Amplificación: Las señales eléctricas

Amplificación:
Las señales eléctricas provenientes de los transductores que las
producen suelen ser débiles y , por lo tanto , insuficientes para ser
aplicadas directamente a los elementos de salida de cualquier
sistema electrónico. Pensemos en la señal generada por un
micrófono, el valor de tensión (amplitud) de la señal es en este caso
del orden de los 6 milivoltios (0.006 voltios) esta pequeña señal
aplicada a un parlante no produce ningún efecto sonoro. Por este
motivo se hace necesario colocar entre el transductor y el parlante
una o varias etapas que amplíen la señal sin desformarla. El
dispositivo que realiza esta función recibe el nombre de
amplificador.
Amplificar consiste en multiplicar la señal de entrada por un número
mayor que la unidad. Además de aumentar la señal aplicada, el
amplificador también tiene como misión realizar esta operación con
la menor distorsión o deformación posible. En este sentido es
posible hablar de un nuevo concepto denominado Ganancia que es
la relación entre el valor de la magnitud obtenida a la salida y el de
la entrada.
En nuestro curso haremos referencia a la ganacia de tensión como
la relación entre la amplitud (en voltios) de la señal de entrada al
amplificador y la amplitud de la señal a la salida del mismo.
Vout
= Gv
Vin
El Amplificador Operacional:
Es un dispositivo integrado en una sola pastilla (Chip) cuya
característica fundamental es su elevada ganancia de tensión.
Este dispositivo en combinación con otros elementos externos se
utiliza en aplicaciones tales como: amplificación, filtros activos,
generadores de señal, comparadores, etc.
La simbología del amplificador operacional se explica en la
siguiente figura:
VI
-
Vo
VN
+
Donde:
Vo : Terminal de salida del dispositivo
VI: Entrada inversora
VN: Entrada no inversora
Definimos al amplificador operacional con la siguiente característica:
Vo = A ( VN – VI)
En donde :
A : Ganancia de tensión a lazo abierto
VN : Amplitud de la señal conectada a la pata no inversora
VI : Amplitud de la señal conectada a la pata Inversora.
De esta forma podemos observar que se trata de un dispositivo que
amplifica diferencias.
Si consideramos además al dispositivo como ideal, el mismo tendrá
las siguientes características:
• Ganancia de tensión a lazo abierto infinita.
• Resistencia de entrada (considerada entre las patas inversora
y no inversora) infinita.
• Resistencia de salida cero.
Las características de un amplificador real (valores típicos) son
las siguientes:
Ganancia de tensión a lazo abierto : 100000 veces.
Resistencia de entrada : 1 MΩ.
Resistencia de salida : 100Ω.
En todos los cálculos y aplicaciones que realicemos utilizaremos
las características ideales del amplificador operacional.
Aplicaciones del AO como circuito a lazo abierto:
En todas las aplicaciones a lazo abierto la ganancia de
tensión que en el caso ideal es infinita hace que la señal de
salida sature a los valores de la alimentación del integrado
(+- Vcc).
Circuito comparador:
Utilizando esta característica vamos a explicar el funcionamiento del
comparador .
En el gráfico podemos observar que al conectar en la pata inversora
una señal senoidal , a la salida obtenemos una señal cuadrada y
además con la fase invertida con relación a la señal senoidal.
De acuerdo a la expresión: Vo = A ( VN – VI) , nos quedaría
Vo = A ( 0 Volt –3 volt) = - 0.2 Volt (valor de saturación negativo)
Podemos ver que si ingresamos la señal de entrada por la pata no
inversora la señal cuadrada que se obtiene a la salida conserva la
misma fase que la señal de entrada como podemos ver en la
siguiente figura:
En cualquiera de los dos casos estamos realizando una conversión
analógico – digital de la señal de entrada al amplificador.
Amplificador Inversor:
Explicaremos el funcionamiento de esta aplicación a partir del
circuito de la figura:
Llamaremos Rf = 100 KΩ y R1 = 10 KΩ.
