El Amplificador Operacional 1

7/21/2019 El Amplificador Operacional 1

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SISTEMAS ELECTRNICOS DE

CONTROL

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL:

1. Introduccin

2. Caractersticas generales

3. Configuraciones bsicas del amplificadoroperacional

4. El comparador

6B ELECTRNICA

2012


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El trmino de amplificade 1940 para designaroperaciones tales como sdentro de la computacinintegrada, que permita fadispositivos, dio lugardesembocaron en una rdesarrollado por R. J.desbanc a sus rivales dde inters incluso en nues

Los A.Os integrados edependen de sus prestaTradicionalmente, un A.Ocascada: amplificador difede nivel y etapa de salida.estabilizadores, adaptadola configuracin de un A.dos entradas (inversora yamplificador intermedio pren emisor comn con carseguidor de emisor (coleefecto de carga. El adaptgeneralmente es un ampli

2.Un amplificador oper

general o universal. Obrealimentado pues deber

Impedancia de en

Impedancia de sal

Ganancia elevada

Existen otras caracteaplicaciones como son:

Ancho de banda e

Tiempo de respue

E.E.T N 460 GUILLERMO LEHMANN

Departamento de Electrnica

Sistemas electrnicos de control

6 B Electrnica

1. INTRODUCCIN

dor operacional (Operational Amplifiero OA) fuuna clase de amplificadores que permiten ruma, resta, multiplicacin, integracin, diferencianalgica de esa poca. La aparicin y desar

bricar sobre un nico substrato monoltico de sill surgimiento de amplificadores operacionavolucin dentro de las aplicaciones analgicaidlar en Fairchild. En 1968 se introdujo el fla poca con una tcnica de compensacin int

tros das.

Figura 1.-Bloques funcionales de un A.O.

stn constituidos por muy diversas y complejasciones y e la habilidad del diseador a la hest formado por cuatro bloques bien diferenc

rencial de entrada, etapa amplificadora, adaptaEstos bloques estn polarizados con fuentes des y desplazadores de nivel. La figura 1 muest. La etapa diferencial presenta las siguientes

no inversora), su relacin de rechazo en modo coporciona la ganancia de tensin suplementaria.ga activa y est acoplada al amplificador difertor comn) de muy alta impedancia de entraddor permite acoplar la etapa intermedia con la

icador de clase AB.

ARACTER STICAS GENERALES cional (A.O) es bsicamente un amplificador

iamente, para lograr una aplicacin universreunir las caractersticas ideales de un amplifica

rada elevada (ideal infinita).

ida baja (ideal cero).

(ideal infinita).

rsticas que apuntan a hacerlo ms flexibl

levado (ideal infinito).

sta pequeo (ideal cero).

2

asignado alrededoralizar una serie deacin, importantesollo de la tecnologaicio gran cantidad deles integrados que. El primer A.O fuemoso A.O 741 querna muy relevante y

configuraciones queora de combinarlas.iados conectados enor y desplazamientocorrientes, circuitos

a a nivel de bloquescaractersticas: tieneomn es muy alta. ElSuele ser una etapancial a travs de una para minimizar suetapa de salida que

de tensin de usol se deber utilizardor de tensin:

en cuanto a sus


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Bajo nivel de sea

Bajo nivel de ruid

Mxima excursin

Ganancia de tensi

Tensin de entrad

Gran estabilidad c

En base a las caractnecesitamos de dos entinformacin) y seales dedisponen de una salida, la

F

Las entradas, identificinversora y entrada inveaplicadas a la entrada de(Vc) como:

La tensin de salida se

La Ad, denominada gaA.O como Large Signalcomn no se indica directcomn o CMRR (Commo




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l de error (ideal cero).

(ideal cero).

de tensin a la salida (ideal Vcc).

n en modo comn 0 (RRMC = ).

a de modo comn elevada.

on la temperatura.

rsticas enumeradas; y como se dijo anteriorradas para distinguir entre seales diferencimodo comn (ruidos). Por lo general trabajancual, sin seal est a potencial 0 [V]. Su smbol

igura 2.-Smbolo de un amplificador operacional.

