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Electrónica Analógica II
Parte 1
AMPLIFICADORES
OPERACIONALES
OPERATIONAL AMPLIFIERS
(OP-AMP)
No todos los fabricantes usan precisamente
el mismo código de identificación. Pero la mayoría
usan un código de identificación que consisten de
cuatro partes escritas en el siguiente orden:(1) letra
prefijo, (2) designador del circuito, (3) letra sufijo, y
(4) código de especificación militar.
INTRODUCCIÓN
El amplificador Operacional es uno de los
dispositivos electrónicos mas versátiles y
ampliamente usados en aplicaciones lineales. Los
OP-AMP son populares por su bajo precio y
facilidad de uso. Nos permiten construir circuitos
útiles sin la necesidad de saber acerca de su
compleja circuitería interna.
El aparecimiento de los OP-AMP se da a
mediados de los años 60. El nombre de
operacionales se debe a que en ese tiempo eran
usados para realizar operaciones matemáticas, tales
como: suma, resta, multiplicación y hasta resolver
ecuaciones diferenciales. Eran muy usados en
computadores analógicos.
Estos circuitos integrados (IC-integrated
circuit) OP-AMPs revolucionaron ciertas áreas de la
Electrónica por su reducido tamaño y su bajo costo.
Entre las funciones que se pueden realizar con estos
circuitos, uno o dos OP-AMPs y pocos
componentes, podemos incluir: generadores de
señal (osciladores), acondicionadores de señal,
temporizadores, detectores de nivel de voltaje y
moduladores.
Con el avance de la Electrónica los OPAMPs han sido mejorados enormemente, desde el
punto de vista de su fabricación han venido a ser
más precisos. Los OP-AMPs de propósitos
generales fueron rediseñados para optimizar o
agregar ciertas características. Los ICs con
funciones específicas que contienen más que un
simple OP-AMP fueron desarrollados para realizar
funciones complejas. Así solo es necesario mirar un
libro de datos para apreciar sus variedades.
Identificación de un OP-AMP
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(1) El código de letra prefijo usualmente
consiste de dos o tres letras que identifican al
fabricante. Algunos de estos códigos son mostrados
en la siguiente lista:
Letra prefijo
Fabricante
AD
Am
BB
CA,CD
ECG
HA
ICL,IH
LH,LM
Corp.
MC,MFC
MIC
NE/SE,N/S
OP
RC/RM
SG
TL,SN
UA(µA)
UC
TOA
Analog Devices
Advanced Micro Device
Burr-Brown
RCA
Sylvania
Harris
Intersil
National
Semiconductor
Motorola
ITT
Signetics
Precision Monolithics
Raytheon
Silicon General
Texas Instruments
Fairchild
Solitron Devices
Transition
(2) El designador del circuito consiste de
tres a siete números y letras. Ellos identifican el tipo
de OP-AMP y su rango de temperatura. Ejemplo:
062C : donde 062 significa OP-AMP de
entradas J-FET y C identifica su rango de
temperatura Comercial
Los tres códigos del rango temperatura son:
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C: Comercial, 0 a 70oC
I: Industrial, -25 a 85oC
M: Militar, -55 a 125oC
(3) Una o dos letras sufijo identifican el
estilo del paquete que usa el chip OP-AMP. Los tres
códigos mas comunes para letras sufijo son:
D
Plastic dual-in-line for surface
mounting on a pc board.
Ceramic dual-in-line.
Plastic dual-in-line for insertion into
sockets. (Leads extend through the
top surface of a pc board and are
soldered to the bottom surface.)
J
N,P
(4) El código de especificación militar es
usado solo cuando el dispositivo es para
aplicaciones de alta confiabilidad.
EL OP_AMP IDEAL
El OP-AMP se simboliza como se muestra
en la figura 1.
1
V1
+
_
_
i1 =0
3
A(V2-V1)
+
_
2
+
V2
+
_
i2 =0
Terminal Común
Figura 1
Donde a la entrada "-" le llamamos entrada
inversora y a la entrada "+" le llamamos entrada no
inversora. En esta simbología se omiten los pines de
la fuente de alimentación, que por lo general son
+VCC y -VCC (-VEE) con valores típicos de ±15V.
