OPAM como seguidor de voltaje.

Un amplificador operacional seguidor de voltaje u opamp seguidor de voltaje hace que la salida siga a la entrada es decir el voltaje de salida es el mismo voltaje de entrada. Al presentar una alta impedancia de entrada (por el orden de Megas de Ohm o más) se garantiza una baja potencia de entrada que a su vez garantiza que la señal de entrada no se distorsionara al conectarse al pin no inversor y además que la señal de entrada quedara en su totalidad en la impedancia de entrada. Al presentar una muy baja impedancia de salida (por el orden de Ohms) se garantiza que haya una transferencia total de potencia a la RL de salida. Por esta razón al Opamp seguidor también se le conoce como buffer y se usa para acoplar impedancias.

En caso que la señal de entrada “vi” presente una RS, para balancear el circuito (eliminar corriente de Bias) en vez de corto circuitar el pin inversor y la salida se debe colocar una resistencia del valor de RS entre el pin inversor y la salida.

Ejemplo de aplicación. Diseñe una fuente variable de 0 voltios a 10 voltios que de una corriente máxima de 20 mA. Puede usar una fuente fija de 12 voltios.

Solución. La manera más simple de realizar esta fuente variable es usando un amplificador seguidor. Para variar el voltaje se usará un potenciómetro de 10kΩ. El amplificador seguidor aislará la entrada y la salida haciendo que la resistencia de carga sin importar su valor no afecte el voltaje de entrada, también se encargará de suministrar la corriente de salida para la carga. Se usará el amplificador operacional lm324 que permite polarización simple. El circuito es el siguiente:

OPAM como circuito comparador

El opamp comparador es la única aplicación del amplificador operacional en lazo abierto. Realiza la comparación de dos señales de entrada y de acuerdo al resultado hace que la señal de salida se ponga en alto o en bajo. Debido al alto valor que presenta la ganancia diferencial Ad del amplificador operacional al existir una diferencia entre -IN (pin inversor) y +IN (pin no inversor) automáticamente el amplificador se satura, cuando -IN es menor que +IN la salida vo es igual a VOH, cuando -IN es mayor que +IN la salida vo es igual a VOL. 

Las variaciones de vo no son instantáneas, sino que están limitadas a la velocidad de respuesta del Opamp también conocida como slew rate (tasa de cambio), es decir el tiempo para conmutar de VOL a VOH o viceversa está limitada a un tiempo mínimo. Este tiempo de respuesta esta dado por la siguiente ecuación:

El voltaje de salida vo esta dado por la siguiente ecuación:

En vista que la ganancia diferencial es muy grande (idealmente tiende a infinito) se supondría que vo también tendría valores muy grandes, pero en realidad la salida estará limitada entre VOH y VOL, entonces la señal de salida estará dada por las siguientes ecuaciones:

Ahora idealmente VOH y VOL son los mismos voltajes de polarización V+ y V- respectivamente, pero en la práctica VOH es un poco menor que V+ y VOL es un poco mayor que V-.

Ejemplo didáctico practico. Se usa el amplificador UA741 configurado como comparador. Por la entrada -IN (pin inversor) está un divisor de voltaje de 6 voltios y por la entrada +IN (pin no inversor) está un potenciómetro de 10kΩ. La salida es un led conectado en serie con una resistencia de 1kΩ. Cuando la señal de voltaje del potenciómetro supere la del divisor de voltaje el led se prendera y cuando sea menor el led se apagará. Además, se hace uso de una fuente simple de 12 voltios.

OPAM como circuito inversor (amplificador inversor).

Un Opamp Inversor o amplificador operacional inversor, invierte la señal de entrada y le da una ganancia de acuerdo al valor que tomen RF y R1, la ganancia puede ser menor que uno, igual a uno o mayor que uno. ¡¡¡¡OJO!!!! La señal de entrada se invierte no se desfasa 180 grados. Presenta una impedancia de entrada igual a R1 es decir presenta una muy mala impedancia de entrada comparado con un Opamp seguidor o con un Opamp no inversor. La impedancia de salida es pequeña (por el orden de Ohms) que garantiza que la totalidad de la señal de salida quede en la carga (RL). Por ultimo y muy importante la ganancia del amplificador (A), será el resultado de dividir la tensión de salida entre la tensión de entrada. (RF = R2)

Para balancear el circuito basta con poner una resistencia de valor igual al paralelo entre RF y R1 en el pin no inversor. Esta resistencia no afecta el análisis del Opamp inversor.