das por signos positivos y negativos, son denrsora respectivamente. Si denominamos Vp yun A.O, se define la entrada en modo diferenci

npd VVV =

2

np

c

VVV

=

expresa como:

ccddO VAVAV +=

nancia en modo diferencial, viene reflejada enoltage Gaino Open Loop Voltage Gain. La Ac,amente, sino a travs del parmetro de relacin-Mode Rejection Ratio) definido como:

c

d

A

ACMRR = o ( )

c

d

A

AdBCMRR log20 =

3

ente, es obvio queles (en general decon fuente partida yes el siguiente:

minadas entrada noVn a las tensiones

l (Vd) y modo comn

la hoja de datos delo ganancia en modode rechazo de modo


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Si suponemos un A.O

genera una indetermina

embargo, esa indetermin

resultado un valor finito

( )0== pn II , lo cual esadems se verifica que

simplifica mucho el anlisiconcepto idealizado del A.exactitud al comportamien

Figura

3. CONFIGU

3.1 EL AMPLIFICADLa ganancia del amplifi

las caractersticas del A.se cumple:

En el A.O idealN

V =

le denomina masa virtual

anterior resulta que la gan




6 B Electrnica

ideal, en donde su ganancia en modo difere

in ya que siddod

VAVA == deb

acin se resuelve cuando 0=dV ; el product

. Por ello, la entrada de un A.O ideal tie

coherente con decir que tiene una impedancia

np VV = (en el caso de realimentacin ne

is de circuitos basados en A.Os. El modelo delO real que sin embargo resulta muy prctico yto real de estos circuitos.

.-Representacin de un amplificador operacional ide

ACIONES B SICAS DEL AMPLIOPERACIONAL

R INVERSORicador inversor (figura 4) se obtiene analizando

ideal. Si las corrientes a travs de las lneas d

F

OUTN

G

NIN

RVV

RVV =

P. Pero en este caso 00 == NP VV , y po

al tener una tensin de 0V. Si 0=NV , sustitu

ancia es:

G

F

IN

OUT

R

R

V

VA ==

4

cial es infinita, esto

ra ser infinito. Sin

odd

VA da como

ne corrientes nulas

de entrada infinita y

ativa); este modelo

A.O ideal solo es une acerca con mucha

al.

FICADOR

l circuito y aplicandoe entrada son nulas,

ello, a este nudo se

endo en la ecuacin


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El trmino inversor se180 entre la entrada y la

3.2 EL AMPLIFICADLa ganancia del ampli

anterior a partir de las sig




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Figura 4.-Amplificador inversor.

ebe al signo negativo de esta expresin que inalida. La impedancia de entrada de este circuito

R NO INVERSORicador no inversor (figura 5) se resuelve de mientes ecuaciones:

GF

G

OUTINRR

RVV

+=

G

FG

IN

OUT

RRR

VV +=

G

F

IN

OUT

R

R

V

VA +== 1

Figura 5.-Amplificador no inversor.

5

dica un desfasaje dees RG.

nera similar al caso


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Luego, eliminando V1o

La expresin de salida

Cuando R2 = R4y R1 =

3.5 EL AMPLIFICAD

Analizando el circuito d

En el circuito anterior s




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btenemos la expresin de salida con respecto a

=

3

422

R

RVVOUT

total queda definida por:

3

42

3

43

21

21

R

RV

R

RR

RR

RVVOUT

+

+=

R3la ecuacin anterior se reduce a la siguiente:

( )3

421

R

RVVVOUT =

Figura 8.-Amplificador restador.

R SUMADOR NO INVERSOR

e la figura 9 podemos obtener fcilmente la expr

Figura 9.-Amplificador sumador no inversor.e observa que:

21 II = ;

43

II = y+

=VV

7

V2.

esin de ganancia.


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Luego, planteando lalas igualdades anteriores

4

4R

VI OUT

=

Ahora bien, igualandoVOUT.

La expresin final dede R1 y R2 sea igual al val

3.6 EL AMPLIFICAD

Un circuito integradorrealimentacin por un capun condensador es:

Al aplicar est ecuaciintegral de una seal anal

El tiempo de integraciecuacin de salida depenes que no tenemos formpuede cargar al capacitor

12 implementa la ecuaci




6 B Electrnica

cuacin correspondiente a cada una de las cobtenemos las expresiones de V+y V-

V

3

3R

VI =

2

22

R

VVI

=

+ 1I =

2

2

1

1

R

VV

R

VV =

++

21

1221

RR

RVRVV

+

+=

+

43 R

VV

R

V OUT =

43

3

RR

RVV OUT

+

=

las expresiones de V+ y V- podemos despejar

+

+

+=

3

43

21

1221

R

RR

RR

RVRVVOUT

OUTse puede simplificar para el supuesto de qur en paralelo de R3y R4.

