Curso Modulo 9

7/29/2019 Curso Modulo 9

1/12

MODULO 9

Amplificadores

operacionales

Los amplificadores operacionales, introducidos oficialmente al

mercado a mediados de la dcada de 1960, son dispositivos de

estado slido extremadamente verstiles y fciles de usar que se

emplean como bloques constructivos bsicos de en gran variedadde circuitos electrnicos, tanto anlogos como digitales. En este

modulo se examina la teora general del amplificador operacional

y se describen los circuitos bsicos de utilizacin del mismo.

Tambin se explican los principales parmetros utilizados para

caracterizar su funcionamiento y se presentan algunos circuitos

prcticos de aplicacin de los mismos.


2/12


3/12

MODULO 9

pueda realizar excursiones positivas y negativas con

respecto a tierra y adoptar cualquier valor entre +V y

-V, inclusive cero. Algunos operan con una fuente

sencilla.

Circuito equivalente.Caractersticas generales

En la figura 9.3 se muestra el circuito elctrico

equivalente de un amplificador operacional. En este

modelo, Vin representa el voltaje diferencial (VIV)

aplicado a las entradas, Rin la impedancia de entrada,

Ao la ganancia de voltaje, Ro la impedancia de salida

y Vo=AoVn el voltaje de salida resultante.

Idealmente, un amplificador operacional posee las

siguientes propiedades:

Figura 9.3. Circuito equivalente de un amplificador operacional

1. La ganancia de voltaje es infinita (Ao=).

2. La impedancia de entrada es infinita (Rin=c).

3. La impedancia de salida es cero (Ro=0).

4. El ancho de banda es infinito (BW=oc).

5. El voltaje de salida (Vo) es cero cuando el voltaje

diferencial de entrada (V2-V1) es cero.


4/12

MODULO 9

En la

prctica,

la

ganancia

de voltaje de un amplificador operacional es del orden

de 105 (100 dB), la impedancia de entrada del orden

de 106 a 10'2, la impedancia de salida del orden de

100 y el ancho de banda del orden de 100 kHz a 1

MHz. Del mismo modo, cuando el voltaje diferencial de

entrada es cero, el voltaje de salida no es cero, sinoque tiene un valor finito llamado voltaje de error o de

offset.

Presentaciones usualesEn la figura 9.4 se muestra

la distribucin de pines ms comn en la mayora de

amplificadores operacionales disponibles en cpsulas

de 8 y 14 pines. Las cpsulas de 8 pines pueden

cont-

En un amplificador operacional la seal de salida

(Vo) est en fase con la seal aplicada a la

entrada no inversora (V2) y en

oposicin de fasevoltaje a la entrada (+), en la salida aparece un voltajede la misma polaridad y si se aplica el mismo voltaje a

la entrada (-).en la salida aparece un voltaje de

polaridad opuesta.Ambas situaciones se ilustran en la

figura 9.5

ner uno o dos amplificadores operacionales, mientras

que las cpsulas de 14 pines generalmente contienen

cuatro unidades completamente independientes.

La mayor parte de los amplificadores operacionales

simples, adems de las lineas de entrada (IN-, IN+), de

salida (OUT) y de alimentacin (V+, V-), poseen dos

terminales adicionales de anulacin de offset(N1, N2)

que permiten fijar precisamente la salida en cero

cuando la seal de entrada es cero. En la mayora de

los casos esta operacin se efecta conectando un

potencimetro entre los pines 1 y 5 y enviando el

cursor al terminal negativo de la fuente de

alimentacin, directamente o travs de una resistencia,

como se explica ms adelante.

Relaciones de fase en un

amplificador operacional

con la aplicada a la entrada inversora (V1).

Esto implica que si se aplica un


5/12

MODULO 9

Operacin en lazo abierto.