Ejercicio 1. Diseñe un amplificador inversor con una ganancia de 5. La señal de entrada será 0.2Vp a una frecuencia de 1Khz. El circuito debe quedar balanceado. Se escoge RF de un valor de 10k ohmios

OPAM como circuito NO inversor (amplificador NO inversor).

Un amplificador operacional no inversor u Opamp no inversor como su nombre lo dice no invierte la señal de salida, presenta una ganancia mayor o igual que uno de acuerdo al valor que tomen las resistencias RF y R1. La entrada es por el pin no inversor. La impedancia de entrada es alta (por el orden de los Megas de Ohm) con lo que se garantiza una baja potencia de entrada y la no distorsión de la señal de entrada. Tiene una baja impedancia de salida (por el orden de Ohms) con lo cual se asegura que la totalidad de la señal de salida caerá en la RL. Para balancear el circuito basta con colocar una resistencia en serie a la entrada de valor igual al paralelo de RF y R1. Esta resistencia no afecta el análisis del Opamp no inversor.

OPAM como sumador inversor.

Un amplificador operacional sumador inversor u opamp sumador inversor tiene múltiples entradas por el pin inversor que se suman y se invierten. El vo estará dado por cada entrada multiplicada por su peso que a su vez estará dado por la división de RF sobre la resistencia que presente cada entrada. (en otras palabras, la ganancia total del circuito será igual a la suma de las ganancias de cada entrada del circuito). En esta configuración cada entrada tiene su propia impedancia de entrada que será la misma resistencia de entrada que presente, es decir la entrada v1 presentara una impedancia de entrada R1 y así también las demás entradas, solo hay una impedancia de salida que está en el orden de Ohms.

Para el balanceo del circuito (eliminar corriente de bias) se debe colocar una resistencia en el pin no inversor de valor igual al paralelo de todas las resistencias de entrada y RF.

Ejemplo 1. Realice el diagrama para un amplificador sumador que tenga la siguiente señal de salida: Compense el circuito para eliminar el error de Bias.

Respuesta. Primero se escoge la RF, se escogerá 3k ohmios (se puede escoger cualquier otro valor, preferiblemente múltiplo de las ganancias). Se halla el valor de las resistencias de entrada:

La resistencia de compensación que se coloca en el pin no inversor debe tener el valor del paralelo entre RV1, RV2, RV3 y RF, es decir un valor de 545 ohmios. El circuito queda de la siguiente manera:

OPAM como sumador NO inversor.

Un amplificador operacional sumador no inversor u opamp sumador no inversor tiene múltiples entradas en el pin no inversor que se suman y no se invierten. Al igual que en un sumador inversor cada entrada tiene su propia impedancia de entrada que esta por el orden de 100 Mega Ohmios o más y solo hay una impedancia de salida que esta por el orden de Ohms.

El valor de la resistencia RX para balancear el circuito, está dado por la siguiente ecuación:

Donde RF es la resistencia de realimentación, RP es el paralelo entre las resistencias de entrada, además si el signo del resultado es negativo la resistencia se coloca del pin inversor a tierra y si el resultado es positivo la resistencia se coloca del pin no inversor a tierra. Observe los dos ejemplos que se muestran a continuación para aclarar este concepto.

Ejemplo 1. Realice el diagrama para un amplificador sumador que tenga la siguiente señal de salida:

Desarrollo. Se escoge 3k ohmios como resistencia de RF (se puede escoger cualquier otro valor preferiblemente múltiplo de las ganancias). Entonces las resistencias de entrada están dadas por:

El paralelo RP entre las tres resistencias de entrada RV1, RV2 y RV3 es de 4736 ohmios. Se tiene entonces que RX tendrá el siguiente valor:

En vista de que el resultado es positivo, la resistencia RX se coloca del pin no inversor a tierra.