2

2

41

1

4 VR

RV

R

RVOUT +=

R INTEGRADOR Y DERIVADOR

e obtiene sustituyendo en la configuracin inveracitor. La relacin que existe entre la tensin y

dt

dV

CI =

n al circuito de la figura 10 resulta que la tengica a la entrada:

( ) +

= ctedttVCR

V io1

n se encuentra definido por la constante R.Cde de la carga inicial del capacitor. El inconvenia de descargar al capacitor por lo que cualquihasta que la salida del circuito se sature.El cir

diferencial:

8

rientes y planteando

1

1

R

V+

la tensin de salida

e el valor en paralelo

ora la resistencia decorriente a travs de

sin de salida es la

el termino ctede laiente de este circuitoier corriente de fugauito dual de la figura


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Figura 11.-Res




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dt

dVCRV io =

Figura 10.-Circuito integrador.

uesta de un circuito integrador a una seal de entrad

Figura 12.-Circuito derivador.

9

cuadrada.


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3.7 EL AMPLIFICAD

Un amplificador de inamplificadores operacionalto rechazo al modo commuy precisa.

El amplificador de instrseales muy dbiles, taltambin pueden encontrapuede observar en la figur

Cuando R7 = R6, R5 =viene dad por:

Frecuentemente quereesta situacin, un comparla tensin en la entrada nproduce una tensin deentrada no inversora estensin de salida de nialimentacin del A.O).

La manera ms sencill

operacional sin resistenci




6 B Electrnica

R DE INSTRUMENTACIN

trumentacin es una configuracin compuestales. Est diseado para tener una alta impeda

n (CMRR), adems de poder establecer su gan

umentacin tiene gran aplicacin en casos en les el caso de equipos mdicos, entre otros. Ese integradas en un nico chip como el INA114a 13.

Figura 13.-Amplificador de instrumentacin.

2y R1 = R4tenemos que la tensin de salida de

( )

+=

2

6

3

112 21

R

R

R

RVVV ININOUT

4. EL COMPARADORmos comparar una tensin con otra para verador puede ser una solucin perfecta. En esta co inversora es mayor que la de la entrada invalida de nivel alto (aproximadamente +VCC).

menor que la de la entrada inversora, el comvel bajo (aproximadamente VCC o masa,

la de construir un comparador consiste en con

de realimentacin, como se muestra en la figur

10

creada a partir dencia de entrada y unancia de una manera

s que se trabaja constas configuraciones. La configuracin se

st configuracin

ual es la mayor. Enonfiguracin, cuandorsora el comparadoruando la tensin dearador produce unadependiendo de la

ctar un amplificador

14.


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Bsicamente un amplifi

la tensin en la entrada indetermina el valor de lasuponemos una tensin100000V, lo que es totalnunca podr superar. A e

Esta tensin de saturade A.O. Por ejemplo, el LPor lo tanto, siguiendo cdisparar a +VSAT, y cucomparando Vicon una s

A continuacin, en elsimple de 12V y a la entra

la tensin de referencia (

Como la corriente de e

En este caso, cuando lla diferencia entre ambasestar a nivel alto (cercande referencia, la diferenci(cercano a 0V).




6 B Electrnica

Figura 14.-Comparador de tensin.

icador operacional lee la tensin en la entrada

versora y el resultado lo multiplica por un nmetensin de salida. Supongamos una gananciade 1V en la entrada Vi (figura 14), la salidamente absurdo. Existe una tensin mxima dt tensin se le llama tensin de saturacin (VSA

cin vendr determinada por la tensin de alimM741, alimentado con una tensin de 12V laon el ejemplo anterior, cuando Vi sea mayorndo sea inferior a 0V la salida se dispararal de referencia que, en este caso, es 0V.

jemplo que sigue (figura 15), el circuito se alim da inversora se colocan dos resistencias de for

REF).

ntrada del A.O es 0, la tensin de referencia ven

1

21

12R

RR

VVref

+=

a tensin de entrada Visea mayor que la tensitensiones dar un nmero positivo y por lo tanto a 12V). Cuando la tensin de entrada Viseaentre ambas ser negativa y por lo tanto la sali

11

no inversora, le resta

o muy grande lo quetpica de 100000, sitendra que ser desalida del A.O que

T).

ntacin y por el tipo

SATes de unos 10V.que 0V la salida se a -VSAT. Estamos

nta con una tensina tal de poder variar

r dada por:

n de referencia VREF,la tensin de salidaenor que la tensin

a estar a nivel bajo


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F

4.1 EL COMPARADSi la entrada del com

cerca de la tensin dehistresis (figura 16).

