Introduccin

Introduccin El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analgicos, en los que comenzaron a usarse tcnicas operacionales en una poca tan temprana como en los aos 40. El nombre deamplificador operacionalderiva del concepto de un amplificadordc(amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas caractersticas de operacin estaban determinadas por los elementos de realimentacin utilizados. Cambiando los tipos y disposicin de los elementos de realimentacin, podan implementarse diferentes operaciones analgicas; en gran medida, las caractersticas globales del circuito estaban determinadasslopor estos elementos de realimentacin. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseo de circuitos.

Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente bsico de su tiempo: la vlvula de vaco. El uso generalizado de los AOs no comenz realmente hasta los aos 60, cuando empezaron a aplicarse las tcnicas de estado slido al diseo de circuitos amplificadores operacionales, fabricndose mdulos que realizaban la circuitera interna del amplificador operacional mediante diseo discreto de estado slido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos aos los amplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estndar de diseo, abarcando aplicaciones mucho ms all del mbito original de los computadores analgicos.

Con la posibilidad de produccin en masa que las tcnicas de fabricacin de circuitos integrados proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades, lo que, a su vez contribuy a rebajar su coste. Hoy en da el precio de un amplificador operacional integrado de propsito general, con una ganancia de 100 dB, una tensin offset de entrada de 1 mV, una corriente de entrada de 100 nA. Y un ancho de banda de 1 MHz. es inferior a 1 euro. El amplificador, que era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para convertirse en un componente discreto l mismo, una realidad que ha cambiado por completo el panorama del diseo de circuitos lineales.

Con componentes de ganancia altamente sofisticados disponibles al precio de los componentes pasivos, el diseo mediante componentes activos discretos se ha convertido en una prdida de tiempo y de dinero para la mayora de las aplicaciones dc y de baja frecuencia. Claramente, el amplificador operacional integrado ha redefinido las "reglas bsicas" de los circuitos electrnicos acercando el diseo de circuitos al de sistemas. Lo que ahora debemos de hacer es a conocer bien los AOs, cmo funciona, cules son sus principios bsicos y estudiar sus aplicaciones

Amplificadores Operacionales.El nombre de amplificador operacional proviene de una de las utilidades bsicas de este, como son la de realizar operacionesmatemticasen computadores analgicos (caractersticas operativas).Originalmente los amplificadores operacionales (AO) se empleaban para operaciones matemticas (Suma, Resta, Multiplicacin, Divisin,Integracin, Derivacin, etc.) en calculadoras analgicas, de ah su nombre.El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propsito general el cual tiene la capacidad de manejo de seal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante, tiene adems limites de seal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificacin tambin definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.El amplificador operacional (AO) es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta confuentespositivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo detierra(o el punto de referencia que se considere).

Origen del Amplificador Operacional.Elconceptodel amplificador operacional procede del campo de los computadores analgicos, en los que comenzaron a usarsetcnicasoperacionales en una poca tan temprana como en los aos 40. El nombre del amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas caractersticas de operacin estaban determinadas por los elementos de realimentacin utilizados.

Cambiando los tipos y disposicin de los elementos de realimentacin, podan implementarse diferentesoperacionesanalgicas; en gran medida, las caractersticas globales del circuito estaban determinadas solo por estos elementos de realimentacin.

De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones y eldesarrollogradual de los amplificadores operacionales dio logar al nacimiento de una nueva era en los conceptos dediseodecircuitos.

Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente bsico de sutiempo: la vlvula de vaco. El uso generalizado de los amplificadores operacionales no comenz realmente hasta los aos 60, cuando empezaron a aplicarse las tcnicas deestadoslido al diseo de circuitos amplificadores operacionales, fabricndose mdulos que realizaban la circuiteria interna del amplificador operacional mediante el diseo discreto de estado slido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos aos los amplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estndar de diseo, abarcando aplicaciones mucho ms all del mbito original de los computadores analgicos.