Ejemplo 2. Realice el diagrama para un amplificador sumador que tenga la siguiente señal de salida:

Desarrollo. Se escoge 3k ohmios como resistencia de RF (se puede escoger cualquier otro valor, preferiblemente múltiplo de las ganancias). Entonces las resistencias de entrada están dadas por:

El paralelo RP entre las tres resistencias de entrada RV1, RV2 y RV3 es de 666 ohmios, entonces RX está dada por:

El signo menos indica que la resistencia RX se coloca del pin inversor a tierra.

OPAM como circuito restador.

El siguiente proyecto es un amplificador restador también llamado amplificador diferencial. Es una aplicación del amplificador sumador restador en donde a una señal A1v1 se le resta una señal A2v2. El circuito es el siguiente:

Las ecuaciones de diseño son las siguientes:

Tenga en cuenta:

- El valor de RF es libre, aunque es preferible que sea múltiplo de las ganancias A1 y A2.

- Rx tiene dos funciones, ajustar las ganancias de las entradas v1 y v2, y balancear el circuito (eliminar corriente de bias).

- Si el resultado de Rx es positivo la resistencia Rx se coloca del pin no inversor a tierra, si el resultado de Rx es negativo la resistencia Rx se coloca del pin inversor a tierra.

OPAM como amplificador integrador.

Un amplificador integrador realiza la función matemática de la integración es decir la señal de salida es la integral de la señal de entrada. El circuito es como se muestra a continuación:

La ecuación de salida es la siguiente:

Donde k representa la carga inicial del condensador. El amplificador integrador presenta el inconveniente de que, si la señal de entrada es una señal dc o tiene una componente dc, se satura y ya no integra. Este problema no se puede solucionar, pero se puede controlar agregando una resistencia en paralelo al condensador que lo que hará es limitar la ganancia en dc del integrador. El circuito queda de la siguiente manera:

La ecuación de salida aproximada es la siguiente:

Donde vac es la componente ac de la señal de entrada y vdc es la componente dc de la señal de entrada. Por lo tanto, si la señal de entrada no tiene componente dc la señal de salida es la siguiente:

Y si la señal de entrada no tiene componente ac la señal de salida es la siguiente:

Los valores de las resistencias RF y R varían dependiendo de la componente ac de entrada, si es una señal senoidal, cuadrada o triangular. Las ecuaciones de diseño son las siguientes:

Tenga en cuenta:

- R+ es una resistencia que se coloca para balancear el circuito (eliminar corriente de bias).

- La función de RF es limitar la ganancia de la componente dc de la señal de entrada.

- A es la ganancia de la componente ac de la señal de entrada.- El valor de C es libre.- Normalmente el voltaje offset por defecto que tiene un amplificador operacional está en el orden de los milivoltios.

Ejemplo 1. Realice un amplificador integrador para una señal senoidal de 1vp y una frecuencia de 10kHz con ganancia de 1.

Solución. Se escoge C de un valor de 10nF. Ahora se halla R:

Ya con R se halla ahora RF:

Y finalmente se halla R+:

El circuito final es el siguiente:

Ejemplo 2. Realice un amplificador integrador para una señal cuadrada bipolar de 1vp y una frecuencia de 10kHz con ganancia de 2:

Solución. Se escoge C de un valor de 10nF. Ahora se halla R:

Ya con R se halla ahora RF:

Y finalmente se halla R+:

El circuito final es el siguiente:

Ejemplo 3. Realice un amplificador integrador para una señal triangular bipolar simétrica de 1vp y una frecuencia de 10kHz con ganancia de 0.5:

Solución. Se escoge C de un valor de 10nF. Ahora se halla R:

Ya con R se halla ahora RF:

Y finalmente se halla R+:

El circuito final es el siguiente:

OPAM como amplificador derivador.