Ntese como la realimse realimenta tensin a lael estado de la salida

permanecer en un estadestado. De la figura 16, sientrada no inversora vien

Para realizar el anlisiVO = +VCC. En ests condi

El supuesto VO= +VCC,que V1> V2, instante en el

Si ahora V1decrece, llser igual a VCC. Este com




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igura 15.-Comparador con tensin de referencia.

R CON HISTRESISarador contiene ruido, la salida puede ser erreferencia. Para solucionar esto se recurre a

Figura 16.-Comparador con histresis.

ntacin del circuito es positiva en lugar de negaentrada en forma aditiva, es decir, la realimentaxistente. Esto implica que la tensin de sal

o dado hasta que la entrada exceda la tensinsuponemos la entrada V2sin conexin, tenemodada por:

2

21

2 RRR

VV o

+=

de este circuito se supone que la tensin deiones:

2

21

2 RRR

VV CC

+

+=

implica que V1< V2. Si se hace crecer V1, llegarque la salida conmutar a VO= -VCC. En este es

2

21

2 RRR

VV CC

+

=

gar un momento en el que V1< V2, instante eortamiento se puede representar de forma grfic

12

tica cuando Vi estun comparador con

iva. Esto implica quein positiva refuerza

lida del comparador

de referencia de eseque la tensin en la

alida es inicialmente

un momento en eltado:

n el que VOvuelve aa:


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Figur

Se denomina histresicaso, la histresis es 2.V

Figura 18.-Respue




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a 17.-Comportamiento de un comparador con histre

s a la separacin entre los tramos verticales d, siendo:

2

21

RRR

VV CC

+=

sta de un comparador con histresis a una seal de e

13

sis.

e la grfica. En este

ntrada fluctuante.


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AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM741

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AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM324

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AM




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LIFICADOR DE INSTRUMENTACIN INA114

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COM




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PARADOR DE TENSIN LM111/LM211/LM311

17


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ANEXO I: Q

A continuacin se detmomento de realizar los p

Los prcticos aAmplificador invinversor, restadcomparador, coTTL, rectificador

En todos los prctensiones de alim

Las tensiones de12Vcc o +/ 5Vcc

Los valores de las

Se deben verificarvalores de tension

En el prctico delbajas, menos de lrestador de la sali

En el prctico deliguales, de estacomn.

Tanto en el circuiohms) por C (enorden de la sealfuncionamiento, qoperacional (100lectura con unrepresentacin fiel

En el ensayo dely las de salida, yaEnsayar con +/-5

En el ensayo de

clculos con los v

En todos los prfunciones y osciloonda, el rectificadgrficas deben est

En los circuitos re1N4148. Verificar l




medir en los prcticos de amp

operacionales?

lla qu se debe medir y qu precauciones o qcticos:

realizar para verificar la teora aqu expuestersor, amplificador no inversor, seguidor dor, integrador, derivador, amplificador dparador con histresis, comparador con h

de media onda, rectificador de onda complet

ticos: se deben medir todos los valores de lasntacin y de salida.

alimentacin en todos los prcticos es de un, y no con una fuente simple como aparece en al

resistencias deben oscilar entre 1K y 100K.

los valores medidos mediante los clculos seges y resistencias medidos, no con los ideales.

amplificador de instrumentacin, las tensionesa mitad de la tensin de alimentacin. Ademsa deben ser iguales entre s.

l amplificador restador, es aconsejable que lasanera se optimiza la relacin de rechazo a l

ito integrador como en el circuito derivador elfaradios), da un tiempo T (segundos). Estealterna que se inyecta en la entrada del operaciue a su vez debe ser compatible con la frecuenz para cualquier operacional). En este prctisciloscopio de las seales de entrada y sen el informe.

omparador comn es importante medir las tensique as se verifican las tensiones a las cualescc y con +/-12Vcc.

l comparador con histresis, se deben verific

lores verdaderos las tensiones de la histresis.

ticos que involucren seales alternas (ensayoscopio), es decir, el integrador, el derivador, elor de onda completa, las mediciones de las foar en los informes a realizar.

tificadores ensayarlos a 100Hz y a 1KHz, conla rectificacin para seales mayores y menore

lificadores

tener en cuenta al

a son 13, a saber:tensin, sumador

e instrumentacin,stresis con salida.

resistencias y de las

fuente partida, +/ gunos apuntes.

n el apunte y con los

e entrada deben ser, las resistencias del

4 resistencias seans seales de modo

producto de R (entiempo debe ser delional para verificar elcia de operacin delco es importante laalida, as como su

ones de alimentacinatura el operacional.

ar las mediante los

s con generador derectificador de mediamas de onda, y sus

iodos 1N4007y cona 0,7V de pico.

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