Comparadores

Un amplificador operacional puede ser utilizado bsi-

camente en dos formas: en lazo abierto o en lazo

cerrado. Los circuitos de la figura 9.5 son ejemplos de

operacin en lazo abierto. En estos casos no hayrealimentacin (conexin externa) entre la salida y las

entradas, y el dispositivo trabaja con su mxima

ganancia posible (Ao, llamada ganancia de lazo abierto).

La operacin en lazo abierto se utiliza principalmente

para comparar voltajes. En la figura 9.6a se muestra

un comparador de voltaje bsico con amplificador ope-

racional. En este circuito, un voltaje de referencia fijo

(V2) se aplica a la entrada inversora (-) y un voltaje de

muestra variable (V1) a la entrada no inversora (+).

Debido a que la ganancia de lazo abierto (Ao) es

muy alta, del orden de 100 dB (100.000 veces) o ms,

cualquier diferencia entreVI yV2,por mnima que sea,

causa que la salida se sature yVo alcance un valor prxi-

mo al voltaje de alimentacin. (V). Especficamente, si

V1 es mayor que V2, entonces Vo es prcticamente

igual a +V Del mismo modo, si V1 es menor que V2,

entonces Vo es prcticamente igual a -V Esto es:

Los comparadores son muy utilizados en sistemas

digitales para convertir seales anlogas, conti-

nuamente variables, en seales digitales, que slo

pueden adoptar uno de dos valores posibles. Nor-

malmente, el proceso de conversin se lleva a cabo

comparando el valor instantneo de la seal anloga

con un nivel de CC tomado como referencia. Cada vez

que la diferencia entre ambos voltajes tiende a cero, la

salida cambia abruptamente de un nivel alto a un nivelbajo, o viceversa. Este cambio puede ser utilizado, por

ejemplo, para activar un sistema de alarma u otro

propsito. El voltaje de referencia puede ser, inclusive,

0V, en cuyo caso el circuito se denomina un detector

de cruce por cero.

Una variante del comparador bsico de la figura

9.6a es el comparador con histersis mostrado en la

figura 9.6b. En este caso, R3 introduce

una realimentacin positiva cuyo efecto es conseguir

que el circuito tenga dos umbrales de disparo,

dependiendo del estado de la salida. En nuestro caso,

estos umbrales son 4.76V cuando la salida est en

tierra (0V) y 5V cuando la salida est en 5V. De este

modo se evita que el ruido superpuesto a la seal de

entrada produzca mltiples transiciones en el voltaje de

salida.Ademas se asegura una rpida respuesta en el

caso de seales de entrada muy lentas.

La configuracin anterior se denomina comnmente

un disparador de Schmitt (Schmitt trig-ger). La

histresis se refiere al hecho que el estado de la

salida depende no solamente del valor del voltaje de

entrada, sino de su historia reciente, es decir, si est

aumentando o disminuyendo. La diferencia de tensin

entre los umbrales superior e inferior de disparo se

denomina, precisamente, voltaje de histresis (VH).

En nuestro caso, VH = 5.00V-4.76V = 0.24V.


6/12

MODULO 9

Operacin en lazo cerrado. Concepto de

realimentacin

La otra forma de utilizar un amplificador opera-cional

es en el modo de lazo cerrado. En este caso, el

dispositivo trabaja como un amplificador

realimentado.La realimentacin o feeedbackconsistebsicamente en tomar una muestra de la seal de

salida y enviarla nuevamente a la entrada, junto con la

seal de entrada original. La realimentacin puede ser

positiva o negativa, dependiendo de si la muestra

retornada est en fase o fuera de fase con la seal de

entrada. La realimentacin negativa es la ms

utilizada debido a que mejora la linealidad, minimiza la

distorsin, mantiene estable la ganancia, reduce la

impedancia de salida, aumenta la impedancia de

entrada, etc. La realimentacin positiva se utilizaprincipalmente para la construccin de osciladores.

