Electrnica 1: Amplificadores operacionales UPAV

Introduccin En la dcada de los cuarenta, las calculadoras analgicas utilizaban circuitos electrnicos analgicos para realizar ciertas operaciones. La complejidad que presentaban se solucionaba al tomar una parte de la seal de salida e introducirla en la entrada (realimentacin). El nombre de amplificador operacional proviene precisamente de ser usado inicialmente para realizar operaciones analgicas. Cuando el AO se realimenta, el circuito trabaja en bucle cerrado.Cuando no existe realimentacin, opera en condiciones de lazo abierto. Por medio de redes de componentes pasivos (resistencias, condensadores, bobinas) se consigue una gran variedad de funcionalidades (inversor, no inversor, seguidor, sumador, integrador, etc.), respondiendo el sistema a la configuracin adoptada y a los valores de los componentes, sin que afecten las variaciones en las caractersticas del AO. Es decir, el sistema es independiente de la dispersin de de las caractersticas del AO debido a los procesos de fabricacin.

Definicin de terminales

Todas las diferencias de potencial son con respecto a masa. Dispone de dos terminales de entrada y uno de salida Y dos terminales para conexin de alimentacin +Vcc y Vcc. El A.O. solo tiene dos zonas de funcionamiento: Lineal: la salida toma valores comprendidos entre +Vcc y Vcc. Saturacin: la tensin de salida adquiere el valor de los dos valores de alimentacin +Vcc Vcc. La operacin que siempre realiza el A.O.

Alimentacin del amplificador operacional

Al menos es necesario aplicar una fuente de alimentacin continua, pudiendo ser las dos fuentes de tensin iguales pero de signo contrario respecto a masa (alimentacin simtrica), o diferentes (alimentacin asimtrica). La seleccin de los valores de tensin de alimentacin y el tipo de alimentacin depende de la aplicacin en la que deba trabajar. Las dos alimentaciones representan los lmites del rango de valores posibles de la tensin de salida del amplificador operacional, es decir, nunca la salida podr alcanzar el valor de tensin dado por la fuente de alimentacin. Se debe tener en cuenta que muchas veces no se muestran explcitamente las conexiones con las fuentes de alimentacin en los esquemas de circuitos electrnicos.

Realimentacin

Definicin Conectar o inyectar una seal de la salida con alguna de las entradas Una muestra de tensin o corriente en algn punto de la salida la llevamos a la entrada. Realimentacin positiva. Cuando la realimentacin se hace a la entrada no inversora. Circuitos inestables, hace a la entrada no inversora. Circuitos inestables, rpidamente la salida se satura a los valores mximo o mnimo (tensiones de alimentacin). Realimentacin negativa. Cuando la realimentacin se hace a la entrada inversora. La ganancia se reduce respecto al valor en lazo abierto y el circuito es ms estable.

Restriccin del cortocircuito virtual

Aproximando las caractersticas al modelo ideal, se facilitan los clculos teniendo en cuenta lo siguiente: La impedancia del operacional se considera infinita, por lo que las corrientes de entrada al operacional se pueden considerar nulas. Si existe realimentacin negativa, se puede considerar que las dos entradas se encuentran siempre al mismo potencial (siempre que no se llegue a la zona de saturacin). Decimos que existe un cortocircuito virtual entre ambas entradas, ya que aunque tienen la misma tensin, entre ellas no circula corriente. Esto se debe a que la ganancia del AO es tan elevada que unas dcimas de mili voltio de tensin diferencial entre las entradas satura la salida; por tanto, al realimentar negativamente, si ambas tensiones se desequilibran y dejan de ser iguales, la realimentacin negativa compensa esta diferencia y hace que las entradas tomen nuevamente el mismo valor. As pues, en lazo abierto las entradas pueden tener potenciales diferentes, ya que no existe ninguna realimentacin.Amplificador inversor La determinacin de la ganancia de tensin en bucle cerrado se realizar teniendo en cuenta la restriccin del cortocircuito virtual (con realimentacin negativa), las leyes de Kirchhoff y teniendo en cuenta que las corrientes en las entradas es nula.

Suponiendo que en la entrada inversora est al mismo potencial que la entrada no inversora, la corriente proveniente del generador de seal que circula por R1 tendr que continuar su camino por R2 hasta el terminal de salida.

Amplificador no inversor

Se trata de un amplificador con Av > 0. La ganancia viene dada por la relacin entre las resistencias de realimentacin. La impedancia de entrada es tericamente infinita, pues la corriente de entrada es cero. Al ser la ganancia independiente de la carga, la tensin de salida es independiente de la carga; por tanto, la impedancia de salida es cero.

Seguidor de tensin

Del amplificador no inversor, se puede deducir que la ganancia mnima es la unidad, si R2 es cero, o si R1 se deja en circuito abierto. La tensin de salida sigue a la entrada (seguidor). Se utiliza principalmente como etapa de adaptacin de la entrada al sistema, proporcionando una resistencia de entrada elevada. En el circuito inferior, en la etapa previa al inversor, se dispone de un seguidor para proporcionar a la etapa inversora la tensin del generador de seal exhibiendo adems una alta impedancia de entrada.

Sumador inversor

La salida es la inversa de la suma de las tensiones de entrada. La entrada no inversora est a masa, por lo que al tener realimentacin negativa la entrada inversora estar virtualmente a 0 voltios. Desde cada una de las entradas circula una corriente hacia la entrada inversora, que no tiene otro camino de salida que dirigirse a la salida del amplificador a travs de la resistencia de realimentacin. Aplicando la 1 Ley de Kirchoff, y la Ley de Ohm, se obtiene la tensin de salida en funcin de las de entrada.

Diferencial

La tensin de salida es una constante multiplicada por la seal diferencial de entrada (v1-v2). La ganancia para la seal de modo comn es cero.

Para minimizar los efectos de la corriente de polarizacin, se deberan seleccionar R2=R4 y R1=R3.