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AMPLIFICADORES OPERACIONALES OP-AMP
1. INTRODUCCIÓN A LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES OPAMP
Es un amplificador diferencial de muy alta ganancia que posee alta impedancia de entrada y baja impedancia de
salida. Por lo general el op-amp se utiliza para proporcional cambios en la amplitud de voltaje (amplitud y polaridad),
en osciladores, en circuitos de filtro y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un op-amp contiene varias
etapas de amplificador diferencial para obtener una ganancia de voltaje muy alta.
Existen dos tipos de funcionamiento básico: sin realimentación o en BUCLE ABIERTO y
con realimentación o en BUCLE CERRADO.
Normalmente se usa en BUCLE CERRADO. La red de realimentación determina la función que realiza el montaje,
permitiendo la construcción de amplificadores asimétricos, osciladores, integradores, diferenciadores, sumadores,
restadores, comparadores, filtros, etc.
 El Amplificador eleva el valor de la tensión, corriente o potencia de una señal variable
en el tiempo, procurando mantenerla lo más fiel posible.
Los parámetros que caracterizan a un amplificador son los siguientes:
Dónde:
A = ganancia del amplificador. Grado de
amplificación.
Ve = tensión de entrada.
ie = Intensidad de entrada.
Ze = Impedancia de entrada.
Vs = tensión de salida.
is = Intensidad de salida.
Zs = Impedancia de salida.
La ganancia (A), es la relación entre la salida y
la entrada. Se puede distinguir entre ganancia de
tensión, corriente y potencia.
Av = Vs/Ve ganancia de tensión.
AI = is/ie ganancia de corriente.
Ap = Ps/Pe = Av.AI ganancia de potencia.
Ninguna tiene unidades.
Ejemplo: a) A un amplificador le aplicamos la siguiente señal, Ve= 2V, ie= 20 mA. Y el nos
da, Vs = 8V, is= 200
mA. ¿cuál será su ganancia de tensión, corriente y potencia.?
Solución:
Av = Vs/Ve = 8V/2V = 4
AI = is/ie = 200 mA/ 20mA = 10
Ap = Ps/Pe = Av.AI = 4 . 10 = 40
b) Expresa la ganancia de potencia del ejercicio anterior en decibelios (dB)
A(dB) = 10 log (Ps/Pe) =10 log (40) = 16,02 dB
La impedancia de entrada (Ze) y de salida (Zs), se definen como la tensión aplicada y la
corriente absorbida.
Ze = Ve/ie impedancia de entrada.
Zs = Vs/is impedancia de salida.
1.1. LAS CARACTERÍSTICAS DEL OP-AMP IDEAL SON:
Un amplificador operacional ideal debería reunir las siguientes características:




a) Ganancia en lazo abierto (A) infinita (Av = ).
b) Ancho de banda infinito.
c) Impedancia de entrada infinita, (Ri = ). El circuito de entrada es un circuito abierto. Por tanto, no hay
corriente en ningún terminal de entrada.
d) Impedancia de salida nula (Ro = 0).
La utilización de op-amp en circuitos requiere de un adecuado conocimiento de sus características de
funcionamiento y prestaciones. Datos evaluados en base a determinadas características proporcionadas
por el fabricante.
MAGNITUD
Ganancia de tensión en bucle abierto
Frecuencia de ganancia unidad
Resistencia de Entrada
Resistencia de Salida
Corriente de polarización de entrada
Corriente de offset de entrada
Tensión de offset de entrada
Factor de rechazo en modo común
SIMBOLO
AVOL
funidad
Rin
Rout
Iin(polarización)
Iin(off)
Vin(off)
CMRR
IDEAL
Infinito
Infinito
Infinito
Cero
Cero
Cero
Cero
Infinito
LM741C
100000
1Mhz
2M ohm
75 ohm
80nA
20 nA
2 mV
90 dB
LF157A
200000
20 MHz
1012 ohm
100 ohm
30 pA
3 pA
1 mV
100 dB
1. Ganancia de tensión en bucle abierto.
Corresponde a la ganancia del amplificador sin realimentar. Depende de la frecuencia de trabajo y de la
temperatura, disminuyendo al aumentar uno cualquiera de ambos factores.