Un amplificador operacional puede ser conectado

en lazo cerrado como un amplificador inversor o como

un amplificador no inversor. En el primer caso, la seal

de salida est desfasada 180 con respecto a la seal

de entrada, mientras que en el segundo las dos

seales estn en fase. Prcticamente todos los

montajes prcticos con amplificadores operacionales

estn fundamentados en estas dos configuraciones.A

continuacin examinaremos los siguientes circuitos

bsicos:

Amplificadores inversores

Amplificadores no inversores

Seguidores de voltaje

Sumadores o mezcladores

Restadores o amplificadores diferenciales

Integradores

Diferenciadores

Por comodidad, la mayora de los circuitos prc-

ticos mostrados estn desarrollados alrededor de un

circuito integrado LM741,que es un amplificador

operacional representativo y de fcil consecucin. Sin

embargo, todos ellos pueden ser construidos con

cualquier otro amplificador operacional de propsito

general.

Amplificadores inversores.Concepto de tierra virtual

En la figura 9.7a se muestra la estructura bsica de un

amplificador inversor destinado a la amplificacin de

seales de voltaje de CC. La ganancia de voltaje delcircuito la determinan R1 y R2, y se evala mediante la

siguiente expresin:

El signo menos ("-") simplemente indica que se

produce inversin de fase, es decir, la seal de salida

siempre est desafasada 180 con respecto a la seal

de entrada. Por ejemplo, si R2=100k y R1=10k,entonces la ganancia de voltaje es de 10 (=100k /10k

). Sustituyendo R2 por un potencimetro de 100 k,

esta ganancia sera continuamente variable entre 0 y

10. De todas formas, es importante tener en cuenta

que, aunque R1 y R2 controlan la ganancia total del

circuito, no tienen efecto alguno en las caractersticas

intrnsecas del amplificador operacional.


7/12

MODULO 9

Lo anterior implica que el terminal inversor sigue

teniendo una muy alta impedancia de entrada y por

tanto no absorbe corriente. Como resultado, toda la

corriente que fluye a travs de R1 tambin lo hace a

travs de R2. La impedancia de entrada del circuito es

prcticamente igual al valor de R1. Por tanto, laganancia y la impedancia de entrada son fcilmente

controlables desde el exterior. La impedancia de salida

es muy baja.

El punto comn de unin de R1 y R2 se denomina

t ierra virtual, debido a que tiene siempre el mismo

potencial de la entrada no inversora, sin estar

fsicamente conectado a esta ltima. En otras

palabras, las entradas "+" y "-"de un amplificador

operacional se comportan como un circuito abiertoporque no absorben corriente, pero tambin como un

cortocircuito porque el voltaje o diferencia de po-

tencial entre ellas es cero. El concepto de tierra virtual

es bsico para analizar y disear circuitos con

amplificadores operacionales.

En la figura 9.7b se muestra la estructura bsica

de un amplificador inversor destinado a la amplificacin

de seales de CA de baja frecuencia. La seal que se

va a amplificar se aplica a la entrada inversora a travs

de la red R1C1. La realimentacin negativa la

proporciona la red R2C2. En este caso, debido a la

adicin de C1 y C2, la ganancia de voltaje depende de

la frecuencia. El ancho de banda (BW) es igual a la

frecuencia de corte de lazo abierto (FT) dividida por la

ganancia de voltaje (Av). Por ejemplo, si FT=1 MHz y

Av=10, entonces BW=100 kHz.R3 se utiliza para

conseguir queVo sea 0 cuando Vi es 0.

Amplificadores no inversores

En la figura 9.8a se muestra la estructura de un

circuito no inversor bsico de CC. En esta confi-

guracin, la seal de entrada se aplica directamente a

la entrada no inversora (+), mientras que una fraccin

de la seal de salida se realimenta a la entrada

inversora (-). La realimentacin negativa la

proveen R1 y R2. La ganancia de voltaje (Av) siempre

es mayor de 1 y est dada por la siguiente expresin:

Por ejemplo, si R2=30K y R1=1K, entonces la

ganancia de voltaje es de 31 (1+30). Esta configura-

cin no produce inversin de fase, lo cual implica que

la seal de salida est en fase con la seal de entrada.

