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. Amplificador operacional básico
Símbolo esquemático Una herramienta adicional
básica del AO es su símbolo
característico:
El amplificador operacional se puede pensar como una caja, con
sus terminales de entrada y salida, ignorando qué hay
dentro de dicha caja. El amplificador operacional ideal 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.
Las propiedades del amplificador ideal son: La ganancia de
tensión es infinita: La resistencia de entrada es
infinita: La resistencia de salida es cero: El ancho de banda es
infinito: La tensión de “offset” de entrada es
cero : 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. Si la resistencia de entrada es
infinita, no existe flujo de corriente en ninguno de los
terminales de entrada. Estas dos propiedades pueden considerarse
como axiomas del AO. Con ellas se puede deducir el funcionamiento
de casi todos los circuitos con amplificadores operacionales. El
amplificador operacional ideal
Circuitos con AO’s Comentarios preliminares Los
amplificadores operacionales se pueden conectar según dos
circuitos amplificadores básicos: las configuraciones…
Inversora y 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.
En este circuito, la entrada (+) está conectada a masa,
yla señal se aplica a la entrada (-) a través de
R1, con realimentación desde la salida a través de
R2. El amplificador inversor La primera configuración
básica del AO es el amplificador inversor:
Como el amplificador tiene ganancia infinita, desarrollará
su tensión de salida, V0 , con tensión de entrada
“nula”. El amplificador inversor Aplicando las
propiedades del AO ideal, las características más
distintivas de este circuito se pueden destacar como sigue: Ya
que la entrada diferencial del AO es: Si Vd = 0, toda la
tensión de entrada Vi deberá aparecer en R1,
obteniendo una corriente en R1: Como Vn está a un
potencial cero, se dice que es un punto de tierra virtual.
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). Por lo tanto: El
amplificador inversor Teniendo en cuenta que la corriente por el
circuito es la misma, resulta entonces: La ganancia del
amplificador inversor será:
Este punto se le denomina tierra virtual, ya que siempre
tendrá el mismo potencial que en la entrada (+). Como en
él se “suman” las señales de salida y
entrada, también se lo conoce como nodo suma. El
amplificador inversor 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. Esta última
característica conduce al tercer axioma básico de
los amplificadores operacionales, el cual se aplica a la
operación en bucle (o lazo) cerrado:
Puesto que no fluye corriente de entrada en ningún
terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1
será igual a Vi: En este circuito, la tensión Vi se
aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal
de salida Vo, se aplica a la entrada (-) a través del
divisor de tensión R1 – R2. El amplificador
no-inversor
Por lo tanto, en términos de ganancia, la ecuación
caracterís-tica para el AO no inversor ideal vendrá
dada por: Como : se tiene que: El amplificador no-inversor
Circuitos con AO’s
El amplificador diferencial Una configuración importante
con AO es la que se conoce como amplificador diferencial, que no
es más que una combinación de las dos
configuraciones principales. Este circuito tiene señales
aplicadas en ambos terminales de entrada, tal como se muestra en
la siguiente figura: Configuraciones basadas en los circuitos
inversor y no inversor
Para comprender cómo funciona el circuito, primero se
ana-lizarán las dos señales de entrada por
separado, y después, en forma combinada. Como siempre, Vd
= 0, y la corriente de entrada en los termi-nales es cero. Por lo
tanto: donde la tensión en el terminal positivo
será: El amplificador diferencial Configuraciones basadas
en los circuitos inversor y no inversor
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:
Aplicando el principio de 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. El amplificador diferencial
Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no
inversor
Aplicando el teorema de superposición, la tensión
de salida V0 = V01 + V02. Haciendo que R3=R1 y R4 =R2, se
tendrá que: La tensión de salida debida a V2,
suponiendo V1=0 (y consi-derando la ecuación de la
ganancia para el circuito inversor), valdrá: El
amplificador diferencial Configuraciones basadas en los circuitos
inversor y no inversor
En términos de ganancia: es la ganancia del AO para
señales en modo 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 (-) ). El amplificador
diferencial Configuraciones basadas en los circuitos inversor y
no inversor