Download Comportamiento en continua (DC)

República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular Para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de las Fuerza Armada
Nacional
Asignatura: Redes
Amplificadores Operacionales
Profesora: Yudana Baldini
Participantes:
Daniela Matamoros C.I 19.400.461
Cecibel Vergara C.I 20.769.689
Secciòn: 03
Caracas, Julio de 2009
Introducción
En 1965, la compañía Fairchild Semiconductor introdujo en el mercado el uA709,
el primer amplificador operacional monolítico ampliamente usado. Aunque disfrutó de
un gran éxito, esta primero generación de amplificadores operacionales tenía muchas
desventajas. Este hecho condujo a fabricar un amplificador operacional mejorado, el
uA741. Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el uA741 ha tenido un enorme
éxito. Otros diseños del 741 han aparecido a partir de entonces en el mercado. Por
ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el LM741 y Texas
Instruments el SN72741. Todos estos amplificadores operacionales son equivalentes al
uA741, ya que tienen las mismas especificaciones en sus hojas de características. Para
simplificar el nombre, la mayoría de la gente ha evitado los prefijos y a este
amplificador operacional de gran uso se le llama simplemente 741
Son llamados amplificadores operacionales porque podemos encontrar circuitos
montados a base de estos amplificadores que realizan operaciones matemáticas, como
por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores... Etc. Son
elementos muy usados en la electrónica analógica, como se podrá comprobar en este
trabajo, tienen muchas aplicaciones.
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Desarrollo
Amplificadores Operacionales (concepto y origen)
El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual
tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el
fabricante; tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas
docenas de voltio (especificacion también 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 A.O es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en
general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga
excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra (o el punto de referencia que se
considere).
También se define como un amplificador diferencial con una ganancia muy alta,
con una elevada impedancia de entrada y una impedancia de salida baja. Los usos más
típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios de amplitud de voltaje
(amplitud y polaridad), osciladores, circuitos de filtros y muchos otros tipos de circuitos
de instrumentación. Un op-amp contiene varias etapas de amplificador diferencial para
lograr una ganancia de voltaje muy alta.
El primer amplificador operacional monolítico data de los años 1960, era el
Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965),
también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido
por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas
empresas, basado en tecnología bipolar.
Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma,
resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc) en calculadoras analógicas.
De ahí su nombre.
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El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un
ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta
nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las
corrientes de entrada son cero.
Características del amplificador operacional
Alta impedancia de entrada Ri (teóricamente tiende a infinito).
Baja impedancia de salida Ro, aproximadamente nula.
La ganancia de tensión de lazo abierto, A tiende a infinito.
El ancho de banda tiene a infinito.
Tensión de offset nula (Vo = 0 cuando Vp = Vn).
Corriente de polarización nula.
Margen dinámico infinito o de ± Vcc.
Ruido nulo.
Tiempo de conmutación nulo.
Notación
El símbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la siguiente figura:
Los terminales son:
V+: entrada no inversora
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V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
Las terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en
los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC
y VEE.
Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por
claridad.
El Amplificador Operacional utilizado como inversor
Por qué el nombre de inversor? La razón es muy simple: la señal de salida es
igual en forma (no necesariamente en magnitud) a la señal de entrada, pero invertida.
(cuando la señal de entrada se mueve en un sentido, la de salida se mueve en sentido
opuesto).
La ganancia del amplificador o lo que es lo mismo la relación de magnitudes entre la
señal de salida y la de entrada, depende de los valores de las resistencias R1 y R2 y está
dada por la fórmula: Av = - R2 / R1 (El signo negativo indica que la señal de salida es
la invertida de la señal de entrada)
Por ejemplo si R1 = 1 K y R2 = 10 K, la ganancia del amplificador será:
Av = 10 K / 1 K = 10
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El Amplificador Operacional utilizado como No inversor
A este tipo de amplificador la señal le entra directamente a la entrada no
inversora (+) y la resistencia de entrada R1 se pone a tierra. En este caso la impedancia
de entrada es mucho mayor que en el caso del amplificador inversor.
Aquí, si la señal de entrada se mueve en un sentido, la señal de salida se mueve en el
mismo sentido o sea la señal de salida sigue a la de entrada (están en fase).
En esta configuración la ganancia de de voltaje es siempre mayor de 1 y está dada por la
fórmula:
Av = 1 + R2 / R1
Comportamiento en continua (DC)
Lazo abierto
Si no existe realimentación la salida del A.O. será la resta de sus dos entradas
multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se
considerará infinito en calculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia
entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000V. Debido a la limitación
que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A.O.
estará saturado si se da este caso. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la
salida será la que corresponde a la alimentación VS+, mientras que si la tensión más alta
es la del pin - la salida será la alimentación VS-.
Lazo cerrado
Se conoce como lazo a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrá
realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte
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de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la
patilla + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la
realimentación entre la salida y la patilla -, la tensión en esta patilla también se eleva,
por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la
salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para
mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor.
Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para
analizar el circuito:

