AMPLIFICADORES OPERACIONALES Una de las aplicaciones más importantes en la instrumentación electrónica es precisamente la amplificación. En el mundo que nos rodea, la necesidad de amplificar señales eléctricas de bajo nivel aumenta cada día y en un sin número de aplicaciones, que son de gran interés para todos los ingenieros no electricistas, tal como, la amplificación de señales de baja potencia de los transductores, por ejemplo: bioelectrodos, medidores de deformación, termistores, etc. En cualquier aplicación práctica de la electrónica, los amplificadores operacionales son esenciales, pues tienen gran variedad de aplicaciones que van desde el diseño de fuentes de voltaje controladas, hasta filtros y son básicos para entender las operaciones de las computadoras análogas. Este capítulo tiene como principal objetivo, crear los conocimientos fundamentales de los Amplificadores Operacionales básicos, aspectos relacionados con su ganancia de voltaje y aplicaciones. El modelo utilizado se basa en conceptos previamente estudiados en el capítulo 1, especialmente el análisis nodal. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL El amplificador operacional es un circuito integrado (CI, Figura 3.1), es decir, una colección grande de circuitos individuales eléctricos y electrónicos integrados en una sola pastilla de silicio. Es un elemento activo con una ganancia muy alta, diseñado para emplearse con otros elementos para efectuar una operación de procesamientos de señales específicas. Además posee una alta impedancia de entrada (MΩ) y una baja impedancia de salida (menor a los 100 Ω). Los usos más típicos de los AO: .- Proporcionar cambios de amplitud y de fase .-Osciladores .-Filtros .- Circuitos de instrumentación CIRCUITO ELECTRONICO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL El primer amplificador operacional monolítico, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por BOB WIDLAR. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de WIDLAR, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar. R.A. Un A.O. puede llevar a cabo operaciones como sumar, filtrar o integrar; las cuales se basan en las propiedades de los amplificadores ideales y de los elementos ideales del circuito. Amplificador Operacional 741(circuito integrado) CIRCUITO BASICO DEL AMPLIFICADOR OPARACIONAL Parámetro Valor ideal Valor real Rin ∞ 10 TΩ Rout 0 100 Ω Bw ∞ 1 MHz G ∞ 100.000 Ac 0 R.A. SIMBOLO Los circuitos integrados operacionales constan de uno a cuatro amplificadores operacionales en un solo CI. El 741, cuyas terminales están identificadas en la figura 3.1, es uno de los Amplificadores Operacionales más utilizados en la práctica. CICUITO DE ALIMENTACION DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL EL AMPLIFICADOR OPARACIONAL SE ALIMENTA CON 2 FUENTES DE ALIMEMTACION SIMETRICAS, POR ESO TENEMOS Vcc Y -Vee, R.A. Un A.O. ideal tendrá; una ganancia de voltaje infinita (Av = ∞), una impedancia de entrada infinita (Zi = ∞) y una impedancia de salida cero (Zo = 0). Un A.O. real hace un intento para igualar estas características, en la figura 3.3 se proporcionan algunos de sus valores característicos. Características de un Amplificador Otra de las características importante de los amplificadores, es la relación de fase entre señales de entrada y salida. El AO, tal como lo indica la figura 3.2, tiene dos entradas y una salida, la cual puede estar o no en fase con la señal de entrada, dependiendo del terminal por el cual se alimente el mismo. En la figura 3.34, se pueden apreciar las principales formas de operación de un AO, las figuras a y b corresponden a la operación en una sola terminal, la c es la operación en doble terminal o diferencial , la d es salida en doble terminal y la e en modo común. Vi = Señal de entrada al AO Vo = Señal de salida del AO Vd = Voltaje diferencial Vc = Voltaje común Ad = Ganancia diferencial del amplificador Ac = Ganancia en modo común del amplificador Operación en modo diferencial y modo común Entradas Diferenciales: Entradas Comunes: Voltaje de Salida : Relación de Rechazo en modo Común: Es una característica importante de la conexión diferencial, mediante la cual se atenúa la señal común a ambas entradas y se amplifica la señal diferencial. Lo ideal es que su valor sea infinito, en la práctica mientras mayor sea el valor CMRR, mejor será la operación del circuito. Esta relación viene dada por la siguiente expresión: En este caso, el voltaje de salida puede expresarse en función de la relación de rechazo en modo común como: ¿Qué se entiende por Ganancia de voltaje en un amplificador? ¿De qué manera, o por qué, mejorará la operación de un AO si CMRR es muy alta? Ejemplo 3.1.Calcular el valor de CRM, para las mediciones dadas en los circuitos de la figura 3.5. (a) y (c). Con los datos obtenidos en la figura 3.5 (a), tendríamos un voltaje diferencial (Vd) tal como lo indica la figura 3.5 (b), al aplicar la siguiente ecuación: Calculamos entonces la ganancia de voltaje diferencial: Cuando el A.O. opera en modo común, tenemos la figura 3.5 (c) y (d), la ganancia de voltaje en modo común (Ac), viene dada por la siguiente expresión: Luego, procedemos a calcular efectivamente la relación de rechazo en modo común (CMRR) : Esta relación también puede expresarse en decibeles, de acuerdo a la siguiente ecuación:
