Tutorial Electronic A - Amplificadores Operacionales

Unidad Orientativa(Electrnica)

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Amplificadores Operacionales

Curso introduccin a los Amplificadores Operacionales Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

ndice Temtico2

1. Que son los amplificadores operacionales? 2. Conociendo a los Amp. Op. 3. Parmetros Principales. 4. Circuitos Bsicos Comparador Amplificador No inversor y Seguidor de Tensin Amplificador Inversor Sumador Restador Filtro Pasa Alto y Pasa Bajo


1_Que son los Amplificadores Operacionales? Los Amplificadores operacionales, son dispositivos de estado solido que se implementan como bloque constructivo en una gran variedad de circuitos anlogos, como as tambin digitales. Algunas de sus aplicaciones mas importantes incluyen: preamplificadores, amplificadores de voltajes, ecualizadores, comparadores de voltajes, generadores de funciones, filtros activos, osciladores, entre otros... Fueron el corazn de las primeras computadoras electrnicas, y hoy en da, siguen ocupando un lugar privilegiado entre los circuitos integrados de ms empleo. 2_Conociendo a los Amp. Op. Un amplificador operacional es, bsicamente un amplificador de voltaje de alta ganancia acoplado directamente. En la siguiente figura se muestra su simbologa

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Externamente consta de dos lneas de entrada una inversora y otra no inversora, una lnea de salida y dos lneas de alimentacin que se conecta generalmente a una fuente bipolar simtrica, esto permite que la salida pueda tomar valores tanto positivos como negativos dependiendo de la relacin de las entradas. Esto se puede apreciar mejor si analizamos la ecuacin para el voltaje de salida: Vo = Ao * (V2-V1)

Donde Ao se conoce como la ganancia en lazo abierto o la ganancia natural del Amp. Op., cuyo valor es generalmente en el orden de los millones, ms adelante se tratar este tema.Curso introduccin a los Amplificadores Operacionales Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

La relacin entre las entradas y la salida puede observarse en la siguiente figura:

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Como podemos ver en el ejemplo, si se implementa un voltaje en la entrada negativa, mientras que la entrada positiva es cero, se produce un desfase de 180 grados, es decir, en la salida tendremos una inversin con respecto a la entrada.

En este otro ejemplo, se observa que un voltaje aplicado a la entrada positiva mientras la entrada negativa es cero, produce un voltaje de igual fase en la salida pero de valor amplificado.Curso introduccin a los Amplificadores Operacionales Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

3_Parmetros Principales:Naturalmente como todo dispositivo elctrico y electrnico, el Amp. Op. tambin tiene ciertos parmetros que nos ayudan a escoger un amplificador de otro. A continuacin se mencionan los parmetros ms importantes que caracterizan a un Amp. Op.: 1_ Ganancia de Voltaje en Lazo Abierto (Ao): Idealmente un Amp Op debe tener una ganancia infinita, en la prctica este valor puede llegar hasta 100000, aunque es ms comn representar este valor en unidades de decibelios (20*log(100000) = 100dB). Recurdese siempre que el Amp Op amplifica solo voltaje, para la corriente se requieren transistores de potencia tipo BJT o MOSFET. 2_ Impedancia de Entrada (Rin): Es la resistencia que observa el circuito de entrada externo entre las entradas positiva y negativa. Su valor esta entre 1M. a 1T., esta caracterstica le permite conectarse con fuentes de tensin relativamente sensible sin perder la seal debido a que es como si no existiera una conexin real. 3_ Impedancia de Salida (Rout): Es la resistencia que observa el circuito de salida externo en el pin de salida. Su valor esta entre 10 a 100., esta caracterstica evita que el voltaje amplificado pase en su totalidad hacia el circuito de salida. 4_ Ancho de Banda o Frecuencia de Corte (BW Ft): Es la mxima frecuencia que el amp op puede procesar con el mismo factor de amplificacin. Su rango vara dependiendo de la aplicacin entre 10KHz hasta 10GHz. 5_ Voltaje offset de Entrada (Voffset): Una desventaja del Amp Op es que cuando ambas entradas son cero, el voltaje de salida tiende a tener un ligero valor positivo o negativo conocido como offset o desplazamiento desde cero. Su rango vara entre 100uV hasta 10mV. Este factor toma especial importancia cuando se trata de amplificar seales muy dbiles. 6_ Voltaje de Alimentacin (VCC): Se trata de los valores mximo y mnimo de voltaje bipolar con el puede funcionar el Amp Op, existen incluso algunos Amp Op que pueden operar con fuentes simples lo que los hace muy tiles en aplicaciones porttiles con bateras. Su rango se encuentra entre los +/-3V hasta los +/-25V.

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4_Circuitos Bsicos:Bien, hasta ac vimos y reconocimos grficamente cuales son los terminales genricos en los Amp. Op., conocimos sus funciones en modo inversor, y en modo no inversor, conocimos algunos de sus parmetros mas importantes, y ahora, conoceremos cuales son los diseos y configuraciones bsicas de todo amplificador operacional

Comparador:El esquema del comparador es mostrado a continuacin.6

Vo = +VCC si Vs > Vt Vo = -VCC si Vs < VtDebido a la alta ganancia que se tiene en lazo abierto (sin retroalimentacin a las entradas),una pequea diferencia entre el voltaje de entrada positivo y el negativo causa que la salida se sature ya sea al voltaje de alimentacin positivo o al negativo. A modo de sntesis, como ya lo mencionamos anteriormente en la formula expuesta arriba, entendemos que la salida del amplificador operacional ( Vo) tendr un voltaje con una polaridad dada segn: 1_La salida Vo ser positiva si se cumple que el voltaje de entrada Vs es mayor que el voltaje Vt. 2_La salida Vo ser negativa, si se cumple que el voltaje de entrada Vs es menor que el voltaje Vt. Esta seal puede ser para chequear el estado de sensores tales como NTC, PTC, Fotoclulas, Fotodiodos, Micrfonos, etc; u bien, con un poco de ingenio por parte nuestra, se podra aplicar en circuitos de control. Por ejemplo circuitos para control de temperatura, humedad, etc, donde Vt seria el set point del circuito que nos definira cuando queremos que acte nuestro equipo dndonos una seal dada a sus salida.


Amplificador No inversor y Seguidor de Tensin:Este esquema se caracteriza por ingresar la seal a travs de la entrada positiva de esta manera la salida amplificada estar en fase con la seal de ingreso. Un detalle de este y de los siguientes circuitos es la re-alimentacin que existe entre la salida y la o las entradas, esto permite reducir la amplificacin en lazo abierto a cualquier valor ms conveniente.

Vout = Vin * (1 +(R1/R2))7

Una modificacin del amplificador no inversor es el seguidor de tensin, en este caso la resistencia de re-alimentacin se ha reemplazado por un alambre (0 resistencia), la ganancia del circuito es 1, esta configuracin se utiliza principalmente para aislar la fuente de la seal, del sistema de amplificacin, muy utilizado para seales dbiles o ruidosas.


Amplificador Inversor:En el caso de un amplificador inversor, la seal de ingreso ha sido aplicada a la entrada negativa por lo que la salida tendr un desfase de 180 grados elctricos con respecto a la entrada, de ah el nombre. Una caracterstica importante de este amplificador es que puede actuar como atenuador, es decir en vez de agrandar seal, la empequeece; este se puede apreciar al analizar la ecuacin de ganancia donde se observa que si la resistencia de realimentacin, es menor que la de ingreso entonces la ganancia ser menor a la unidad (atenuacin).

Vout = - Vin (RF / RI)8

Sumador: Vout = - (RF/R1)*V1 - (RF/R2)*V2 - (RF/R3)*V3

Si se observa detenidamente, esta configuracin no es ms que dos o ms amplificadores inversores en uno solo, esto se comprueba tambin al analizar la frmula para el voltaje de salida. Utilizando amplificadores inversores adicionales se puede obtener fcilmente un restador mltiple.


Restador:A diferencia del sumador anteriormente mostrado, este circuito solo puede restar dos seales ya que una se aplica a la entrada negativa y la otra a la entrada positiva. Es comn la utilizacin de esta configuracin en el diseo de dispositivos electrnicos mdicos tales como electrocardiogramas, electroencefalogramas, monitores cerebrales y varios sistemas de monitoreo de sensores en industrias tales como sensores de gas, temperatura, humedad, radiacin, etc.... Vout = (R2/R1) * (V2 . V1)

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Filtro Pasa Alto y Pasa Bajo:Los filtros en general son usados para eliminar seales no deseadas que por varias razones intencionadas o no se encuentran presentes en la seal de inters. Existen muy diversos tipos de filtros as como maneras de clasificarlos, probablemente la ms sencilla sea de acuerdo al rango de frecuencias que manejan, de acuerdo a este criterio se pueden tener filtros pasa-bajos, pasa-altos, pasa-banda y rechaza-banda. Los dos primeros se muestran a continuacin junto con la ecuacin que permite calcular la frecuencia de corte, que es la frecuencia a la cual la ganancia del filtro empieza a disminuir lentamente atenuando al resto de frecuencias, esto para los filtros pasabajo, en el caso de filtros pasaalto sucede lo contrario. Fc = 1 / (2 * p * R * C)


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