01-Amplificador Operacional

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AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Modelo de la Mejora Continua

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AMPLIFICADOR OPERACIONAL Conceptos fundamentales Esta actividad inicial aborda algunos términos que servirán de base para estudios sobre amplificadores operacionales (AOP’s). Especialmente, forman parte vital el concepto de ganancia de tensión y las explicaciones sobre las características ideales de un amplificador. 1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL (AOP) •Definición El AOP es un amplificador CC multi-etapa con una entrada diferencial, cuyas características se aproximan a las de un amplificador ideal. • Características ideales de un AOP

a) Resistencia de entrada infinita. b) Resistencia de salida nula. c) Ganancia de tensión infinita. d) Respuesta de frecuencia infinita (CC a infinitos Hz). e) Insensibilidad a la temperatura (DRIFT nulo).

• Aplicaciones de los AOP’s Es muy difícil enumerar la totalidad de las aplicaciones de este circuito denominado amplificador operacional. De modo general, se puede decir que sus aplicaciones están presentes en los sistemas electrónicos de control industrial, en la instrumentación nuclear, en la instrumentación médica (electro medicina o bioelectrónica), en los ordenadores analógicos, en equipos de telecomunicaciones y de audio, etc. • Simbología del AOP - A Entrada inversora. - B Entrada no inversora. - Y Salida.

Figura 1. Símbolo del Amp Operacional

Descripción de los pines En la realidad, los AOP’s poseen al menos ocho terminales. Véase la Figura 2, en la que se toma como ejemplo los famosos AOP’s μA74l (FATRCHILD) y LF 351 (NA11ONAL).





Figura 2. Descripción de pines del uA741

La descripción de los pines es la siguiente: - 1 y 5. Destinados al equilibrio del AOP (ajuste de la tensión OFFSET) - 2. Entrada inversora. - 3. Entrada no inversora. - 4. Alimentación negativa (de -3V a -18V). - 7. Alimentación positiva (de +3V a + ¡8V). - 6. Salida. - 8. No utilizada • Código de fabricantes y hojas de datos Existen numerosos fabricantes de circuitos integrados en el mundo, cada uno de los cuales posee una codificación para sus productos. Un mismo circuito integrado puede ser manufacturado por varios fabricantes. Por eso es importante que conocer los diferentes códigos para distinguir al fabricante, buscar el manual (DATABOOKS) del mismo, estudiar las características del dispositivo, establecer equivalencias etc. En la Tabla 1 se tenemos la codificación utilizada por los fabricantes más conocidos del mundo. Para ilustrar se toma el 741 como ejemplo:

Fabricante Códigos FAIRCHILD μa741 NATIONAL LM741 MOTOROLA MC1741 RCA CA741 TEXAS SN741 SIGNETICS SA741 SIEMENS TBA221(441)

Tabla 1. Códigos de Fabricantes.

El amplificador operacional de la Figura 3a contiene un gran número de transistores, diodos, resistores y condensadores en una pequeña pasta de circuito integrado pequeño. Esta pasta (“chip”) es montada en el PAQUETE DUAL EN LINEA, que es generalmente denominado paquete DIP. La vista superior de la Figura 3b muestra un paquete MINI-DIP de 8 patas que tiene una muesca en el extremo de cada paquete, cerca de las patas 1 y 8.





El paquete común de 14 patas de la Figura 1(c) tiene un semicírculo impreso en la carcasa, cerca de la pata número 1. Pueden utilizarse los folletos de especificaciones suministrados por el fabricante o los libros de datos, para determinar las clasificaciones y las conexiones que deben realizarse a las patas.

FIGURA 3a

Paquete DIP FIGURA 3b

Vista superior Mini-DIP FIGURA 3c

Vista superior CONCEPTO DE TENSION OFFSET DE SALIDA El hecho de que los transistores de la etapa diferencial de entrada del AOP no sean idénticos provoca un desequilibrio interno del que resulta una tensión en la salida, denominada tensión OFFSET de salida, aun cuando las entradas estén puestas a tierra. Por este motivo, los pines 1 y 5 del AOP 741 (o 351) están conectadas a un potenciómetro y la pin 4. Esto permite eliminar la señal de error presente en la salida por medio de un ajuste adecuado del potenciómetro; figura 4.