V+ = V-

I+ = I- = 0
Comportamiento en alterna (AC)
En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna,
pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones.
Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op
Análisis
Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero
uno habitual es:
1. Comprobar si tiene realimentación negativa
2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado
anterior
3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito
4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de
salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente
que sale de ellos)
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5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la
tensión en los nodos donde no se conozca.
Estructura
Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características
ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá
entender mejor las limitaciones que presenta.
Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. 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 una 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.
Parámetros
Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia de
realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o
logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.
Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas entradas
del operacional.
Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través de resistencias
iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor
cero.
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Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del
operacional que hace que su salida tome el valor cero.
Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre las
entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las
especificaciones.
Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula por las
entradas del operacional en ausencia de señal
Slew rate. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima respecto
de la variación del tiempo. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el Slew
Rate. Se mide en V/μs, kV/μs o similares. El slew rate está limitado por la
compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales.
Existen amplificadores no compensados (con mayor slew rate) usados
principalmente en comparadores, y en circuitos osciladores, debido de hecho a su
alto riesgo de oscilación.
Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC,o CMRR en sus siglas en
inglés). Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo
común.
Aplicaciones
Los amplificadores operacionales tienen una cantidad ilimitada de aplicaciones en la
electrónica actual. Particularmente se le utiliza en circuitos amplificadores y
preamplificadores de instrumentación, de audio y de video. Una de las características
básicas de los OP-AMP es la alimentación, que puede ser sencilla, dual o indiferente.
En un solo contenedor puede haber 1,2 o 4 OP-AMP. Los empaques más comunes son
DIP8 para los operacionales sencillos y dobles, y DIP14 para los OP-AMP cuádruples.
Los empaques metálicos tipo TO-5 todavía se fabrican y utilizan en algunos equipos
industriales o militares. Los operacionales más actualizados disponen de entrada
MOSFET y algunos de ellos pueden ser usados como reemplazo directo de dispositivos
tan clásicos como los Lm741.
Los amplificadores operacionales fueron desarrollados para realizar operaciones
matemáticas con circuitos electrónicos. Entre las aplicaciones tenemos como ejemplo:
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
Calculadoras analógicas

Filtros

Preamplificadores y buffers de audio y video

Reguladores

Conversores

Evitar el efecto de carga

Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)
Diseño de Red Eléctrica
Este es el diseño de red eléctrica de un circuito amplificador no inversor.
Consiste de un componente activo (amplificador operacional) y dos componentes
pasivos (resistores) que completan la red de retroalimentación que provee la ganancia.
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Conclusión
Se ha llegado a la conclusión de que los primeros trabajos sobre amplificadores
operacionales datan de la década de los cuarenta y están relacionados con las
calculadoras analógicas, capaces de resolver ecuaciones diferenciales. Actualmente,
puede considerarse que el amplificador operacional es un componente básico de la
electrónica analógica que juega un papel comparable al de otros elementos discretos.
El amplificador operacional se considera como un bloque con terminales de
entrada y salida. En este momento no interesan los dispositivos electrónicos dentro del
amplificador (amp op). El amp op es un amplificador de alta ganancia directamente
acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas. Esto permite que
la salida tenga excursiones por encima y por debajo de tierra. Los amplificadores
operacionales tienen amplia aplicación en muchos sistemas electrónicos lineales. EI
nombre de amplificador operacional se deriva de una de las aplicaciones originales de
circuitos con estos amplificadores: realizar operaciones matemáticas en computadores
analógicos.
Los dos terminales de entrada se conocen como entrada no inversora (Vp) e
inversora (Vn) respectivamente. La primera genera una señal en fase con la entrada
mientras que la segunda presenta un desfase de la señal de salida con respecto a la
entrada de 180 grados. De manera ideal, la salida del amplificador depende no de las
magnitudes de las dos tensiones de entrada (Vp,Vn), sino de la diferencia entre ellas.
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Bibliografía

A. PERTENCE J. Amplificadores operacionales y filtros activos. Teoría,
proyectos y aplicaciones prácticas. McGraw-Hill. 1990.

ROBERT L. SHRADER. Comunicación Electrónica. Segunda Edicion.
McGraw-Hill.1977

THOMAS ROSA. Circuitos y señales. Introducción a los sistemas lineales y de
acoplamiento. Editorial Reverte.

www.monografias.com
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