Con la posibilidad deproduccinen masa que las tcnicas de fabricacin de circuitos integrados proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades, lo que contribuyo a rebajar su coste. Hoy en da elpreciode un amplificador operacional integrado de propsito general, con una ganancia de 100 dB, una tensin offset de entrada de 1mV, una corriente de entrada de 100 nA, y un ancho de banda de 1 MHz es inferior a 1 euro. El amplificador, que era unsistemaformado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para convertirse en un componente discreto el mismo, una realidad que ha cambiado por completo el panorama del diseo de circuitos lineales.

Con componentes de ganancia altamente sofisticados disponibles al precio de los componentes pasivos, el diseo mediante componentesactivosdiscretos se ha convertido en una perdida de tiempo y dedineropara la mayora de las aplicaciones dc y de baja frecuencia. Claramente el amplificador operacional integrado ha redefinido las "reglas bsicas" de los circuitos electrnicos acercando el diseo de circuitos al desistemas. Lo que ahora debemos de hacer es conocer bien los AO (amplificadores operacionales), como funcionan, cuales son susprincipiosbsicos y estudiar sus aplicaciones.4.1 Construccin y tipos de amplificadores operacionales

Modelo

El amplificador operacin al tiene dos entradas y una salida de seal. Las entradas se marcan con menos (-) y ms (+) para especificar las entradas inversora y no inversora, respectivamente. Una entrada aplicada al terminal no inversor aparecer con la misma polaridad en la salida; en tanto que una entrada que se aplique al terminal inversor aparecer invertida en la salida.

Siendo un elemento activo, es necesario un suministro de tensin de alimentacin al amplificador operacin, como se muestra en la Figura. Aunque los suministros de potencia se ignoran a menudo en los diagramas de circuito en aras de la simplicidad, no deben pasarse por alto las corrientes del suministro de potencia, y por la segunda ley de Kirchhoff resulta:

En la siguiente figura se presenta un modelo real del circuito equivalente de un amplificador operacin.

La seccin de salida est compuesta por una fuente de tensin dependiente, controlada por la tensin de entrada al amplificador, en serie con la resistencia de salida Rs. Al observar la figura, resulta evidente que la resistencia de entrada Re es la resistencia equivalente de Thevenin vista desde los terminales de entrada; en tanto que la resistencia de salida Rs La tensin de entrada diferencial u corresponde a la resistencia de Thevenin equivalente vista en la salida.

La tensin de entrada diferencial d u est dada por:

donde u1 es la tensin entre el terminal inversor y tierra, y u2 es la tensin entre el terminal no inversor y tierra. El amplificador operacional registra las dos entradas, la multiplica por la ganancia A y provoca que la tensin resultante aparezca a la salida. De tal manera, la salida u0 u resulta:

el factor A se denomina ganancia en tensin de lazo abierto debido a que se trata de la ganancia del amplificador operacional sin ninguna realimentacin externa de la salida a la entrada. ) La Tabla 1 muestra los rangos de valores tpicos que se pueden encontrar de la ganancia en tensin A, la resistencia de entrada Re, la resistencia de salida Rs y la tensin de alimentacin Ucc, segn los diferentes modelos de amplificador operacional.

Tabla 1- Valores de los parmetros del amplificador operacional , segn los diferentes modelos de amplificador operacional.

Para el amplificador operacional A741 presentado precedentemente, los valores tpicos de Re, A y Rs son 2 M, 10^5 y 75 , respectivamente.El concepto de realimentacin es crucial para nuestro entendimiento de los circuitos de amplificadores operacionales. Una realimentacin negativa se obtiene cuando la salida alimenta de nuevo al terminal inversor del amplificador operacional. Cuando hay una trayectoria de realimentacin de la salida a la entrada, la proporcin entre la tensin de salida y la de entrada recibe el nombre de ganancia de lazo cerrado. Como resultado de la realimentacin negativa, puede demostrarse que la ganancia de lazo cerrado es casi insensible a la ganancia de lazo abierto A del amplificador operacional. Por esta razn, los amplificadores operacionales se utilizan en circuitos con trayectorias de realimentacin.A pesar de lo que el trmino realimentacin negativa pueda sugerir en una primera instancia, desde el punto de vista de la electrnica una realimentacin negativa es sinnimo de estabilidad.Tipos de amplificadores operacionales. El comportamiento real de un amplificador operacional en cuanto a su capacidad para controlar la tensin de salida con independencia de la carga conectada a ella es muy dependiente del tipo de amplificador operacional por lo que a continuacin los describimos.