Esta ganancia es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no
realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas. Ver el diagrama inferior.
existe
ningún
camino
de
La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:
AV = Vsal/Vent
Dónde:
AV = ganancia de tensión
Vsal = tensión de salida
Vent = tensión de entrada
En un amplificador operacional ideal, esta ganancia es
operacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000.
infinita.
Como
el
Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, en donde lo que se desea es saber cual de las dos entradas
tiene mayor tensión.
2. Frecuencia de transición.
A esta frecuencia la ganancia en ciclo abierto del A.O. se reduce a la unidad, es decir si un opam tiene
una frecuencia de ganancia unidad de 1Mhz. Se puede tener una ganancia de tensión utilizable casi tan
grande como 1 Mhz.
3. Impedancia de entrada.
Normalmente expresa la parte resistiva vista desde los terminales
de entrada. Son típicos los valores de algunos megaohmios.
4. Impedancia de salida Zo.
Es asimismo la parte resistiva vista desde los terminales de
salida. Son típicos valores entre 100 y 200 ohmios.
5. Corriente de polarización de entrada (Input Bias Current).
Es la pequeña corriente que se deriva por los terminales
de entrada. En general de del orden de algún micro o
nano o pico amperio.
Es el promedio de las dos corrientes de base en la etapa
de entrada de un opamp en condiciones sin señal.
6. Corriente (off-set) de entrada.
Se define como la diferencia entre las corrientes que
circulan por entre ambas entradas cuando la señal
diferencial aplicada es nula.
7. Tensión (off-set) de entrada.
Es la diferencia de tensión que hay que aplicar a las
entradas para que la tensión de salida sea nula.
Es el voltaje de entrada necesaria para eliminar el voltaje
de salida en el punto de operación.
8. Factor de rechazo en modo común CMRR (Common mode rejection ratio).
La calidad de un amplificador diferencial viene dada por la diferencia entre la ganancia diferencial y la ganancia
en modo común, cuanto mayor sea la ganancia diferencia en relación con la de modo común, de mejor calidad
será el amplificador diferencial.
Suele darse en decibelios, expresado en dB, CMRR = 20 log Gd dB
El CMRR es positivo y se mide en decibelios. Se define por la siguiente
ecuación:
Donde
y
es la ganancia diferencial
es la ganancia en el modo común
1.2. REALIMENTACION EN UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
El modo de trabajo de un opamp se realiza mediante método de lazo cerrado, esto es, el uso de algún
tipo de realimentación mediante la utilización de componentes externos, entendiendo por
realimentación la toma de parte de la señal de salida del opamp e introducirla en alguna de las entradas
de dicho amplificador.
La ganancia en lazo cerrado es:




Solo función de R1 y R2.
Independiente del OPAMP.
Normalmente es menor a la ganancia del opamp pero estable y predecible
Negativa, desfasada 180°.
Los tipos de retroalimentación pueden clasificarse en: Realimentación Negativa, Realimentación
Positiva y Sin realimentación (lazo abierto).
 Realimentación Negativa
Consiste en tomar parte de la señal de salida para introducirla en la entrada inversora del
opamp, disminuyendo con esto la ganancia de dicho opamp, consiguiendo de esta forma que la
ganancia del circuito pueda ser prefijada mediante los valores de los componentes externos que
se utilicen. La ganancia total se hace más independiente de la del propio opamp, pudiéndose
construir a través de esto, circuitos amplificadores, sumadores, restadores,
inversores, entre otros.
 Realimentación Positiva
Consiste en tomar parte de la señal de salida para introducirla en la entrada no inversora del
opamp. Este tipo de realimentación es utilizada para construir circuitos osciladores.