El circuito de la figura 9.8a puede convertirse fcil-

mente en un amplificador de voltajes de CA incor-

porando algunos condensadores, como se indica en la

figura 9.8b. La impedancia de entrada de este montaje

es prcticamente igual al valor de R3.

Seguidores de voltaje

Una variante importante del amplificador no inversor es

el seguidor de voltaje. En este caso, la


8/12

MODULO 9

resistencia de realimentacin se sustituye por un

cortocircuito (R2=0Q) y el amplificador opera con un

100% de realimentacin negativa. Como resultado, el

voltaje de salida es el mismo voltaje de entrada y laganancia de lazo cerrado es igual a 1. En las figuras

9.9 (a) y (b) se muestran, en su orden, los circuitos

bsicos de un seguidor de voltaje de CC y de un segui-

dor de voltaje de CA.

Los seguidores de voltaje se utilizan, bsicamente,

para acoplar impedancias. En el caso del seguidor de

CC de la figura 9.9a, la impedancia de entrada es muy

alta y aproximadamente igual a AoZin, siendo Ao la

ganancia de lazo abierto y Zin la impedancia de

entrada del amplificador operacional.

En contraste, la impedancia de salida es muy baja,

dependiendo del amplificador operacional utilizado.

Para el seguidor de CA de la figura 9.9(b), la

impedancia de entrada depende de la frecuencia,

siendo alta en bajas frecuencias y baja en altas

frecuencias.

Tcnicas de anulacin de offset

Como se mencion anteriormente, un amplificador

operacional debera entregar un voltaje de salida de

OV para un voltaje diferencial de entrada de OV. En la

prctica, esto no siempre sucede. Como resultado, sinseal de entrada aplicada, el voltaje de salida tiene un

valor distinto de cero. Este ltimo es causado por la

existencia de un voltaje de error (offset) en la entrada,

propio del amplificador operacional, el cual debe ser

anulado en la mayora de los casos para conseguir un

funcionamiento satisfactorio.

Algunos amplificadores operacionales, especial-

mente los destinados para tareas de precisin, poseen

entradas de control especiales que permiten anularexternamente los efectos de este voltaje de offset. En

la figura 9.10a se muestra un ejemplo, aplicado a un

amplificador CC inversor con una ganancia de voltaje

de 10.

En este caso, la anulacin del offset se consigue

ajustando R4 hasta que el voltaje de salida sea cero

cuando el voltaje de entrada sea cero. Si se retira la

red anuladora de offset, el voltaje de salida estar

desbalanceado en una cantidad igual al producto del

voltaje offset de entrada (tpicamente 1 mV) por la

ganancia de lazo cerrado (Av). Por ejemplo, si Av=100,

la salida sera de 100 mV con las dos entradas

puestas a tierra.

Cuando no se dispone de entradas de anulacin de

offset dedicadas, debe recurrirse a estrategias

externas para su eliminacin, como se lustra en la

figura 9.10b y 9.1 Oc. En el primer caso, la idea es

generar un voltaje variable de compensacin en la

entrada inversora del amplificador. El valor mximo de

este voltaje, que se obtiene de la fuente de

polarizacin (Vcc) mediante el potencimetro R4 y el

divisor formado por R3 y la resistencia equivalente en

paralelo de R2 y R1, est dado por:


9/12

MODULO 9

Con los valores de componentes indicados en la

figura,este voltaje sera variable entre +15mVy -15mV,

aproximadamente. Para el circuito de la figura 9.1 Ob

se aplica una idea similar, excepto que se trata de un

amplificador no inversor. En este caso, el rango de

ajuste del voltaje de compensacin viene dado por:

Alimentacin mediante fuente sencilla En la

figura 9.11a se indica la forma de alimentar un

amplificador inversor mediante una fuente de

alimentacin sencilla. El divisor formado por R3 y R4

polariza la entrada no inversora del amplificador

operacional a la mitad del voltaje de alimentacin.