Amplificador operacional de propsito general.

Su finalidad es acondicionar o procesar seales. Las cargas que deben soportar son de alta impedancia, y la intensidad y los rangos de tensin que debe proporcionar son bajas.

En algn momento se tuvo que especializar el amplificador de propsito general que hasta ahora se haba utilizado y salieron al mercado una gran variedad del original:

Capacidad de alta corriente, alto voltaje o ambos- Amplificadores mltiples- Amplificadores de ganancia programable- Amplificadores de instrumentacin y control automotriz- Circuitos integrados para comunicaciones- Circuitos integrados para radio / audio / video Los amplificadores operacionales de propsito general no dejarn de usarse debido a su gran demanda e infinidad de posibles aplicaciones, pero los amplificadores operacionales de propsito especifico como los de la lista anterior seguirn aumentando con el avance de la tecnologa.

Amplificador operacional de potencia.

Su objeto es transferir potencia a cargas de baja impedancia y deben tener capacidad de proporcionar en su salida intensidades y rangos de tensiones altos.

Los requerimientos de los amplificadores de potencia son distintos a los amplificadores de baja potencia.

Requerimientos en etapas de salidaRequerimientos en potencia de CD

La etapa de salida debe:

Entregar un apotencia aceptable

Ser capaz de manejar cargas de baja impedancia.

La distorsion de la seal debe ser baja.La potencia DC debe ser lo mas pequea posible para que la eficiencia sea muy gande.

El aumento en la eficiencia disminuye la potencia entragada por la fuente y la potencia disipada por el transistor.

Baja potencia de CD minimiza el tamao de disipadores y puede eliminar la necesidad de ventiladores.

Clasificacin de los amplificadores de potencia

La clasificacin se basa en la forma de onda de corriente del colector producida por una seal senoidal de entrada.

Clase A: El dispositivo se polariza en una zona de respuesta lineal, con capacidad de responder a seales de cualquier polaridad. Su principal ventaja es que sigue un modelo de amplificador lineal convencional. Su desventaja es que an con seal nula disipa una cantidad considerable de potencia.

Clase B: El dispositivo se polariza en el extremo de la zona de respuesta lineal, y en consecuencia slo tiene capacidad de responder a seales con una determinada polaridad. En estas etapas no se produce disipacin de potencia cuando la seal es nula, pero requiere la utilizacin de etapas complementarias para pode generar una respuesta bipolar.

Clase AB: El dispositivo se polariza en la zona lineal pero en un punto muy prximo al extremo de respuesta lineal. Esta configuracin es una variante de la etapa de tipo B en la que se sacrifica la disipacin de una pequea cantidad de potencia cuando opera sin seal, a cambio de evitar la zona muerta de respuesta.

Clase C: El dispositivo se polariza en zona de respuesta no lineal, de forma que los dispositivos activos slo conducen en una fraccin reducida del periodo de la seal. De esta forma se consiguen rendimientos mximos, aunque se necesitan elementos reactivos que acumulen la energa durante la conduccin y la liberen en el resto del ciclo en el que el dispositivo no conduce. Se puede utilizar para amplificar seales de banda muy estrecha.

Amplificador operacional para conmutacin (Comparador).

Su objeto es comparar seales y generar en su salida seales que sern interpretadas como seales digitales binarias.

Basta con que una de estas seales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea mxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat).

Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia mxima)

La ganancia real de un amplificador operacional es de 200,000 o ms y la frmula de la seal de salida es: Vout = AOL (V1 V2)

Donde:- Vout = tensin de salida- AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o ms)- V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)

Vout no puede exceder la tensin de saturacin del amplificador operacional, sea esta saturacin negativa o positiva. (Normalmente este valor es unos 2 voltios menos que el valor de la fuente ( V+ V- ).