El amplificador derivador también llamada amplificador diferenciador realiza la función matemática de la derivación es decir la señal de salida es la derivada de la señal de entrada. El circuito es el siguiente:

La ecuación del voltaje de salida es la siguiente:

El amplificador derivador presenta el problema de que si por la entrada además de la señal de entrada ingresa una señal de ruido de alta frecuencia, la señal de ruido es amplificada más veces que la señal de entrada que se quiere derivar. Este problema no se puede solucionar, pero se puede controlar agregando una resistencia en serie al condensador de entrada, que lo que hará es limitar la ganancia para frecuencias superiores a la del diseño del derivador. El circuito queda de la siguiente manera:

La ecuación de salida aproximada es la siguiente:

Donde la vi es la señal de entrada y vHF representa cualquier señal de ruido con una frecuencia 100 veces o más a la que tiene la señal de entrada. El valor de las resistencias R y R1 varía de acuerdo a si la señal de entrada es senoidal, triangular o cuadrada. Las ecuaciones de diseño son las siguientes:

Tenga en cuenta:

- R+ es una resistencia cuya función es la de balancear el circuito (eliminar corriente de bias).

- A es la ganancia de la señal de entrada vi.

-La función de R1 es limitar la ganancia de cualquier señal de ruido de alta frecuencia.

- El valor de C es libre.

- Una señal de ruido en telecomunicaciones es una señal de muy baja amplitud normalmente por el orden de microvoltios (uV), y de una frecuencia muy elevada por el orden de cientos de Mega Hertz (MHz) o más.

Ejemplo 1. Diseñe un amplificador derivador con ganancia de uno para una señal de entrada sinodal de 1vp y una frecuencia de 10kHz.

Solución. Se escoge C de 10nF. Ahora se halla R:

Ya con R se halla ahora R1:

El circuito queda de la siguiente manera:

Ejemplo 2. Diseñe un amplificador derivador con ganancia de dos para una señal de entrada triangular de 1vp y una frecuencia de 10kHz.

Solución. Se escoge C de 10nF. Ahora se halla R:

Ya con R se halla ahora R1:

El circuito queda de la siguiente manera:

Ejemplo 3. Diseñe un amplificador derivador con ganancia de 0.5 para una señal de entrada cuadrada de 1vp y una frecuencia de 10kHz.

Solución. Se escoge C de 10nF. Ahora se halla R:

Ya con R se halla ahora R1:

El circuito queda de la siguiente manera:

El siguiente proyecto es un oscilador RC senoidal por corrimiento de fase en adelanto. El circuito está compuesto por dos partes. La primera es un filtro pasa altos pasivo de tercer orden RC que desfasara la señal -180 grados. La segunda parte es un amplificador inversor que también desplaza la señal otros -180 grados y que además se encarga de mantener constante la amplitud del oscilador. Entonces el oscilador tendrá un desplazamiento total de fase de -360 grados, los -180 que da el filtro pasa altos, y los -180 grados que da el amplificador inversor. La salida del oscilador se toma en la salida del amplificador operacional. 

El circuito es como se muestra a continuación:

Tenga en cuenta:

- Este oscilador genera una señal senoidal.

- La salida del oscilador se toma en la salida del amplificador operacional inversor.

- El valor de C es libre. Escoja el más adecuado.

- La amplitud de este oscilador está dada por los voltajes de saturación del amplificador operacional, es decir que la señal del oscilador estará entre VOH y VOL.

- En caso de que el circuito no oscile se debe usar una resistencia de realimentación RF un poco mayor del valor que se halló en las ecuaciones.

Ejercicio 1. Diseñe un oscilador por corrimiento de fase en adelanto para una frecuencia de 300Hz. Se usará el circuito integrado LM324. Y una fuente dual de 12 voltios. El valor de C será de 100nF.

Ejercicio 2. Diseñe un oscilador por corrimiento de fase en adelanto para una frecuencia de 5kHz. Se usará el amplificador LF351, y una fuente dual de 12 voltios. El valor de C será de 10nF

Circuitos generadores de PWM (modulación por ancho de pulso).