Figura 4. Corrección del OFFSET

La importancia del «ajuste OFFSET» se aprecia en las aplicaciones en que se trabaja con señales pequeñas (del orden de mV), por ejemplo: - Instrumentación petroquímica - Instrumentación nuclear. - Electromedicina (Bioelectrónica).





GANANCIA DE UN AMPLIFICADOR En la Figura 5 muestra el símbolo de un amplificador genérico.

Figura 5. Amplificador genérico

Definiendo los siguientes parámetros: - Vi señal de entrada. - Vout señal de salida, - A ganancia.

Así, podemos escribir

V

VoutA =

Vin

En decibelios se tiene:

V

VoutA (decibelios) = 20 log

Vin

o simplemente

v

VoutA (dB) = 20 log

Vin

La importancia de la utilización de la ganancia en decibelios (dB) está justificada cuando se utilizan valores grandes de A, por ejemplo:

V V

V V

2V V

3V V

A = 1 A (dB) = 0

A = 10 A (dB) = 20

A = 10 A (dB) = 40

A = 10 A (dB) = 60

La utilización de decibelios facilita la representación gráfica de magnitudes que tienen un amplio margen de variación.





COMENTARIOS SOBRE LAS CARACTERISTICAS DE UN AMPLIFICADOR A continuación hablaremos de las características ideales que debería tener cualquier amplificador. Los AOP’s reales intentan aproximarse a estas características ideales. • Resistencia de entrada y de salida de un amplificador Consideremos el circuito de la Figura 6. Este circuito representa el modelo de una fuente de señal Vs alimentando un amplificador y, a su vez, alimentando una carga. El gráfico de la Figura 7 nos muestra las variaciones de corriente, tensión y potencia presentes en la carga RL del circuito anterior. El punto A es el punto donde se tiene la máxima transferencia de potencia entre el amplificador y la carga. Veremos, sin embargo que esta situación no es la que más nos interesa en los circuitos con AOP’s.

Figura 6. Modelo simplificado de un Amplificador Operacional

Figura 7

Del circuito de la Figura 6 obtenemos la siguiente ecuación:

S inRin

in s

V RV =

R + R

( se obtiene aplicando el divisor de tensión)

Si en la ecuación anterior convenimos o acordamos un cierto porcentaje de tensión en Rin, podemos establecer una relación entre Rin y Rs. Así, por ejemplo:





Si VRin = 90% de Vs, tenemos: Rin = 0.9Rs Si por otro lado, VRin = 99% de Vs tenemos: Rin = 0.99Rs Analizando la ecuación anterior podemos deducir lo siguiente:

in in sR V V

(Se lee: si Rin tiende o aproxima a infinito entonces, Vin tiende a Vs) o sea, cuanto mayor es Rin en relación a Rs, mayor será la proporción de Vs aplicada sobre Rin. Así, para minimizar la atenuación de la señal aplicada en la entrada del amplificador es necesario que su resistencia de entrada sea muy alta en relación a la resistencia de salida de la fuente. Por otra parte, para obtener toda la señal de salida sobre la carga es necesario que la resistencia de salida del amplificador sea muy baja. De hecho, siendo:

RL L out VV = Vo - I R y Vo = A Vin Suponiendo Rout = 0, se tiene:

RL O RLV = V ó V = Av Vin

En estas condiciones la corriente IL está limitada por el valor de RL. Evidentemente existe un valor máximo de IL que puede ser suministrado por el amplificador. En el caso del AOP 741 esta comente máxima se denomina “corriente de cortocircuito de salida” (representada por IOS) y su valor típico es de 25mA. La ecuación anterior muestra que sobre RL tendremos exactamente la tensión de entrada Vo siempre que la resistencia de salida Rout sea nula. Nótese que no estamos preocupados por la máxima transferencia de potencia, pero si por la máxima transferencia de señal sobre RL. En la mayoría de las aplicaciones de los AOP’s esta característica es más útil. NOTA: Lo manuales de los fabricantes proporcionan los valores de las resistencias de entrada y salida del AOP. • Ganancia de tensión Para que el amplificador sea viable, incluso para señales de poca amplitud, como por ejemplo, las procedentes de transductores o sensores, es necesario que el amplificador posea una ganancia de tensión alta. Lo ideal seria que fuera infinita. NOTA: En lo manuales de los fabricantes se halla el valor de la ganancia de tensión de los AOP’s, la cual se representa por AVO.





• Respuesta de frecuencia (BW) Es necesario que un amplificador tenga un ancho de banda muy amplio, de modo que una señal de cualquier frecuencia pueda ser amplificada sin sufrir corte o atenuación. Idealmente la BW debería extenderse desde cero hasta infinitos hertz. NOTA: En los manuales de los fabricantes se encuentra el valor del ancho de banda máximo del AOP, el cual se representa genéricamente por BW (BANDWlDTH) • Sensibilidad a la temperatura (DRIFT) Las variaciones térmicas pueden provocar en las características eléctricas del amplificador alteraciones acentuadas. Llamamos a este fenómeno «DRIFT». Lo ideal sería que un AOP no presentase sensibilidad a tales variaciones. NOTA: En los manuales de los fabricantes se encuentran los valores de las variaciones de corriente y tensión en d AOP provocadas por el aumento de la temperatura. La variación de corriente se representa por ΔI/Δt y su valor se da en nA/˚C; la de tensión por ΔV/Δt dándose en μV/˚C ALIMENTACION DEL AOP Normalmente los AOP’s están proyectados para ser alimentados simétricamente. En algunos casos podemos utilizar los AOP’s con alimentación única. Existen, incluso. AOP’s fabricados expresamente para trabajar de esta manera (LM 3900-NATIONAL). Cuando no dispongamos de fuentes simétricas podemos improvisarlas utilizando fuentes sencillas, como se indica en la Figura 8. En cualquier caso, el punto común de las fuentes será el de tierra (o masa) del circuito. Todas las tensiones presentes en los terminales del AOP tendrán como referencia este punto.

Figura 8





Diagramas de Amplificadores comerciales.

LM324 LM348

LF353 LM358





Parámetros de los AOP’s LM324 Número de AOP’s: 4 BW (Ganancia Unitaria) 1Mhz Polarización: Fuente simple 3V hasta 32V Fuente Doble ±1.5V hasta ±16V Corriente de salida: 20mA

LM348 Número de AOP’s: 4 BW (Ganancia Unitaria) 1Mhz Polarización: Fuente doble hasta ±18V Corriente de salida: 25mA

LM358 Número de AOP’s: 2 BW (Ganancia Unitaria) 1Mhz Polarización: Fuente simple 3V hasta 32V Fuente Doble ±1.5V hasta ±16V Corriente de salida: 20mA

LM741 Número de AOP’s: 1 Gain Bandwidth 1 MHz Polarización: Fuente Doble ±10V hasta ±22V Corriente de salida: 25mA Offset: 6.5mV

LF353 Número de AOP’s: 2 Gain Bandwidth 4 MHz Channels 2 Channels Polarización: Fuente Doble ±10V hasta ±18V Corriente de salida 20 mA Offset: 10mV

Tomado de:

1. Amplificadores Operacionales y Filtros Activos. Pertence Antonio -Mcgraw-Hill 2. National Analog and interface Products Data Book. National Semiconductor. 3. http://www.national.com. 4. Práctica de Laboratorio EB2000 EB-141

Desarrollado por: Andrey Julián Rentería Scarpetta.

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