Amplificadores Operacionales 1º parte

INTRODUCCIÓN A LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Si existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos analógicos ese elemento es
sin duda el amplificador operacional. Con él podremos amplificar señales, atenuarlas,
filtrarlas, etc. Los sistemas de control analógico encuentran en el amplificador
operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso años atrás fue
empleado para el diseño de computadoras analógicas (de ahí el nombre de
operacionales).
El conocimiento a nivel básico del amplificador operacional proporciona al diseñador
una herramienta de valor incalculable.
Partir del amplificador operacional sin siquiera conocer el funcionamiento del transistor
podría parecer un error. Esta consideración pierde importancia si tenemos en cuenta que
en la actualidad el transistor como componente discreto ha quedado relegado a usos
muy puntuales, siendo su coste similar al de un amplificador operacional. Ante esta
situación, la respuesta correcta es disponer en primer lugar de los conocimientos
necesarios para operar con amplificadores operacionales y posteriormente abordar la
teoría clásica de transistor, por ser esta última más compleja.
EL MODELO IDEAL
Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico activo siendo capaz de
ofrecer una tensión de salida en función de una tensión de entrada. Vamos a considerar
única y exclusivamente el amplificador operacional ideal, que aun no existiendo en la
vida real, es una aproximación muy precisa y perfectamente válida para el análisis de
sistemas reales. Un amplificador operacional presenta cinco patillas. Dos de ellas son
las entradas del dispositivo; la primera de ellas llamada entrada inversora se halla
indicada en los esquemas con un signo menos, la otra denominada entrada no inversora
se indica mediante un signo más. Otro de las patillas del amplificador operacional
corresponde a la salida del dispositivo mientras que las dos restantes corresponden a la
alimentación requerida por el dispositivo (±Vcc).
Una vez nos hemos familiarizado con las patillas podemos pasar a indicar las
características de un amplificador operacional. Debido a que en ningún momento
entraremos en el diseño interno del circuito deben ser asumidas. Recordamos una vez
más que son características teóricas, si bien las reales se aproximan a las teóricas:

Ancho de banda infinito (podemos trabajar con señales de cualquier frecuencia).

Tiempo de conmutación nulo

Ganancia de tensión infinita.

Impedancia de entrada infinita.

Impedancia de salida nula.