Debido a la presencia de C1, la ganancia de voltaje en

CC del circuito es igual a 1. Esto garantiza que la

salida quede automticamente polarizada a la mitad

del voltaje de alimentacin. Los dems componentes

cumplen funciones auxiliares. En particular, C3 acta

como eliminador de ruido y C2 como condensador de

paso de seal hacia la resistencia de carga (RL) o la

etapa siguiente. En la figura 9.11 b se mus-


10/12

MODULO 9

tra el esquema de alimentacin correspondiente para

un amplificador no inversor.

Amplificadores sumadores omezcladores

Un sumador, como su nombre lo indica,es un ampli-

ficador que produce como salida una seal equivalente

a la suma ponderada de un cierto nmero de seales

de entrada. En la figura 9.12a se muestra la estructura

de un sumador de CC bsico. En este caso, el voltaje

de salida est dado por la siguiente expresin:

Por tanto, la ganancia total de voltaje de un am-

plificador sumador depende del valor de la resistencia

de realimentacin, mientras que la ganancia de cada

seal es autnoma y depende de los valores de la

resistencia de entrada correspondiente. El circuito se

puede expandir fcilmente para aceptar ms de dosseales de entrada conectando estas ltimas al punto

de suma a travs de resistencias adicionales. Si se

hace R1=R2=Rf,el circuito se convierte en un sumador

de ganancia unitaria. El montaje prctico de un

amplificador sumador para CA de cuatro canales se

muestra en la figura 9.12b.

Amplificadores diferenciales o

restadores

Los restadores o amplificadores diferenciales son circui-

tos que proporcionan un voltaje de salida proporcional

a la diferencia entre el voltaje aplicado a la entrada no

inversora y el voltaje aplicado a la entrada inversora. En

la figura 9.13a se muestra la estructura de un ampli-

ficador diferencial para CC bsico. En este caso, el vol-

taje de-salida est dado por la siguiente expresin:

La versin para CA del circuito anterior se muestra

en la figura 9.13b. Se asume que R1 =R3 y R2=R4. En

el caso de que las dos seales de entrada sean idn-

ticas (V2=V1), la ganancia de voltaje es igual a cero y,

por tanto, la seal de salida es cero. La impedancia de

entrada del terminal inversor (-) es igual a R1 y la del

terminal no inversor (+) es igual a R3+R4. Cuando V1

es diferente a V2, se dice que el circuito est trabajan-

do en el modo diferencial, y cuando V1 es igual aV2, se

dice que est trabajando en el modo comn.

IntegradoresUn integrador, figura 9.14, es un circuito que efecta

la operacin matemtica de la integracin sobre una

seal de entrada, entregando una seal de salida pro-

porcional a la integral de esta ltima. Analticamente,

esta relacin se expresa mediante la siguiente frmula:


11/12

MODULO 9

siendo Vo el voltaje de salida y Vi el voltaje de

entrada. La expresin "JVidt" significa "la integral de

Vi con respecto al tiempo". Los detalles relacionados

con la evaluacin de integrales pueden ser

consultados en cualquier texto de clculo. Los

in-tegradores son muy utilizados como convertidores

de formas de onda. Por ejemplo, si se aplica a la

entrada una seal cuadrada, a la salida se obtiene una

seal triangular.Tambin son los bloques constructivos

bsicos de los filtros pasabajos.

DiferenciadoresUn diferenciador es un circuito que efecta la ope-

racin contraria de un integrador. En otras palabras,

mientras que la salida de un integrador es la integral

de la entrada, un diferenciador realiza la operacin

matemtica de la diferenciacin, entregando una sealde salida proporcional a la derivada de la seal de

entrada. En la Figura 9.15 se muestra la estructura

bsica de un diferenciador. Analticamente, la relacin

entre el voltaje de salida (Vo) y el voltaje de entrada

(Vi), se representa mediante la siguiente frmula:

siendo Vo el voltaje de salida y Vi el voltaje de

entrada. La expresin dVi/dt significa la derivada

de Vi con respecto al tiempo. Los detalles rela-

cionados con la evaluacin de derivadas pueden ser

consultados en cualquier texto de clculo. Los dife-

renciadores son tambin muy utilizados como con-

vertidores de formas de onda. Por ejemplo, si se aplica

a la entrada una seal triangular, a la salida se obtiene

una onda cuadrada. Tambin son los bloques

constructivos bsicos de los filtros pasa altos.

