amplificadores operacionales
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AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
Introducción.-
Son circuitos integrados con un nivel de componentes y estructura interna complicada por
lo que los vamos a estudiar desde fuera como cajas negras. Su símbolo es el siguiente:
El objeto de un amplificador electrónico, es elevar el valor de la tensión, corriente o
potencia de una señal variable en el tiempo, procurando mantenerla lo más fiel posible.
Los parámetros que caracterizan a un amplificador son los siguientes:
Dónde:
A = ganancia del amplificador.
Ve = tensión de entrada.
ie = Intensidad de entrada.
Ze = Impedancia de entrada.
Vs = tensión de salida.
is = Intensidad de salida.
Zs = Impedancia de salida.
La ganancia (A), es la relación entre la salida y la entrada. Se puede distinguir entre
ganancia de tensión, corriente y potencia.
Av = Vs/Ve ganancia de tensión.
AI = is/ie ganancia de corriente.
Ap = Ps/Pe = Av.AI ganancia de potencia.
Ninguna tiene unidades.
Historia.-
Los primeros años del amplificador operacional no fueron los de un circuito integrado de 8
patitas. Este amplificador operacional era un tubo al vacío.
El Sr. George Philbrick, que trabajaba en los Huntington EngeneeringLabs, y a quien se le
atribuye su invención, lo introdujo al mercado en el año 1948.
La idea principal de estos "operacionales" originales era la de ser utilizados en
computadoras analógicas, para sumar, restar, multiplicar y realizar operaciones más
complejas.
Fue la empresa Fairchild la que en los años 1964 y 1967 introdujo al mercado los
conocidos Amplificadores operacionales 702, 709 y 741. Y la NationalSemicoductor hizo
lo mismo con el 101/301.
Estos circuitos integrados son muy versátiles, de bajo precio, tamaño pequeño, con
excelentes características y redujeron el diseño de un amplificador a la adición de unos
resistores.
Con el paso de los años y la mejora en la tecnología de fabricación, los amplificadores
operacionales mejoraron notablemente. En su configuración interna se reemplazaron
unos transistores bipolares por transistores de efecto de campo (JFET).
Estos amplificadores JFET están a las entradas del amplificador operacional
incrementándose así la impedancia de entrada de este.
El operacional puede ahora amplificar señales que pueden tener la amplitud de la fuente
que los alimenta y tomar muy poca corriente de la señal de entrada. Los transistores MOS
(semiconductor de óxido metálico) se pusieron en los circuitos de salida.
El primer amplificador (BIFET) con transistores de efecto de campo fue en LF356. El
amplificador operacional BIMOS como el CA3130 tiene entradas bipolares y salida MOS
(de allí viene el nombre). Estos últimos amplificadores son más rápidos y tiene unas
respuesta mejor a las altas frecuencias que el conocido 741.
Hay versiones de varios operacionales en un solo integrado como el LM358 con 2 y el
LM324 con 4 amplificadores operacionales juntos.
En algún momento se tuvo que especializar el amplificador de propósito general que
hasta ahora se había utilizado y salieron al mercado una gran variedad del original:
- Capacidad de alta corriente, alto voltaje o ambos
- Amplificadores múltiples
- Amplificadores de ganancia programable
- Amplificadores de instrumentación y control automotriz
- Circuitos integrados para comunicaciones
- Circuitos integrados para radio / audio / video
Los amplificadores operacionales de propósito general no dejarán de usarse debido a su
gran demanda e infinidad de posibles aplicaciones, pero los amplificadores
operacionales de propósito específico como los de la lista anterior seguirán aumentando
con el avance de la tecnología.
El amplificador operacional (AO), es un amplificador que posee, dos entradas
activas referidas a masa (entrada diferencial); la entrada inversora (-), y la no
inversora (+). Tiene una salida y se alimenta con tensión simétrica (dos fuentes de
tensión).
Las características del AO ideal son:
- Ganancia de tensión en lazo abierto (A0) infinita.
- Impedancia de entrada (Ze) infinita.
- Impedancia de salida (Zs) cero.
El A.O. es un dispositivo amplificador cuyas características de funcionamiento se
aproximan a las de un amplificador ideal: ganancia infinita, salida nula en ausencia de la
señal de entrada, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero, ancho de
banda infinito y tiempo de subida nulo.
Las características de un A.O. real difieren de las propias de un A.O. ideal. No obstante,
un A.O. típico está caracterizado por las siguientes propiedades sustancialmente
aceptables: elevada ganancia en tensión, alta impedancia de entrada, ancho de banda
amplio (partiendo desde c.c.), baja tensión de offset, mínima distorsión, nivel de ruido
reducido, etc.
Como se observa en la figura 1, el amplificador operacional posee dos entradas: una
INVERSORA (-) y otra NO INVERSORA (+) y una salida asimétrica referida a masa.
Si la señal se mete por la inversora, la señal de salida aparecerá invertida 180° respecto a
la excitación. La alimentación se realiza por medio de dos fuentes simétricas, una +Vcc, u
otra -Vcc, Esta circunstancia permite centrar la señal de salida respecto al nivel de
referencia f (masa).
Existen dos tipos de funcionamiento básico: sin realimentación o en BUCLE ABIERTO y
con realimentación o en BUCLE CERRADO.
Normalmente se usa en BUCLE CERRADO. La red de realimentación determina la
función que realiza el montaje, permitiendo la construcción de amplificadores asimétricos,
osciladores, integradores, diferenciadores, sumadores, restadores, comparadores, filtros,
etc.
Las limitaciones de este tipo de dispositivos quedan determinadas por las características
del fabricante.
Configuración cascada.-
La amplificación de la señal se efectúa por etapas: la salida de una excita la entrada de la
etapa siguiente.La ganancia general del amplificador en cascada es el producto de las
ganancias de las etapas.
Etapas.-
Primera etapa, proporciona una alta resistencia para evitar pérdida del nivel de
señal cuando el amplificador se alimenta con una fuente de alta resistencia.
La función de las etapas intermedias de la cascada de un amplificador es
proporcionar el grueso de la ganancia de voltaje.
Etapa salida de un amplificador: proporciona una baja resistencia de salida con el
fin de evitar pérdida de ganancia.
VNVVV AAAA ...21
La carga en el primer amplificador es la resistencia de entrada del segundo
amplificador.
No es necesario que las diferentes etapas tengan las mismas ganancias de tensión y
de corriente.
Amplificador operacional ideal.-
En el modelo de amplificador ideal, la salida del amplificador se obtiene a través de la
siguiente expresión:
Esta expresión nos dice que la salida del amplificador es directamente proporcional a la
diferencia de potencial Vd en la entrada. Designaremos a la constante de
proporcionalidad A como ganancia en lazo abierto. Con esta definición podemos decir
también que el amplificador operacional es diferencial ya que la salida depende de la
diferencia de tensión en sus entradas.
‘A’ es una constante para cada amplificador y sus valores son muy altos (>200000 para
amplificadores reales). En lazo abierto significa que la ganancia del propio dispositivo sin
conectar a nada.
Propiedades del amplificador operacional ideal.-
1.- La ganancia en lazo abierto A es infinita.
2.- Las resistencias que se ven desde cada una de los terminales de entrada son
infinitas o, lo que es lo mismo, las intensidades de entrada I- e I+ son nulas.
3.- La impedancia de carga de un circuito conectado en cascada con OP no influye en la
tensión de salida. Esto significa que, si tenemos el equivalente del amplificador de la
forma.
Amplificador de diferencia.-
Realiza la resta o diferencia entre las dos señales de entrada.
El A.O funciona como inversor y no inversor.
Aprovechando el desfase del inversor se puede realizar la resta o diferencias entre
las dos señales de entrada.
LM 741.-
La serie LM741 son amplificadores operacionales de propósito general que ofrecen un
mejor rendimiento frente a los estándares industriales, como el LM709. El LM741 es el
remplazo directo de los CIs: 709C, LM201, MC1439 y 748 en la mayoría de las
aplicaciones. Los amplificadores ofrecen muchas características que hacen que su
utilización sea casi infalible: Protección de sobrecarga en la entrada y la salida, su salida
no queda con tensión cuando se excede el rango en modo común, ausencia de
oscilaciones.
Los LM741C/LM741E son idénticos a los LM741/LM741A salvo que el LM741C/LM741E
tienen su funcionamiento garantizado en un rango de temperaturas de entre 0 ºC a +70
ºC, en lugar de -55 ºC a +125 ºC.
Diagrama de conexión.-