en industrias tales como sensores de gas, temperatura, humedad, radiación, etc.... Vout = (R2/R1) * (V2 . V1)
9
Filtro Pasa Alto y Pasa Bajo: Los filtros en general son usados para eliminar señales no deseadas que por varias razones intencionadas o no se encuentran presentes en la señal de interés. Existen muy diversos tipos de filtros así como maneras de clasificarlos, probablemente la más sencilla sea de acuerdo al rango de frecuencias que manejan, de acuerdo a este criterio se pueden tener filtros pasa-bajos, pasa-altos, pasa-banda y rechaza-banda. Los dos primeros se muestran a continuación junto con la ecuación que permite calcular la frecuencia de corte, que es la frecuencia a la cual la ganancia del filtro empieza a disminuir lentamente atenuando al resto de frecuencias, esto para los filtros pasabajo, en el caso de filtros pasaalto sucede lo contrario. Fc = 1 / (2 * p * R * C)
Curso introducción a los Amplificadores Operacionales – Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A. Torres