 Sin realimentación (lazo abierto)
La amplificación viene dada por la propia ganancia del opam. Las tensiones ingresadas en la
entrada inversora serán amplificadas negativamente en la salida y las tensiones introducidas en
la entrada no inversora serán amplificadas positivamente. Los opamp sin realimentación son
usados como comparador.
1.3. CIRCUITOS OPAMP CON REALIMENTACION NEGATIVA
1.3.1. Amplificador Inversor
Consta de dos resistencias fundamentalmente marcadas como R1 y R2, las cuales determinan la
ganancia total del opamp.
Este circuito desfasa la señal 180° respecto a la señal de entrada y amplificada una cantidad equivalente
a la relación existente entre los valores R2 y R1.
𝑉𝑠𝑎𝑙 = −𝑉𝑒𝑛𝑡
𝑅2
𝑅1
La ganancia total viene dada por la relación entre R2 y R1. Entonces la ganancia de tensión es:
𝐴𝑣 =
𝑉𝑠𝑎𝑙
𝑅2
=−
𝑉𝑒𝑛𝑡
𝑅1
Ejemplo: calcular la tensión de salida de un circuito amplificador inversor teniendo en cuenta que los valores
de resistencia son: R1=1K y R2 =10K, sabiendo que la tensión de entrada es Vent=2V.
Solución:
𝑉𝑠𝑎𝑙 = −𝑉𝑒𝑛𝑡.
𝑅2
10𝐾
= −(2𝑉).
= −20𝑉
𝑅1
1𝐾
Determinando la ganancia de tensión:
𝐴𝑣 =
𝑉𝑠𝑎𝑙
(−20)
=−
= −10
𝑉𝑒𝑛𝑡
2𝑉
Ejemplo: determine la ganancia de tensión en el siguiente circuito:
Ejercicio propuesto: Calcule la tensión de salida de un opamp inversor si se tiene que R2= 100K y el valor
de R1=1K sabiendo que el voltaje de entrada es 5 mV.
Ejercicio propuesto: Calcule para el ejemplo anterior el valor de R2 si se requiere obtener en la salida una
tensión de -8V, a partir de una tensión de entrada de 2mV.
Ejercicio propuesto: que voltaje de entrada produce una salida de 2 V en el siguiente circuito:
1.1.1. Amplificador No Inversor
Posee un par de resistencias R1 y R2, conectadas al opamp las cuales configuran la ganancia total del
opamp. Este amplificador amplifica pero sin invertir la señal, es decir sin desfasarla.
La salida viene dada por la sig expresión
𝑉𝑠𝑎𝑙 = 𝑉𝑒𝑛𝑡 (1 +
𝑅2
)
𝑅1
Entonces la ganancia de tensión es:
𝐴𝑣 =
𝑉𝑠𝑎𝑙
𝑅2
=1+
𝑉𝑒𝑛𝑡
𝑅1
Ejemplo: calcular la tensión de salida de un circuito amplificador no inversor teniendo en cuenta que los
valores de resistencia son: R1=1K y R2 =10K, sabiendo que la tensión de entrada es Vent=1V.
𝑅2
𝑉𝑠𝑎𝑙 = 𝑉𝑒𝑛𝑡 (1 + 𝑅1) = 1. (1 +
10𝑘
1𝑘
) = 11𝑉
La señal de salida se encuentra en fase con la
señal de entrada. Entonces la ganancia de
tensión es:
𝐴𝑣 =
𝑉𝑠𝑎𝑙
𝑅2
10𝑘
=1+
=1+
= 11
𝑉𝑒𝑛𝑡
𝑅1
1𝑘
Solución:
Ejercicio propuesto: Calcule la tensión de salida de un opamp no inversor como el de la figura. Si se tiene
que R2= 500K y el valor de R1=100K sabiendo que el voltaje de entrada es 5 mV.