4.2 Estructura y especificaciones de los amplificadores operacionales Esquemas y configuraciones externas.

El smbolo de un amplificador operacional es el siguiente:

Los Terminales son:

V+: Entrada no inversora.

V-: Entrada Inversora

Vout: Salida

Vs+:Alimentacinpositiva

Vs-: Alimentacin negativa.

Normalmente los pines de alimentacin son omitidos en losdiagramaselctricos por razones de claridad.Lazo Abierto:

Si no existe realimentacin, la salida del AO ser la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en clculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de 1mV la salida debera de ser 100V. Debido a la limitacin que supone nopoderentregar ms tensin de la que hay en la alimentacin, el AO estar saturado si se da este caso. Si la tensin mas alta es la aplicada a la Terminal positiva la salida ser la que corresponde a la alimentacin Vs+, mientras que si la tensin ms alta es la de la Terminal negativa la salida ser la alimentacin Vs-Lazo Cerrado:Se conoce como lazo a laretroalimentacinen un circuito. Aqu se supondr realimentacin negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuracin se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensin en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensin en la salida tambin se eleva. Como existe la realimentacin entre la salida y la Terminal negativa, la tensin en esta Terminal tambin se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas se reduce, disminuyndose tambin la salida esteprocesopronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las 2 entradas, idealmente con el mismovalor.

Siempre que hay realimentacin negativa se aplican estas 2 aproximaciones para analizar el circuito:

V+ = V-

I+ = I- = 0Alimentacin:El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simtricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguirvaloresmenores de 0V. El valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un mximo y un mnimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador el valor de tensin que se escoja, nicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentacin.

Configuracin Interna de un Amplificador Operacional.Internamente el AO contiene un gran numero detransistores, resistores, capacitares, etc.

Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en lnea (DIP) de 8 pines o terminales. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que esta a la izquierda de una muesca cuando se pone integrado. Ladistribucinde los terminales del amplificador operacional integrado DIP de 8 pines es:

- Pin 2: entrada inversora (-)

- Pin 3: Entrada no inversora (+)

- Pin 6: Salida (out)

Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2fuentesde tensin:

- Una positiva conectada al Pin 7

- Una negativa conectada al Pin 4

Tambin existe otra presentacin con 14 pines, en algunos casos no hay muesca, pero hay un circuito pequeo cerca del Pin numero 1.

Esquema de la configuracin interna del Amplificador Operacional:

Amplificador Operacional IdealA continuacin semuestraun esquema del amplificador operacional ideal:

Este es un dispositivo de acoplo directo, con entrada diferencial y un nico Terminal de salida. El amplificador solo responde a la diferencia de tensin entre los 2 terminales de entrada, no a supotenciacomn. Una seal positiva en la entrada inversora (-), produce una seal negativa a la salida, mientras que la misma seal en la entrada no inversora (+) produce una seal positiva en la salida. Con una tensin de entrada diferencial, Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizaran siempre independientemente de la aplicacin. La seal d salida es de un solo Terminal y esta referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentacin bipolares (+)

V0 = a Vd

a = infinito

Ri = Infinito

R0 = 0

BW (Ancho de banda) = infinito

V0 = 0 si Vd = 0

Teniendo en mente lasfuncionesde la entrada y la salida, se puede definir las propiedades del amplificador ideal.

1.- La ganancia de tencion es infinita:a = 2.- LaResistenciade entrada es infinita:Ri = 3.- La resistencia de salida es 0:Ro = 04.- El ancho de banda es infinito:BW = 5.- La tensin offset de entrada es 0:V0 = 0 Si Vd = 0A partir de estas caractersticas del AO, podemos deducir otras 2 importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia de tensin es infinita, cualquier seal de salida que se desarrolle ser el resultado de una seal de entrada infinitesimalmente pequea4.3 Configuraciones bsicas

Amplificador Inversor

La configuracin ms sencilla es la inversora. Dada una seal analgica (por ejemplo de audio) el amplificador inversor constituye el modo mas simple de amplificar o atenuar la seal (en el ejemplo propuesto modificar elvolumende la seal)

Ejemplo:

A continuacin montaremos paso a paso un amplificador inversor y para entenderlo paso a paso. Partimos de nuestro amplificador operacional:

Ahora le vamos a aadir 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 circular corriente por R1 y la tensin en la entrada + ser 0 (V=I*R1=0*R1=0). Es lo mismo que si conectramos la entrada + a masa directamente, pero se pone una resistencia porque el circuito trabaja mejor.

