martes, 3 de marzo de 2020

AMPLIFICADORES OPERACIONALES


Un amplificador operacional, a menudo conocido op-amp por sus siglas en inglés (operational amplifier) es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.

Principios de Operación 

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:
  1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.
  2. Amplificador de tensión: proporciona ganancia de tensión.
  3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Éste también proporciona una ganancia adicional.[1]​
El dispositivo posee dos entradas: una entrada no inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como {\displaystyle V_{+}} y otra inversora (–) sometida a una tensión {\displaystyle V_{-}}. En forma ideal, el dispositivo amplifica solamente la diferencia de tensión en las entradas, conocida como tensión de entrada diferencial ({\displaystyle V_{\text{in}}=V_{+}-V_{-}}). La tensión o voltaje de salida del dispositivo {\displaystyle V_{\rm {out}}} está dada por la ecuación:
{\displaystyle V_{\!{\text{out}}}=A_{\text{OL}}\,(V_{\!+}-V_{\!-})=A_{\text{OL}}V_{\text{in}}}

en la cual {\displaystyle A_{\rm {OL}}} representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como "lazo (o bucle) abierto". En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180° para algunas aplicaciones especiales

Lazo Abierto


Amplificador operacional en modo de lazo abierto, configuración usada como comparador.



La magnitud de la ganancia {\displaystyle A_{\rm {OL}}} es, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones {\displaystyle V_{+}} y {\displaystyle V_{-}} hace que la salida del amplificador sea de un valor cercano al de la tensión de alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitud de {\displaystyle A_{\rm {OL}}} no es bien controlada por el proceso de fabricación, así que es impráctico usar un amplificador en lazo abierto como amplificador diferencial.
Si la entrada inversora es conectada a tierra (0 V) de manera directa o mediante una resistencia {\displaystyle R_{g}} y el voltaje de entrada {\displaystyle V_{\rm {in}}} aplicado a la otra entrada es positivo, la salida será la de la máxima tensión positiva de alimentación; si {\displaystyle V_{\rm {in}}} es negativo, la salida será el valor negativo de alimentación. Como no existe realimentación, desde la salida a la entrada, el amplificador operacional actúa como comparador

Lazo Cerrado


Un amplificador operacional en modo de realimentación negativa.



Si se desea un comportamiento predecible en la señal de salida, se usa la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de lazo cerrado reduce notablemente la ganancia del dispositivo, ya que ésta es determinada por la red de realimentación y no por las características del dispositivo. Si la red de realimentación es hecha con resistencias menores que la resistencia de entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en lazo abierto {\displaystyle A_{\rm {OL}}} no afecta seriamente la operación del circuito. En el amplificador no inversor de la imagen, la red resistiva constituida por {\displaystyle R_{f}} y {\displaystyle R_{g}} determina la ganancia en lazo cerrado.
Una forma válida de analizar este circuito se basa en estas suposiciones válidas:[2]​
  1. Cuando un amplificador operacional opera en el modo lineal (no saturado) la diferencia de tensión entre las dos entradas es insignificante (V+ ≅ V− ).
  2. La resistencia entre las entradas es mucho más grande que otras resistencias en la red de realimentación (Rin ≫ Rrealimentación ).
Debido a (1), la tensión V− ≅ Vin y la corriente que pasa por la resistencia {\displaystyle R_{g}} es:
{\displaystyle i={\frac {V_{\rm {in}}}{R_{g}}}}
Pero la red conformada por las resistencias es un divisor de tensión y como la corriente i no entra al amplificador por presentar en sus entradas resistencias casi infinitas (2), entonces esa corriente circula también por la resistencia {\displaystyle R_{f}} y por ello:
{\textstyle {\begin{array}{lcl}V_{\rm {out}}&=&V_{\rm {in}}+i\cdot R_{f}\\&=&V_{\rm {in}}+{\frac {V_{\rm {in}}}{R_{g}}}\cdot R_{f}\\&=&V_{\rm {in}}\cdot \left(1+{\frac {R_{f}}{R_{g}}}\right)\end{array}}}
Como resultado, la ganancia en lazo cerrado {\displaystyle A_{\rm {CL}}} la define la anterior ecuación:
{\displaystyle A_{\rm {CL}}=\displaystyle {\frac {V_{\rm {out}}}{V_{\rm {in}}}}=\left(1+{\frac {R_{f}}{R_{g}}}\right)}

CONFIGURACIONES

Amplificador inversor


La configuración básica del AO. El amplificador inversor. En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.

Opamp inversor

Amplificador no inversor 

En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R1 – R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi.
opamp no inversor
Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor

Amplificador diferencial.

Una tercera configuración del AO conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de las dos configuraciones anteriores. Aunque está basado en los otros dos circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. Este circuito, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional.
Opamp diferencial

Sumador inversor 

Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor
En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V(+) está conectada a masa, por lo que la tensión V(-) estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente I1 circulará a través de RF y la llamaremos I2. Lo que ocurre en este caso es que la corriente I1 es la suma algebraica de las corrientes proporcionadas por V1, V2 y V3.
Opamp sumador inversor

El integrador

Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a IIN.
Una modificación del amplificador inversor, el integrador, se aprovecha de esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN.

El diferenciador

Una segunda modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador.
En este circuito, la posición de R y C están al revés 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 variación de la tensión de entrada:

El seguidor de tensión

Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia.
En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RF es cero, y la realimentación es del 100%. V0 es entonces exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como «seguidor de emisor» puesto que la salida es una réplica en fase con ganancia unidad de la tensión de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa es también infinita.

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