El siguiente proyecto es un PWM variable realizado con amplificador operacional. Está basado en el oscilador de relajación, y está compuesto por dos amplificadores operacionales . 

El circuito es el siguiente:

El primer amplificador es un oscilador de relajación, el segundo amplificador es un comparador. Con el potenciómetro se varía el ciclo útil. La ecuación de diseño es la siguiente:

Tenga en cuenta:

- Si se quiere obtener frecuencias altas, se debe trabajar con un amplificador que tenga un slew rate y ancho de banda altos, como por ejemplo el lm318 o el lf351.

- Este circuito funciona con cualquier amplificador operacional, es decir se puede usar el lm741, el lm324, el lf351, lm358, o cualquier otro indistintamente.

- El condensador C puede ser cerámico o electrolítico. En caso de ser electrolítico en el diagrama está como debe ir conectado.

- La señal de salida PWM estará entre los voltajes VOH y VOL del amplificador operacional, es decir entre los voltajes de saturación del amplificador.

- Se puede usar polarización simple o dual, valores recomendables para V+ y V- serían 12 voltios en caso de usar fuente simple, y +12v y -12v en caso de usar fuente dual.

- La función del condensador de 100nF que esta en paralelo al potenciómetro es eliminar (amortiguar) cualquier ruido eléctrico que se pueda presentar.

Ejercicio 1. Diseñe un PWM variable con una frecuencia de 300Hz. Se cuenta con una fuente de 12 voltios. Se usará el amplificador lm324. En la ecuación despejamos R, y asumimos 100nF como valor de C:

Ejercicio 2. Diseñe un PWM variable con una frecuencia de 5kHz. Se tiene una fuente dual de 12 voltios. Como amplificador se usará el LF353. Como valor de C se asumirá 100nf.

El siguiente circuito es una aplicación del oscilador Miller Schmitt. Se generan dos señales, una señal diente de sierra (rampa) y una señal PWM variable. El circuito es como se muestra a continuación:

Está compuesto por dos amplificadores operacionales. Uno es un amplificador integrador, el otro es un disparador Schmitt no inversor.

Con el potenciómetro y los diodos es posible variar el ciclo útil de la señal pwm, y también cambiar la inclinación de la señal diente de sierra. Las ecuaciones de diseño son las siguiente:

Tenga en cuenta:

- Si se desea obtener altas frecuencias se debe utilizar un amplificador que permita trabajar a esas altas frecuencias, como por ejemplo el LF353 o el LM318.

- El valor del potenciómetro Rpot es libre. Escoger el más adecuado.

- Los diodos pueden ser de cualquier referencia, aunque idealmente deberían ser diodos Schottky, debido a que entre menor sea el voltaje umbral de los diodos, habrá mayor precisión en la frecuencia del circuito.

- El ciclo útil de la señal PWM se puede variar desde un 5% hasta un 95%.

- En caso de que el circuito no oscile la resistencia de 12kΩ se debe cambiar por una de un valor mayor.

- Las señales de salida, estarán contenidas entre los voltajes VOH y VOL, que son los voltajes de saturación del amplificador operacional.

- Se puede usar tanto fuente simple, como fuente dual. Voltajes recomendables para V+ y V-, en caso de usar fuente simple serian 12 voltios, y en caso de usar fuente dual +12v y -12v.

- En este circuito se puede usar cualquier referencia de amplificador operacional, esto debido a que el disparador Schmitt es un comparador y no un amplificador.

Ejercicio 1. Diseñe el generador para una frecuencia de 300Hz. Se cuenta con una fuente simple de 12 voltios. Se usará el amplificador tl082. La referencia de los diodos serán 1n5819 que son diodos Schottky. Además de valor de Rpot se escoge 20kΩ (puede ser cualquier otro)

Ejercicio 2. Diseñe un generador para una frecuencia de 5kHz. Se tiene una fuente dual de 12 voltios. Se usará el amplificador lf353. Además, se usarán los diodos 1n5819. Como valor de Rpot se escogió 10kΩ.