A continuacin le ponemos la realimentacin negativa mediante una resistencia R2:

Ya podemos decir que estamos ante un circuito con realimentacin negativa, as que podemos decir que la tensin en la entrada + es igual a la tensin 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, as que pasemos a analizarlo. Para ello nos apoyaremos en el siguiente grfico, que muestra todas las corrientes y tensiones del circuito:

Todos los circuitos con operacionales se analizan de forma muy parecida, asi que prestaatencin. Buscamos una ecuacinmatemticaque nos relacione la entrada con la salida. Primero hayamos la expresin de la corriente de entrada I1. Para ello tienes que tener en cuenta la tensin a la que esta sometida R3. Que ser Vin-0=Vin. Siempre la tensin en una resistencia vendr dada segn ladireccinen que pintemos la corriente, y ser: la tensin del lado de la resistencia por donde entra la corriente menos la tensin del lado de la resistencia por donde sale. Por lo tanto segn la ecuacin:Vin = I1 * R3I1 =Vin / R3Si observamos la figura y recordamos que por la entrada del operacional no iba corriente alguna llegamos a la conclusin de que I2 = I1, as que calcularemos de la misma forma I2 y la igualaremos a I1. Segn esto escribiremos:

0 - Vout = I2 * R2- Vout = I2 * R2I2 =- Vout / R2Igualando I2 = I1:I2 = I1- Vout / R2 = Vin / R3- Vout = Vin * (R2 / R3)Vout = -Vin * (R2 / R3)Segn la expresin obtenida llegamos a la conclusin de que la tensin 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:

Vout = Av * VinAmplificador no Inversor:Este circuito presenta como caracterstica ms destacable su capacidad para mantener la fase de una seal, el anlisis se realiza de forma anloga al anterior.

Ejemplo:

En este tipo de amplificador, a diferencia del inversor, la entrada Vi entrar directamente por la entrada no inversora del amplificador operacional (entrada +):

A continuacin pondremos la realimentacin negativa por medio de la resistencia R1:

Para terminar el circuito aadimos la resistencia R3 de la forma siguiente:

Ahora vamos a hallar la relacin entra la salida y la entrada. Recuerda una vez ms 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. As que no tenemos ms que calcular las dos por separado y luego igualarlas:Tensin de R2 = ViVi = I2 * R2I2 = Vi / R2Tensin de R1 = Vo ViVo - Vi = I1 * R1I1 = (Vo - Vi) / R1Igualando I1 e I2I1 = I2(Vo - Vi) / R1 = Vi / R2Vo - Vi = Vi (R1 / R2)Vo = Vi (1 + R1 / R2)Por lo tanto, este circuito tiene una ganancia en tensin Av = 1 + R1 / R2 . Esto quiere decir que la salida ser Av veces la entrada, sin invertirse la seal ya que Av es positiva.

Amplificador sumador inversorUtilizando la caracterstica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una til modificacin, el sumador inversor

En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensin V(+) est conectada a masa, por lo que la tensin V(-) estar a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente I1circular a travs de RFy la llamaremos I2. Lo que ocurre en este caso es que la corriente I1es la suma algebraica de las corrientes proporcionadas por V1, V2y V3, es decir:

y tambin

Como I1= I2concluiremos que:

que establece que la tensin de salida es la suma algebraica invertida de las tensiones de entrada multiplicadas por un factor corrector, que el alumno puede observar que en el caso en que RF= RG1= RG2= RG3==> VOUT= - (V1+ V2+ V3)

La ganancia global del circuito la establece RF, la cual, en este sentido, se comporta como en el amplificador inversor bsico. A las ganancias de los canales individuales se les aplica independientemente los factores de escala RG1, RG2, RG3,... tc. Del mismo modo, RG1, RG2y RG3son las impedancias de entrada de los respectivos canales.