Vemos que Rf / R1 = 10
La ganancia del amplificador inversor sera: G = - RF/ R1
En efecto si multiplicamos la ganancia por el valor de la señal de
entrada en este caso obtendremos:
500.91 mv .(- 10) = - 5 Volt
El signo negativo en la fórmula de la ganancia explica la inversión
de fase de la señal (o del signo de la misma si se trata de una señal
contínua).
Esto quiere decir que a diferencia del funcionamiento a lazo abierto
, ahora podemos controlar la ganancia del amplificador de forma tal
que la señal a la salida no sature.
Amplificador No Inversor:
En el circuito de la figura mostramos un amplificador no inversor
Aquí la señal de entrada se ingresa por la pata no inversora y el
lazo de realimentación se ubica en la pata inversora.
La expresión para la ganancia es:
G = (1+ Rf / R1)
Reemplazando los valores de los componentes en la fórmula de la
ganancia y obtenemos que para este caso
G = 10 veces
De forma tal que multiplicando la ganancia por el valor de la señal
de entrada nos da :
Vo = 5.02 Volt como podemos observar.
Amplificador Sumador:
En la configuración que se muestra el la figura , observamos que
tenemos tres señales de entrada que ingresan al sumador por la
pata inversora.
Este circuito es uno de los utilizados en las consolas de mezcla en
donde la señal que ingresamos corresponderá al canal de entrada
correspondiente ; podremos variar la amplitud de la señal que
estamos ingresando mediante un resistor variable lineal que es lo
que se realiza habitualmente moviendo los remos de la consola. A
la salida de la consola obtendremos la suma de las amplitudes de
las señales ingresadas a cada canal amplificadas una cantidad de
veces de acuerdo a la configuración del circuito.
En el caso de la figura la señal de salida Vo se obtiene mediante la
fórmula:
Vo = - Rf (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)
Como en este caso particular R1 = R2 = R3 = Rf
Vo = - ( V1+V2+V3) = -( 1 Volt + 1 Volt + 1 Volt) = - 3 Volt
Que es lo que se observa en el gráfico. Podemos ver que el signo
menos corresponde a la inversión de fase de la señal de salida con
relación a la señal de entrada por el hecho de que todas las señales
de entrada ingresan por la pata inversora del amplificador.
Nota: En el gráfico en rojo se representa Vo y en azul una de las
señales de entrada -
Filtros activos con Amplificadores Operacionales:
A diferencia de lo visto en el cuatrimestre anterior , los filtros
activos permiten amplificar la señal de entrada a los mismos de
acuerdo a las características de de cada filtro en cuestión.
Filtro pasa Alto de un polo:
La figura muestra un filtro pasa alto de un polo con una ganancia de
veces.
La frecuencia de corte del filtro está dada por la expresión:
Fc =
1
2π .R.C
en donde R y C son los elementos conectados en
serie a la entrada de la pata inversora, en este caso:
R= 100Ω
C= 1.6µf
Con estos valores se obtiene una frecuencia de corte de
aproximadamente 1000 Hz.
En el gráfico podemos ver que si ingresamos al filtro una señal de 5
Khz la señal de salida (en rojo) se ve amplificada 10 veces y
defasada 180º.
Esto se explica mediante la expresión que da la ganancia del filtro:
G = - Rf / R1 = - 1000Ω/100Ω = -10
Filtro Pasa bajos de un polo:
Si tenemos en cuenta los mismos valores anteriores pero ahora
conectamos los componentes formando el circuito que muestra la
figura obtenemos un filtro pasa bajos para una frecuencia de corte
de 1 Khz y una ganancia de 10 veces.
Las fórmulas en este caso son iguales a las anteriores pero
teniendo en cuenta que el resistor y el capacitor correspondiente
son los que aparecen conectados en paralelo en el lazo que
realimenta la salida con la entrada del circuito.
En los problemas correspondientes analizaremos la forma en que
se calculan y diseñan este tipo de filtros utilizando las curvas
características de los mismos.