4 - Amplificador Operacional
- ¿Qué es un amplificador operacional (AO)?
- ¿Cómo es su modelo equivalente?
- ¿Cómo es una curva de transferencia típica?
- ¿Qué características tiene el AO ideal?
- ¿Cuáles son las configuraciones básicas del AO?
- ¿En que consiste la realimentación?
- ¿Cómo se aplican las configuraciones básicas?
1. ¿Qué es un amplificador operacional (AO)?
Un amplificador operacional es un amplificador diferencial de muy alta ganancia e impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Comenzaron a ser comercializados en la década del '60. Actualmente, su uso se ha extendido principalmente gracias al avance realizado en la tecnología de los CI (circuitos integrados). Se encuentran tanto en hornos de microondas como en circuitos controladores de motores. Son utilizados para proporcionar cambios en la amplitud y polaridad de voltaje, en circuitos de filtros, de instrumentación, osciladores, etc.
Símbolo:
Circuito típico:
Si bien el circuito del AO luce complejo, su análisis es verdaderamente simple si se emplea su modelo equivalente.
Arriba
2. ¿Cómo es su modelo equivalente?
Funcionalmente, el AO opera como el siguiente circuito equivalente:
La resistencia de entrada Ri es muy grande (del orden de los MW), la resistencia de salida Ro es muy baja (generalmente menor que 100 W), y la ganancia de lazo abierto A es muy alta (entre 105 y 107).
Agregando resistores y capacitores entre las terminales de uno o varios AO, podemos utilizar este modelo para diseñar circuitos que realicen funciones tan variadas como suma, resta, diferenciación, integración, graduación de voltaje, etc.
Ejemplo:
El circuito se puede redibujar empleando el modelo equivalente del AO, de la siguiente manera:
Y finalmente las ecuaciones nodales son:
Arriba
3. ¿Cómo es una curva de transferencia típica?
La curva de transferencia es una gráfica de la señal de salida en función de la señal de entrada. Por ejemplo para un AO con A=106, +V = 10V, y -V = -10 V (tensiones de alimentación):
Como se observa en la gráfica, el voltaje de salida no puede exceder los valores de suministro de potencia. Una vez que la salida alcanza estos valores, un incremento en la señal de entrada no tiene efecto sobre la salida y se dice que el AO está saturado.
Arriba
4. ¿Qué características tiene el AO ideal?
Dados los valores típicos de Ri, Ro y A se puede trabajar con un modelo todavía más sencillo conocido como el modelo del AO ideal:
- Ri es muy grande y puede considerarse como un circuito abierto, por lo tanto i+=i-=0
- Ro es muy baja y puede considerarse como un cortocircuito.
- El factor de amplificación A, es muy grande y puede suponerse infinito.
Hasta acá el modelo simplificado queda:
Antes dijimos que la salida debe permanecer entre los voltajes de alimentación del AO:
Entonces cuando A tiende a infinito, vi es cero, y por lo tanto:
(recordar que vi = v+ -
v- )
condición denominada cortocircuito virtual.
Arriba
5. ¿Cuáles son las configuraciones básicas del AO?
Inversor: la señal de entrada se aplica al terminal de inversión a través de una resistencia R1, y la salida se suministra en realimentación al mismo terminal a través de R2.
Ejemplo 1:
No Inversor: ídem a la configuración inversor excepto que la señal de entrada se aplica a la entrada no inversora.
Ejemplo 2:
Observación:
- estas configuraciones actúan como fuentes de voltaje controladas por voltaje.
Arriba
6. ¿En qué consiste la realimentación?
En la figura se observa un circuito cuya salida depende principalmente de la entrada (sistema a lazo abierto).
Cuando parte de la señal de salida es reingresada al circuito, se dice que el mismo se encuentra realimentado (sistema a lazo cerrado). El circuito puede ser realimentado positivamente (si la señal se suma a la de entrada) o negativamente (si la señal se resta a la de entrada).
La realimentación positiva se analiza en la asignatura "Circuitos Electrónicos II".
La realimentación negativa implica que los cambios en la salida repercuten a la entrada de manera tal que la salida tiende a retomar su valor previo. Para entender los efectos de este tipo de realimentación, analicemos los siguientes circuitos:
En el circuito inversor a lazo abierto (a), la salida es vo = - A.v1
Y en el circuito inversor a lazo cerrado (b), la salida es vo = - A.v1 / (1+A)
Se observa que la ganancia cayó desde A hasta casi la unidad al emplear realimentación negativa, por lo tanto la pregunta obligada es ¿por qué se emplea la realimentación, si esto implica sacrificar la ganancia obtenida?
La respuesta es: porque a cambio obtenemos estabilidad. Esto quiere decir que la salida tiende a permanecer constante aunque cambien ciertos parámetros del circuito, es decir: se vuelve menos sensible a los cambios. Por ejemplo, en la expresión de vo del circuito (b) podemos ver que la salida se vuelve prácticamente independiente del valor de A. La ventaja que esto representa es evidente si recordamos que los componentes presentan ciertas tolerancias y que además tienden a cambiar sus valores por envejecimiento o por efecto de la temperatura.
Arriba
7. ¿Cómo se aplican las configuraciones básicas?
Las aplicaciones de las configuraciones básicas son innumerables, pero sólo veremos algunos ejemplos.
7.1 Seguidor de Voltaje
Es un caso especial de un AO en configuración no inversor, donde R2 se reemplaza por un cortocircuito y R1 por un circuito abierto. El resultado es una etapa de ganancia unitaria de voltaje. Entonces si vo=v1 ¿cuál es la utilidad de este circuito? Su utilidad radica en que proporciona un medio para aislar la señal de entrada de la siguiente etapa o carga.
Ejemplo 3:
Consideremos los siguientes circuitos:
En el circuito (a) vo = v1. Rc/R+Rc
En el circuito (b) vo = v1
El AO aísla ambos circuitos y como consecuencia Rc deja de cargar a la fuente, obteniéndose una salida mayor e independiente de la carga.
Ejemplo 4:
En el circuito (a) la tensión sobre las cargas cambia si se altera el valor de Rc1 ó Rc2.
En el circuito (b) la tensión sobre las cargas es independiente del valor de Rc1 y Rc2.
7.2 Amplificador Sumador
-
Sumador Inversor
Caso especial de un AO en configuración inversor donde existe más de una entrada.
- Promediador Inversor
Si en el circuito anterior se ajustan las resistencias de modo tal que:
-
Sumador No Inversor
Caso especial de un AO en configuración no inversor donde existe más de una entrada.
7.3 Amplificador Diferencial: es una combinación de las configuraciones inversora y no inversora.
7.4 Fuentes controladas
A continuación se analizan algunos de los diseños más sencillos de fuentes controladas:
- Fuente de voltaje controlada por voltaje
vo=k.v1
Se puede implementar por medio de cualquiera de las configuraciones básicas ya analizadas.
- Fuente de corriente controlada por voltaje
io=k.v1
donde k=1/R1
- Fuente de voltaje controlada por corriente
vo=k.i1
donde k= -RL
- Fuente de corriente controlada por corriente
io=k.i1
donde k=1+R1/R2
7.5 Amplificador de Instrumentación
Consiste en una mejora de la configuración diferencial básica. Es un amplificador de alta exactitud que puede amplificar fielmente señales de bajo nivel en presencia de ruido intenso en modo común. Está diseñado para ajustar el factor de escala variando sólo un resistor (RG).
Algunos fabricantes han integrado este diseño en un CI (excepto por RG), como se puede observar a continuación:
Arriba
Teoría de Circuitos I - Última modificación: Mayo 28, 2002