Otra caracterstica interesante de esta configuracin es el hecho de que la mezcla de seales lineales, en el nodo suma, no produce interaccin entre las entradas, puesto que todas las fuentes de seal alimentan el punto de tierra virtual. El circuito puede acomodar cualquier nmero de entradas aadiendo resistencias de entrada adicionales en el nodo suma.

Aunque los circuitos precedentes se han descrito en trminos de entrada y de resistencias de realimentacin, las resistencias se pueden reemplazar por elementos complejos, y los axiomas de los amplificadores operacionales se mantendrn como verdaderos. Dos circuitos que demuestran esto, son dos nuevas modificaciones del amplificador inversor.

El amplificador sumador no inversor.

La tensin V la obtenemos por superposicin de las tensiones parciales. Supongamos que V2 a VN son cero, por lo tanto la situacin quedar:

La tensin V1 debida a V1 ser:

siendo Rp1 el paralelo de todas las resistencias ahora a tierra. Si todas las resistencias son iguales:

Procediendo lo mismo para las otras:

Si R1=R2=R3 y Rs=0, aplicando las leyes de Kirchhoff en el punto b de la figura siguiente y despejando de la ecuacin Vb obtendramos un circuito que proporciona la media aritmtica

Amplificador sustractor.

Este circuito permite obtener en la salida una tensin igual a la diferencia de las seales aplicadas multiplicada por una ganancia.

Aplicando al igual que antes las leyes de Kirchhoff en el punto a y b:

En este circuito como ya se expuso anteriormente las tensiones Va y Vb son iguales, luego podemos sustituir Vb en la anterior

Si en esta ecuacin hacemos R1=R4 y R2=R3 la tensin de salida tendr la expresin.

Comparador con amplificador operacional

UnAmplificador Operacionalpuede ser utilizado para determinar cual de dos seales en sus entradas es mayor. (se utiliza comocomparador). Basta con que una de estas seales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea mxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat).

Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia mxima). La ganancia real de unamplificadoroperacional es de 200,000 o ms y la frmula de la seal de salida es: Vout = AOL (V1 V2)

Donde:- Vout = tensin de salida- AOL = ganancia deamplificador operacionalen lazo abierto (200,000 o ms)- V1 y V2 =tensionesde entrada (las que se comparan)

Vout no puede exceder la tensin de saturacin del amplificador operacional, sea esta saturacin negativa o positiva. (normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menor que el valor de la fuente ( V+ V- )

Del grfico se ve que el valor de la entrada en V2 es mayor que la de V1 (que se utiliza como referencia y tiene un valor fijo), hasta que en un momento t1, V2 cambia y ahora es menor que V1.Como V2 est conectado a la entrada no inversora del operacional, la salida (Vout) est en saturacin positiva, hasta que llega a t1, en donde la salida ahora est en saturacin negativa.Comparador no inversor

En este comparador la tensin de referencia se aplica a la entrada inversora, y la seal a detectar ser aplicada a la entrada no inversora. La tensin de referencia puede ser positiva o negativa.

-Si la seal a detectar tenga una tensin superior a la tensin de referencia, la salida ser una tensin igual a +Vsat (tensin de saturacin positiva). - Si la seal de entrada tiene una tensin inferior a la seal de referencia, la salida ser igual a -Vsat (tensin de saturacin negativa)

Comparador inversor

En este comparador la tensin de referencia se aplica a la entrada no inversora, y la seal a detectar ser aplicada a la entrada inversora. La tensin de referencia puede ser positiva o negativa

- Si la seal a detectar tenga una tensin superior a la tensin de referencia, la salida ser una tensin igual a -Vsat (tensin de saturacin negativa). - Si la seal de entrada tiene una tensin inferior a la seal de referencia, la salida ser igual a +Vsat (tensin de saturacin positiva)

Amplificador integradorSe ha visto que ambas configuraciones bsicas del AO actan para mantener constantemente la corriente de realimentacin, IFigual a IIN.