Hay que notar que no existe terminal del OP-AMP
físicamente conectada a tierra. En algunos casos el
OP-AMP puede tener otras terminales para
propósitos específicos. Estas otras terminales
pueden incluir terminales para compensación de
frecuencia y terminales para anular el offset.
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Para el análisis del OP-AMP ideal se supone
que la diferencia de voltaje entre las señales
aplicadas a las dos terminales de entrada del OPAMP (es decir V2-V1, también conocido en la
literatura sobre Electrónica como voltaje de entrada
diferencial, Vid), multiplicado por la amplificación
A (propia del OP-AMP) causa un voltaje A(V2-V1)
en el terminal de salida del operacional. Hay que
aclarar que los voltajes V1 y V2 son voltajes entre
las terminales del OP-AMP y tierra, como pueden
ser apreciados en la figura 1.
También se supone que la corriente de
entrada a ambos terminales de entrada al OP-AMP
son cero, es decir que la impedancia de entrada del
OP-AMP se supone que es infinita. Además se
supone que en el terminal de salida se tiene una
fuente ideal de voltaje que será independiente de la
corriente que puede ser entregada a la carga que se
conecte en dicho terminal, es decir que la
impedancia de salida del OP-AMP ideal es cero.
Como puede ser visto de la descripción
anterior, el OP-AMP responde solo a la diferencia
de voltaje V2-V1 y por lo tanto ignora cualquier
señal común a ambas entradas. A esta propiedad le
llamamos rechazo de modo común y podemos
concluir que el OP-AMP ideal tiene rechazo de
modo común infinito. El OP-AMP es un
amplificador de entrada diferencial y salida
unilateral, es decir la salida aparece entre el terminal
de salida y tierra.
El OP-AMP ideal tiene una ganancia A que
permanece constante a frecuencias bajas, cero y
arriba hasta el infinito, lo que quiere decir que el
OP-AMP ideal amplifica señales de cualquier
frecuencia con igual ganancia. El OP-AMP ideal
tiene una ganancia A muy grande, idealmente
infinita, es por eso que casi en todas las aplicaciones
el OP-AMP no será usado en configuración de lazo
abierto, más bien aplicaremos retroalimentación
para cerrar el lazo alrededor del OP-AMP.
ANÁLISIS DE CIRCUITOS CONSIDERANDO
EL OP-AMP IDEAL
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Configuración inversora
Vamos a considerar el circuito de la figura
2, donde se aplica retroalimentación negativa, ya
que la señal de la salida es retroalimentada hacia el
terminal inversor através de la resistencia R2 .
Trataremos de determinar la ganancia de lazo
cerrado G definida como G = Vo/VS.
R2
R1
Como el terminal no inversor de nuestro
circuito de estudio está conectado a tierra, entonces
V2 = 0 y V1 » 0. Hablamos entonces de que el
terminal inversor es una tierra virtual, es decir
teniendo cero voltios, pero no físicamente
conectado a tierra.
Vs
Vo
Figura 2
Utilizamos el circuito equivalente del OPAMP ideal, y se obtiene el circuito mostrado en la
figura 3.
I1
Vs
Esto muestra que el voltaje en el terminal de
entrada inversor (V1) esta dado por: V2 » V1 , es
decir debido a que la ganancia A se aproxima al
infinito, el voltaje V1 se aproxima a V2. Hablamos
entonces de un corto circuito virtual que existe
entre los dos terminales de entrada. Un corto
circuito virtual significa que cualquier voltaje que
esté en el terminal no inversor automáticamente
aparecerá en el terminal inversor debido a la
ganancia infinita A.
I2
+
_
Ahora podemos encontrar la corriente I1 que
circula através de R1, aplicando la ley de ohm.
I1 =
V s − V 1 ≅ V s (2)
R1
R1
R2
1
_
0
V2-V1
A(V2-V1)
+
_
2
Esta corriente será la misma que circulará
através de la resistencia R2, puesto que la
impedancia de entrada del OP-AMP ideal es infinita
y por lo tanto la corriente de entrada es cero.