Parmetros de los amplificadoresoperacionales reales

Idealmente, un amplificador operacional debera tener

una ganancia de lazo abierto (Ao) infinita, una

impedanca de entrada (Zi) tambin infinita y


12/12

MODULO 9

una impedancia de salida (Zo) cero. Sin embargo, los

amplificadores operacionales reales no se cien

estrictamente a estas caractersticas. En la prctica:

Ao es del orden de 100 dB, Zi es del orden de 1 M2 a

106 Mf y Zo es del orden de varios cientos de ohmios.

Adems de los valores reales deAo.Zi y Zo.los

fabricantes de amplificadores operacionales incluyen

en las hojas de datos de sus productos otros

parmetros y figuras de mrito que permiten evaluar el

comportamiento de tales dispositivos en la prctica y

compararlo con el comportamiento ideal esperado. Los

siguientes son algunos ejemplos.

Corriente de polarizacin de entrada (IB) Se

refiere a la corriente promedio que ingresa o sale delos terminales de entrada. Idealmente IB debera ser

cero. En la prctica, puede fluctuar desde unos pocos

picoamperios (pA) hasta algunas dcimas de

microamperio uA).

Frecuencia de transicin(Ft): Se refiere a la fre-

cuencia a la cual la ganancia de lazo abierto del

dispositivo es igual a la unidad. Tpicamente, un

amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje

en bajas frecuencias del orden de 100 dB. Con el fin

de evitar que oscile, su respuesta de frecuencia se

compensa internamente de modo que la ganancia

disminuya a medida que aumenta la frecuencia y sea 0

dB a la frecuencia fr.

Tpicamente,fr es del orden de 1 MHz en am-

plificadores operacionales de propsito general, pero

puede llegar a ser del orden de 10 MHz a 15 MHz o

ms en dispositivos de alta velocidad. Conociendo el

valor de fr es muy sencillo determinar la curva de

respuesta de frecuencia, figura 9.16. En nuestro caso,por ejemplo, la ganancia de lazo abierto para 100Hz es

de 80dB y para 1000 Hz es de 60dB. Se dice,

entonces, que la ganancia disminuye a una rata de

20dB por dcada.

Relacin de rechazo de modo comn

(CMRR;Common-Mode Rejection Ratio),Este

parmetro mide la habilidad de un amplificador

operacional para

rechazar seales de modo comn. Se define como la

relacin entre la ganancia de modo diferencial y la

ganancia de modo comn en bajas frecuencias.

Aunque idealmente la CMRR de un amplificador

operacional debera ser infinita, en la prctica es

tpicamente del orden de 90 dB. Entre ms alta sea laCMRR, un amplificador discrimina mejor las com-

ponentes de ruido de modo comn indeseables. Por

regla general, los amplificadores operacionales

bipolares tienen ms altos valores de CMRR y re-

chazan mejor las seales de modo comn que los

provistos de entradas tipo FET.

Se refiere al

voltaje que debe aplicarse entre los terminales de

entrada para obtener un voltaje de salida cero y ascontrarrestar cualquier desbalance en la etapa

diferencial de entrada del amplificador operacional.

Aunque idealmente VIO debera ser cero, en la

prctica es del orden de unos pocos milivoltios. Si no

se aplica esta correccin, el voltaje offset de entrada

interno, una vez amplificado, puede llegar a ser

suficiente para saturar la salida e impedir la

amplificacin eficaz.

Curso Modulo 9

Documents

Transcript of Curso Modulo 9