Una modificacin del amplificador inversor, el integrador, mostrado en la figura 6, se aprovecha de esta caracterstica. Se aplica una tensin de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN.

Como ocurra en el amplificador inversor, V(-) = 0, puesto que V(+) = 0, y por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada Iin pasa hacia el condensador CF, llamaremos a esta corriente IF.

El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente constante IF, en CFda lugar a una rampa lineal de tensin. La tensin de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar CFpor el lazo de realimentacin.

La variacin de tensin en CFes

lo que hace que la salida vare por unidad de tiempo segn:

Como en otras configuraciones del amplificador inversor, la impedancia de entrada es simplemente RGObsrvese el siguiente diagrama de seales para este circuito

Por supuesto la rampa depender de los valores de la seal de entrada, de la resistencia y del condensador.

Amplificador diferenciadorUna segunda modificacin del amplificador inversor, que tambin aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador mostrado en la figura.

En este circuito, la posicin de R y C estn al revs que en el integrador, estando el elemento capacitativo en la red de entrada. Luego la corriente de entrada obtenida es proporcional a la tasa de variacin de la tensin de entrada:

De nuevo diremos que la corriente de entrada IIN, circular por RF, por lo que IF= IINY puesto que VOUT= - IFRFSustituyendo obtenemos

Obsrvese el siguiente diagrama de seales para este circuito

Amplificador seguidor de tensinUna modificacin especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia unidad mostrada en la figura

En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RFes cero, y la realimentacin es del 100%. V0es entonces exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como "seguidor de emisor" puesto que la salida es una rplica en fase con ganancia unidad de la tensin de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa es tambin infinita.

Convertidor corriente tensin.

El circuito permite obtener una tensin que es proporcional a una corriente, presentando una

impedancia de entrada nula (es decir, no perturba el camino de la corriente).

Obsrvese que se cumple V0=-iREl cortocircuito virtual hace que la caida de tensin entre los terminales de entrada sea nula como otras veces. Por tanto, la impedancia de entrada vista desde el terminal de entrada es nula.Convertidor tensin corriente.

La corriente en la carga ZL es i=V1/R independientemente del valor de ZL.

El circuito se comporta, por tanto, como una fuente de corriente constante entre los

terminales A y B.

El convertidor tensin corriente puede tambin construirse con un A.O. no inversor. El

circuito sera:

Una vez ms, debido a la tierra virtual la corriente i es independiente de la carga ZL. La

impedancia de entrada es muy alta debido a la configuracin no inversora.4.4 Aplicaciones

Aplicaciones de los amplificadores operacionales: Adems de amplificar una seal (o en general, llevar a un intervalo adecuado para procesamiento y anlisis), los Op-amps tienen muchos otros usos:

Acondicionamiento de seales: aumentar su potencia, adems de su intensidad, para que no sufra distorsin o atenuacin por el proceso de medicin, sobre todo si la impedancia de entrada del circuito sensor no es suficientemente alta; esto se logra garantizando que la seal a medir tenga un nivel mnimo de potencia entregada; el acondicionamiento tambin incluye: paso a escala logartmica, cambiar offset, polaridad, modulacin, mayor inmunidad a ruido y estabilidad, etc.;

Acoplamiento de impedancias: aunque puede considerarse parte del acondicionamiento, es ms general; aislamiento de circuitos;Filtros activos (pasa altas, pasa bajas, pasa banda, rechaza banda);Circuitos osciladores, generadores de pulsos y de formas de onda; Procesamiento analgico de seales: comparadores, sumadores, integradores, derivadores, elementos de retardo, cambios de fase, rectificadores, etc.;

Procesamiento lgico de seales: en ciertas aplicaciones se obtiene el mismo efecto de las compuertas lgicas digitales, entregando ya sea un valor de voltaje cero (falso) o de saturacin (verdadero o "uno logico");

Simulacin analgica de sistemas dinmicos; ventajas de mayor velocidad y mayor resolucin que con circuitos digitales;

Solucin analgica de ecuaciones integro-diferenciales inclusive nolineales, entre otras.PAGE 29