Amplificadores Operacionales

AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES Objetivos:  Fundamentar sobre los conceptos de amplificadores operacionales.  Conocer y utilizar los distintos circuitos con amplificadores operacionales.  Implementar circuitos con amplificadores operacionales.  Compartir información, conocimientos y destrezas en la implementación de circuitos electrónicos analógicos.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES Las propiedades asociadas con el amplificador ideal son:  Ganancia infinita de voltaje (Av → ∞)  Impedancia de entrada infinita (Zin → ∞)  Impedancia de salida cero ( Zout → 0)  Vo = 0 cuando Va = Vb Ancho de banda infinito ( no hay atraso de la señal a través del amplificador) En la práctica, ninguna de estas propiedades puede lograrse, pero ellas son bastante aproximadas.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES En la Figura 1 se muestra la representación de un AO indicando los terminales externos que normalmente presenta. En esta Figura 1, +V y −V son las marcas de los terminales para la fuente de voltaje. Los terminales de compensación de frecuencia se usan para prevenir oscilaciones del circuito del AO.

El nombre de entrada inversora surge porque si la entrada no inversora se pone a tierra y si se aplica una señal a la entrada inversora, la salida estará desfasada 180º con respecto a la entrada.

Figura 1. Terminales de un amplificador operacional

Los amplificadores operacionales (AO) son llamados así porque podemos encontrar circuitos montados a base de estos amplificadores para realizar operaciones matemáticas, como por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores y otras funciones matemáticas, son elementos muy usados en la electrónica analógica.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) APLICACIONES

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La figura 2 muestra el símbolo electrónico típico de un amplificador operacional. Este concretamente es una cuarta parte del LM324 ya que vienen 4 amplificadores operacionales en un mismo circuito integrado. En este ejemplo, los pines 4 y 11 son de alimentación. Un amplificador operacional se puede alimentar con tensión sencilla o con tensión simétrica (dual). La tensión sencilla consiste en alimentar con dos cables, uno el positivo y el otro masa o tierra (por ejemplo a 12 voltios). La tensión simétrica consiste en alimentar el circuito con tres cables, uno el positivo, otro el de masa o tierra 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 se desea obtener en la salida: si en la salida se desea obtener tensiones positivas y negativas tendremos que usar la alimentación simétrica, si solo se desea obtener tensiones positivas podemos usar alimentación simple. Figura 2

También se debe tener en cuenta que ni las entradas ni las salidas del operacional podrán sobrepasar los límites marcados por la alimentación, es decir, si la alimentación es de 12 V no se debe esperar obtener 15 voltios a la salida. Los pines 2 y 3 son las entradas, y el 1 es la salida. 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.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) APLICACIONES Circuito Integrado (CI): LM324 Cuádruple Amplificador Operacional Cuatro amplificadores operacionales independientes con alta ganancia y compensados internamente en frecuencia. Operan desde una fuente de alimentación sencilla en un amplio rango de voltajes (también en +5V, como en sistemas digitales). El CI LM324 opera en un rango de alimentación de +3 a +32VDC, o de ±1.5 a ± 16VDC. La hoja completa de características técnicas y de aplicaciones se puede obtener en el sitio: http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf

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AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) APLICACIONES

Circuito Integrado (CI): LM358N Amplificador Operacional Dual de Bajo Consumo. Este IC esta compuesto de dos A.O independientes, con características de muy bajo consumo (500 μA), compensación interna de frecuencia, gran ganancia de voltaje DC (100dB), ancha banda de frecuencia(1MHz) entre otras. Otra ventaja de LM358 es la posibilidad de alimentación sencilla en un rango de 3 a 32V (doble ±1.5 a ±16V). La hoja completa de características técnicas y de aplicaciones se puede obtener en el sitio http://www.national.com/ds/LM/LM158.pdf

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AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) APLICACIONES

Circuito Integrado (CI): LM741 Amplificador Operacional sencillo de uso general, considerado un estándar de la industria, desde cuando ya hace un par de décadas, ha reemplazado el LM709. El A.O es compensado internamente y es protegido contra las sobrecargas en la entrada y la salida. En la mayoría de las aplicaciones es reemplazo directo, pin por pin de los CI: LM709C, LM201, LM301, MC1439, 748. La hoja completa de características técnicas y de aplicaciones se puede obtener en el sitio http://www.national.com/ds/LM/LM741.pdf

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CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Seguidor de Voltaje En la figura se muestra un AO que con la salida realimentada directamente a la entrada inversora constituye lo que se denomina un seguidor de voltaje (la salida es igual a la entrada). Esto se demuestra aplicando las leyes de Kirchhoff:

Se ve que

Como Av → ∞, entonces

El único camino a tierra para el voltaje de entrada es a través de la alta resistencia de entrada del amplificador, de modo que el seguidor de voltaje hace una buena etapa de aislamiento entre la fuente de voltaje y la carga. Una de las aplicaciones de esta configuración es para aislar la carga de los potenciómetros usados como divisores de voltaje, ya que esto permite que se comporten linealmente.

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Comparador de Voltaje En la figura se muestra un AO con señales de voltaje aplicadas en las entradas inversora y no inversora, en una configuración de lazo abierto. En este caso, el AO se satura debido a la alta ganancia Av y la salida Vo será

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Amplificador no inversor La configuración no inversora en la cual la ganancia de voltaje de circuito puede fijarse dentro de ciertos límites con los resistores R1 y Rf. Por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que va ≈ vi y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Amplificador Inversor Conectado Vin a la entrada inversora se obtiene un AO inversor como se muestra en la figura.

Por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Amplificador con Entrada Diferencial

Si se diseña el circuito de manera que R1 ≡ R11 = R12 y R2 ≡ R21 = R22 se tiene:

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Circuito Sumador

Aplicando al circuito las propiedades de los AO: vo = Av (Vb − Va), por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Circuito Sumador

Si se diseña el circuito de manera que R1 = R2 = R3 se tiene:

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Circuito integrador Aplicando al circuito las propiedades de los AO: Vo = Av (Vb − Va), por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:

CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Circuito Diferenciador Aplicando al circuito las propiedades de los AO: Vo = Av (Vb − Va), por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff: