Amplificadores Operacionales
El Término Amplificador Operacional (OpAmp) se refiere a un amplificador que realiza operaciones matemáticas. Históricamente, los primeros amplificadores operacionales se utilizaron en computadoras analógicas, en las que realizaban sumas, restas, multiplicaciones, etc.
Una breve historia…
• Los primeros OpAmps se inventaron durante la 2a Guerra Mundial…
• El Dr. C. A. Lovell de los Bell Telephone Laboratories introdujo el OpAmp…
• Independientemente, George A. Philbrick introdujo un amplificador operacional de un solo bulbo en 1948, el K2-W.
• ¡Así que los OpAmps no son algo nuevo!
• El popular OpAmp monolítico 741 fue diseñado por Dave Fullagar en 1967….
El Primer Amplificador Operacional “real”, el K2-W
Características del bulbo operacional K2-W:
Fue inventado por Julie Loebe y George Philbrick al inicio de los 50’s
Fue el primer Opamp producido en masa
Su costo aproximado (en los 50’s) era $22.00 USD
La tabla muestra una comparación con el 741 y el LT1037
(Gp:) Salida
(Gp:) + VCC
(Gp:) – VEE
(Gp:) Entrada no inversora
(Gp:) Entrada inversora
Representación esquemática
Algunos de los símbolos empleados para describir Opamps. En ocasiones, también pueden incluir terminales de ajuste de offset, habilitación, umbral de voltaje de salida y otras funciones especializadas.
El primer símbolo es un opamp reforzador (buffer)
El segundo es un opamp de entrada diferencial y una sola salida; es el más común.
El tercero es un opamp con entradas y salidas diferenciales.
i(-), i(+) : Corrientes hacia el amplificador en las terminales inversora y no inversora, respectivamente
vid : Voltaje de entrada en las terminales inversora y no inversora
+VCC , -VEE : Voltajes de alimentación de DC, comúnmente +15V y –15V
Ri : Resistencia de entrada, idealmente infinita
A : Ganancia del amplificador. Idealmente muy alta, del orden de 1×1010?
RO: Resistencia de salida, idealmente cero
vO: Voltaje de salida; vO = AOLvid donde AOL es la ganancia de voltaje en lazo abierto
Configuración interna
(Gp:) +VCC
(Gp:) -VEE
(Gp:) vid
(Gp:) Inversora
(Gp:) No inversora
(Gp:) Salida
(Gp:) +
(Gp:) _
(Gp:) i(-)
(Gp:) i(+)
(Gp:) vO = AOLvid
(Gp:) RO
(Gp:) A
(Gp:) Ri
El Opamp ideal
Ganancia (A): Se asume que es infinita. Siempre es posible controlarla con elementos externos
Impedancia de entrada (Ri): Se asume que es infinita.
Impedancia de salida (R0): Se considera igual a cero.
Respuesta en el Tiempo: La salida debe ocurrir al mismo tiempo que ocurre un cambio en las entradas, así que se considera cero. El corrimiento de fase será 180°. La respuesta en frecuencia será plana y el ancho de banda infinito (no hay dependencia de la frecuencia).
Offset: La salida del amplificador debe ser cero cuando la diferencia de potencial entre sus entradas inversora y no inversora sea cero.
Relación de rechazo en modo común (CMRR=Ad/Acm): Se asume con un valor infinito.
(Gp:) Salida
V0=A vid
(Gp:) + VCC
(Gp:) – VEE
(Gp:) Entrada no inversora
(Gp:) Entrada inversora
(Gp:) v1
v2
(Gp:) vid
(Gp:) Ri
(Gp:) R0
(Gp:) Avid
(Gp:) +
–
(Gp:) +
–
El circuito equivalente es útil para analizar los principios de operación básicos de los opamps y observar los efectos de los arreglos con retroalimentación.
Para el circuito mostrado:
V0 = Avid = A(v1 – v2)
donde: A = Ganancia de voltaje de gran señal
vid = Voltaje de entrada diferencial
v1, v2 = voltajes en las terminales no inversora e inversora,
respectivamente con respecto a la tierra.
Curva de transferencia de voltaje ideal
El voltaje de offset es igual a cero. La curva no está a escala, pues sería casi vertical, debido a la ganancia infinita de A.
(Gp:) Voltaje de saturación positivo
+Vsat < +VCC
(Gp:) V0
(Gp:) Vid
(Gp:) Pendiente = A (región lineal)
(Gp:) Voltaje de saturación negativo
-Vsat < -VEE
(Gp:) Vmáx
(Gp:) -Vmáx
(Gp:) Vid
(Gp:) VSP
(Gp:) VSN
(Gp:) Vmáx
(Gp:) -Vmáx
(Gp:) VO
(Gp:) Vid(t)
Configuración en lazo abierto
En esta configuración no existe ninguna conexión directa o a través de otra red entre la salida y las terminales de entrada.
En esta configuración, el opamp simplemente funciona como un amplificador de alta ganancia.
Existen tres configuraciones básicas en lazo abierto:
El amplificador diferencial
El amplificador inversor
El amplificador no inversor
El amplificador diferencial
Este dispositivo amplifica señales de entrada tanto de DC como de AC. Las resistencias de las fuentes Rin1 y Rin2 normalmente son despreciables comparadas con la resistencia de entrada Ri. Así, se puede asumir que las caídas de voltaje en esos resistores es cero; y, por lo tanto, v1=vin1 y v2=vin2, con lo que se obtiene: vO= A(vin1 – vin2)
La polaridad del voltaje de salida depende de la polaridad del voltaje diferencial en la entrada. En estas configuraciones, la ganancia A comúnmente se refiere como la ganancia de lazo abierto.
El amplificador inversor
En esta configuración, sólo se aplica una entrada a la terminal inversora del opamp; la otra terminal se aterriza.
Puesto que v1=0 y v2=vin entonces: vO= – Avin
El signo negativo indica que la salida está desfasada 180o con respecto a la entrada, o simplemente, que es de polaridad opuesta.
El amplificador no inversor
En esta configuración, sólo se aplica un voltaje de entrada a la terminal no inversora del opamp; la otra terminal se aterriza.
Puesto que v1=vin y v2=0, entonces: vO= Avin
Esto significa que el voltaje de salida es mayor que el de entrada por un factor A, y está en fase con la señal de entrada.
Características de las configuraciones de lazo abierto
En las tres configuraciones, cualquier señal de entrada (diferencial o sencilla) que sea ligeramente mayor que cero, produce un nivel de saturación en la salida.
Así, cuando se opera en lazo abierto, la salida de un opamp sólo cambia entre los valores positivo o negativo de saturación.
Por esta razón, no se emplean estas configuraciones en aplicaciones lineales.
Ejemplo
Determinar el voltaje de salida en cada uno de los siguientes casos:
vin1=5 ?VDC, vin2= -7 ?VDC
vin1=10 mV rms, vin2= 20 mV rms
el opamp es un 741 con las siguientes especificaciones: A=200000, Ri=2M?, RO=75?, VCC= 15V, VEE= -15V y un rango de voltaje de salida = ?14V.
Solución
Determinar el voltaje de salida en cada uno de los siguientes casos:
Por la ecuación del diferencial en lazo abierto:
vO= 200000 [(5)(10-6) – (-7)(10-6)] = 2.4V
La salida será 2.4V considerando que el voltaje de offset es igual a cero.
La ecuación es válida para señales de AC y DC, con la única restricción que las señales de AC tengan la misma frecuencia:
vO= 200000 [(10)(10-3) – (20)(10-3)] = -2000Vrms
El valor de salida teórico (-2000 Vrms) se verá recortado, puesto que el operacional se satura a ?14V, como se muestra. Esta forma no senoidal es inaceptable en aplicaciones de amplificación.
La solución a este problema es emplear un lazo de retroalimentación como se verá más adelante
Configuraciones con retroalimentación
Un amplificador retroalimentado se puede representar con dos bloques, uno para el opamp y otro para el circuito de retroalimentación. Hay cuatro formas en que se pueden conectar estos bloques y se clasifican de acuerdo a lo que se retroalimenta (voltaje o corriente) y la forma en que lo hace (serie o paralelo).
Estas posibles configuraciones son las siguientes:
Retroalimentación de voltaje en serie
Retroalimentación de voltaje en paralelo
Retroalimentación de corriente en serie
Retroalimentación de corriente en paralelo
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