Tensión de desplazamiento nula (si bien no es estrictamente cierto, diremos que
la diferencia de potencial entre las entradas inversora y no inversora nula).
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
Margen dinámico ±Vcc (la tensión de salida puede a nivel teórico alcanzar el
valor de la tensión de alimentación, en la práctica se aproxima pero no puede ser
igual ya que se producen saturaciones en el dispositivo).
Son llamados amplificadores operacionales porque podemos encontrar circuitos
montados a base de estos amplificadores que realizan operaciones matemáticas, como
por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores... Etc. Son
elementos muy usados en la electrónica analógica
Un amplificador operacional se puede alimentar con tensión sencilla o con tensión
simétrica. La tensión sencilla consiste en alimentar con dos cables, uno el positivo y el
otro masa (por ejemplo a 12 voltios). La tensión simétrica consiste en alimentar el
circuito con tres cables, uno el positivo, otro el de masa y otro el negativo, con la misma
tensión que el positivo pero negativa (por ejemplo ±12)
La diferencia entre usar un tipo o el otro de alimentación está en lo que queramos
obtener en la salida: si en la salida queremos obtener tensiones positivas y negativas
tendremos que usar la alimentación simétrica, si solo queremos obtener tensiones
positivas podemos usar alimentación simple. También tendrás que tener en cuenta que
ni las entradas ni las salidas del operacional podrán sobrepasar los límites marcados por
la alimentación, es decir, si alimentas a 12 V no esperes obtener 15 voltios a la salida.
Los pines 2 y 3 son las entradas, y el 6 es la salida (A.O. 741). A la hora de analizar
circuitos con amplificadores operacionales se dice que la corriente por las entradas
inversora y no inversora del operacional es cero , quédate bien con esta idea porque es
muy importante.
Observarás en el símbolo que una de las entradas tiene el signo + y en la otra el signo -.
A la que tiene el signo + se le llama entrada no inversora, y a la que tiene el signo entrada inversora. El funcionamiento del amplificador operacional depende del resto del
circuito. De momento, lo único que puedo decir es que el amplificador operacional "lee"
la tensión en la entrada no inversora, "le resta" la tensión de la entrada inversora, el
resultado lo multiplica por un número muy grande y eso lo saca por la salida. Esto
quizás no te ayude mucho a entender los circuitos con amplificadores operacionales
pero poco a poco lo irás entendiendo.
Análisis de circuitos con realimentación negativa:
Introducción
Se dice que un circuito con operacionales tiene realimentación negativa parte de la
salida o toda se reconduce a la entrada inversora. Cuando nos encontramos con un
circuito con realimentación negativa tenemos que entender que el operacional, por su
forma de funcionar, variará la salida de tal forma que la tensión de la entrada inversora
será igual a la de la entrada no inversora. Esta es otra idea importante que tienes que
tener en cuenta.
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El ejemplo de circuito más sencillo con este tipo de realimentación es el siguiente:
Como ves en la figura, la tensión de salida se introduce directamente por la entrada
inversora, esto quiere decir que nos encontramos ante un circuito con realimentación
negativa, por lo tanto podemos decir que la tensión en la entrada no inversora es igual a
la de la entrada inversora. Por lo tanto hallamos directamente la tensión de salida, que
será igual a la tensión de entrada (Vin=Vout). A este circuito se le llama "seguidor de
tensión" ya que la salida es idéntica a la entrada.
3.2. Amplificador inversor
Partimos de nuestro amplificador operacional:
Ahora le vamos a añadir una resistencia R1 desde la entrada + a masa:
Tienes que recordar que la corriente que entra por cualquiera de las dos entradas del
operacional es cero, por lo tanto no circulará corriente por R1 y la tensión en la entrada
+ será 0 (V=I*R1=0*R1=0). Es lo mismo que si conectáramos la entrada + a masa
directamente, pero se pone una resistencia porque el circuito trabaja mejor. Puedes
probar a no ponerla y verás que el circuito también funciona.
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A continuación le ponemos la realimentación negativa mediante una resistencia R2:
Ya podemos decir que estamos ante un circuito con realimentación negativa, asi que
podemos decir que la tensión en la entrada + es igual a la tensión de la entrada -, es
decir, 0.
Pero nos falta por poner la entrada del circuito, la entrada la pondremos mediante R3 de
la siguiente manera:
Este es el amplificador inversor completo, y todo lo que hemos dicho hasta ahora se
cumple, así que pasemos a analizarlo. Para ello nos apoyaremos en el siguiente gráfico,
que muestra todas las corrientes y tensiones del circuito
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Todos los circuitos con operacionales se analizan de forma muy parecida, asi que presta
atención. Buscamos una ecuación matemática que nos relacione la entrada con la salida.
Primero hayamos la expresión de la corriente de entrada I1. Para ello tienes que tener en
cuenta la tensión a la que esta sometida R3. Que será Vin-0=Vin. Siempre la tensión en
una resistencia vendrá dada según la dirección en que pintemos la corriente, y será: la
tensión del lado de la resistencia por donde entra la corriente menos la tensión del lado
de la resistencia por donde sale. Por lo tanto según la ecuación
Si observamos la figura y recordamos que por la entrada del operacional
no iba corriente alguna llegamos a la conclusión de que I2 = I1, así que calcularemos de
la misma forma I2 y la igualaremos a I1. Según esto escribiremos
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Igualando I2 e I1:
Según la expresión obtenida llegamos a la conclusión de
que la tensión de salida Vout es la de entrada cambiada de signo y multiplicado por una
constante (R2/R3). A esto se le llama Ganancia del circuito. Este circuito tiene una
ganancia (Av) negativa de
-(R2/R3) y por lo tanto podemos escribir que:
Av = _ R2
R3
Ganancia del circuito
Aplicación práctica:
El amplificador operacional empleado es el 741:
En este circuito la Av = - 56K / 27K = -2,07 para la comprobación puedes seguir los
siguientes puntos:
. Ajustar Vin mediante el potenciómetro a 4 voltios
. Medir Vout con respecto a masa y comprobar que Vout = -2,07 * Vin = 8,28V (se
aproxima mucho, ten en cuenta las tolerancias de las resistencias)
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. Medir las tensiones en las entradas + y - y comprobar que son 0 voltios
. Cambiar Vin y volver a medir Vout, comprueba que al aumentar Vin llega un
momento en el que la salida del operacional no puede seguir bajando, habrás llegado a
la "tensión de saturación" del operacional. Al disminuir Vin acabará pasando lo mismo
con la salida.
. Prueba a quitar R1 y conecta la entrada no inversora directamente a masa. El circuito
sigue funcionando correctamente, sin embargo es aconsejable la colocación de esta
resistencia R1 y ha de ser de valor:
3.3. Amplificador no Inversor:
En este tipo de amplificador, a diferencia del inversor, la entrada Vi entrará
directamente por la entrada no inversora del amplificador operacional (entrada +):
A continuación pondremos la realimentación negativa por medio de la resistencia R1:
Para terminar el circuito añadimos la resistencia R3 de la forma siguiente:
Ahora vamos a hallar la relación entra la salida y la entrada. Recuerda una vez más que
las tensiones en la entrada no inversora y la entrada inversora son iguales y que la
corriente de entrada al operacional es cero, por lo tanto I1 es igual a I2. Así que no
tenemos mas que calcular las dos por separado y luego igualarlas:
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Tensión de R2 = Vi
Tensión de R1 = Vo-Vi
Igualando I1 e I2
Por lo tanto, este circuito tiene una ganancia en tensión Av = 1 + R1 / R2 . Esto quiere
decir que la salida será Av veces la entrada, sin invertirse la señal ya que Av es positiva.
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Aplicación práctica:
Para que veas que todo lo que se ha dicho es cierto te invito a que montes el siguiente
circuito y compruebes tu mismo con un voltímetro que todo esto se cumple en la
práctica. El amplificador operacional empleado es el 741:
En este circuito la Av = 1+ 47K/33K = 2,42
. Ajusta la tensión de entrada a 4 voltios mediante el potenciómetro de 10K y
comprueba que la salida es Vo = Av * 4 = 9,7 voltios
. Mide la tensión en las entradas inversora y no inversora y comprueba que son
iguales.
. Varía el potenciómetro a tu gusto y comprueba que siempre se cumple que
Vo = Av * Vi
. Llega un momento que Vo no puede subir ni bajar más => tensión de saturación
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