Aplicamos la ley de Ohm para determinar el Vo :
3
Vo
+
V o = V 1 − I 1 R2 = 0 −
V s (3)
R2
R1
Así
V o = − R 2 (4)
G =
Vs
R1
Figura 3
Como sabemos que la ganancia A del OPAMP ideal es muy grande (idealmente infinita) y
asumimos que el circuito esta trabajando y
produciendo un voltaje de salida finito en su
terminal de salida, entonces el voltaje entre las
terminales de entrada del OP-AMP debería ser
despreciablemente pequeño. Así obtenemos que:
V 2 −V 1 =
V o ≅ 0 (1)
El signo menos significa que el amplificador
de lazo cerrado provee inversión de la señal, es
decir si VS es una onda seno a la salida en Vo
tendremos una señal seno amplificada por el factor
R2/R1 , pero con 180o de desfase. A causa del signo
menos asociado con la ganancia de lazo cerrado (G)
esta configuración es conocida como configuración
inversora.
A
Resistencias de entrada y salida
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Asumiendo el OP-AMP ideal con una ganancia de
lazo infinita, la Resistencia de entrada de lazo
cerrado del amplificador inversor de la figura (2) es
simplemente igual a R1. Esta puede ser calculada de
la figura (3), donde
R
in
≡
V
I
s
=
análisis del circuito no-inversor se determinará la
ganancia de lazo cerrado G (Vo/VS) del circuito
mostrado en la figura 5.
R1
V =
V R1 R1
Vo
s
Vs
s
1
Así, para hacer Rin grande deberiamos
seleccionar un valor alto de R1. Sin embargo, si la
ganancia requerida R2/R1 es también alta, entonces
R2 podría llegar a tomar un valor alto no práctico
( por ejemplo, más grande que unos pocos mega
ohms). Podemos concluir que la configuración
inversora sufre de una resistencia de entrada baja.
Debería también ser mencionado que la ganancia de
lazo abierto finita A tiene un efecto despreciable en
el valor de la resistencia de entrada de la
configuración del amplificador inversor.
Puesto que la salida de la configuración
inversora es tomada de las terminales de una fuente
de voltaje ideal A(V2-V1), de esto resulta que la
resistencia de salida del amplificador de lazo
cerrado de la configuración inversora es cero.
El circuito mostrado en la figura (4) muestra
el circuito del ,modelo equivalente de la
configuración del amplificador inversor ( bajo la
asunción que el OP-AMP es ideal).
+
Vs
-
R2
Ri=R1
+
-
(-R2/R1)Vs
Ro=0
Figura 4
Configuración no-inversora
En esta configuración la señal de entrada VS
es aplicada directamente al terminal de entrada
positivo ( o no-inversor) del OP-AMP. Para el
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Figura 5
Asumiendo que el OP-AMP es ideal con
ganancia A infinita y que existe corto circuito
virtual entre las dos terminales de entrada, el voltaje
VS que aparece en el terminal no-inversor,
aparecerá también en el terminal inversor, así
aplicando la ley de Ohm, logramos obtener:
Vo =Vs+
Vs
R 2 (5)
R1
lo cual conduce a:
V o = + R 2 (6)
G =
1
Vs
R1
Resistencia de entrada y salida
La resistencia de entrada del amplificador
de lazo cerrado de la configuración no-inversora es
idealmente infinita, puesto que no fluye corriente en
el terminal de entrada positivo del OP-AMP.
La salida del amplificador no-inversor es
tomada de las terminales de una fuente ideal de
voltaje A(V2-V1) (como puede ser visto del circuito
equivalente de la figura (1)), por lo tanto la
resistencia de salida de la configuración noinversora es cero.
El circuito mostrado en la figura (6) muestra
el circuito del ,modelo equivalente de la
configuración del amplificador no-inversora ( bajo
la asunción que el OP-AMP es ideal).
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+
Vs
-
+
-
(1 + R2/R1)Vs
Ri=∞
Ro=0
Figura 6
La propiedad de alta impedancia de entrada
de esta configuración nos permite usar el circuito
como un amplificador seguidor para conectar una
fuente con una alta impedancia a una carga de baja
impedancia. Tendríamos que hacer R2 = 0 y R1 = ∞
en esta configuración para obtener un amplificador
de ganancia unitaria., el cual esta mostrado en la
figura 7. Este circuito es comúnmente conocido
como un seguidor de voltaje puesto que la salida
sigue la entrada.
Vo
VS
Figura 7
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