El amplificador Operacional

Departamento de Electricidad y Electrónica Industrial

Profesor: M.C. Rubén Loredo Amaro

Introducción Un amplificador operacional (AO) es

un amplificador diferencial de muy alta ganancia e impedancia de entrada y baja impedancia de salida.  Comenzaron a ser comercializados en la década del '60.  Actualmente, su uso se ha extendido principalmente gracias al avance realizado en la tecnología de los CI (circuitos integrados). 

Se encuentran tanto en hornos de microondas como en circuitos controladores de motores.  Son utilizados para proporcionar cambios en la amplitud y polaridad de voltaje, en circuitos de filtros, de instrumentación, osciladores, etc.

CLASIFICACIÓN Los diseñadores de AO han ido

efectuando modificaciones al circuito original presentado en la década del '60, por lo que hoy existen diversas variantes.  Así, los fabricantes clasifican a los AO según una característica especial del producto: alta velocidad, bajo consumo, etc.

Por ejemplo National Semiconductor ofrece distintos modelos de AO, clasificados de la siguiente manera:

CODIFICACIÓN Los AO (y CI en general) se presentan con distintos

encapsulados en cuya cara superior se encuentran impresos códigos alfanuméricos.  Para conocer el significado de dichos códigos se recomienda consultar el catálogo o manual del fabricante correspondiente.  Sin embargo, podemos destacar algunas reglas generales:

2.1 Prefijo El prefijo indica el nombre del fabricante y a veces ciertas

características del dispositivo.  Como ciertos prefijos se repiten en más de un fabricante, algunos agregan su logo para distinguirse.

Prefijos de fabricantes

SufijoEl sufijo generalmente indica la versión Comercial (más barata) ® C ; E Intermedia ® I Militar (especificaciones más rigurosas) ® nada ; A ; M y el encapsulado, por ejemplo:

CDIP o CerDIP (Ceramic Dual In-Line Package)® J (NS) ; F (PS) ; J, JG (TI) ; ... CerPAK o CFP (Ceramic Flat Package) ® U (TI) ; W (NS, TI) ; ... CLCC o LCC o LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) ® FK (TI) ; ... PDIL o PDIP (Plastic Dual-In-Line Package) ® N (AD, FS, NS, PS, ST, TI) ; P (TI); ... SO o SOP (Small-Outline Package) ® M (FS, NS) ; D (FS, PS, ST, TI) ; ... TO (Cylindrical Package) ® H (AD, NS) ; ... TSSOP (Thin Shrink Small-Outline Package) ® PW (TI) ; ...

Ejemplos:

LM741CN ® amp-op 741 fabricado por National Semiconductor en versión comercial con encapsulado plástico DIP.

UA747N ® amp-op 741 dual fabricado por STMicroelectronics en versión militar con encapsulado plástico DIP.

AO 741

El 741 es un AO de bajo costo ampliamente utilizado por ser de propósito general.

El AO 741 se consigue en el mercado con diferentes encapsulados.

Encapsulados

Encapsulados

Fuente de Datos Las hojas de datos (data sheets) son el conjunto

de especificaciones dado por el fabricante respecto a un determinado producto.

Especificaciones de una hoja de datos

Parámetros máximos absolutos: si se superan, el dispositivo puede dañarse permanentemente.  Bajo ninguna circunstancia deben ser igualados o superados.

Supply Voltage (voltaje de alimentación) Power Dissipation (potencia de disipación) Differential Input Voltage (voltaje diferencial de entrada): voltaje límite aplicado

entre ambas entradas. Input Voltage or Common Mode Voltage (voltaje de entrada en modo común):

voltaje límite aplicado simultáneamente a ambas entradas. Operating Temperature (temperatura de operación): es el rango de temperatura

ambiente para el cual el AO opera dentro de las especificaciones del fabricante.  Notar la diferencia entre distintas versiones.

Output Short-Circuit Duration (duración del cortocircuito a la salida): tiempo durante el cual la salida del AO puede cortocircuitarse a tierra o a cualquiera de las fuentes de alimentación sin sufrir daños.

Características eléctricas Son aquellos parámetros que pueden afectar o limitar el desempeño del circuito. 

Cotejando hojas de datos de distintos AO, el diseñador puede elegir aquel dispositivo cuyas características cumplan las especificaciones de diseño de su poryecto.

Input Offset Voltage (voltaje offset de entrada): es el voltaje DC equivalente que debe aplicarse a una de las entradas mientras la otra está conectada a tierra para obtener 0[V] a la salida.

Input Bias Current (corriente de polarización de entrada): es el promedio de las corrientes que circulan por las terminales de entrada en un AO no ideal. (IB++IB-)/2

Input Offset Current (corriente offset de entrada): es la diferencia entre las corrientes de entrada. IB+-IB-

Input Voltage Range (rango de voltaje de entrada en modo común): es el rango de voltaje de entrada en modo común para el cual la salida no presenta distorsión.

Input Resistance (resistencia de entrada): es la resistencia interna de entrada vista desde cualquier entrada mientras la otra permanece conectada a tierra.

Output Resistance (resistencia de salida): es la resistencia interna vista entre la salida y tierra.

Output Short-Circuit Current (corriente de salida en cortocircuito): máxima corriente de salida que el AO puede entregar a la carga.

Características eléctricas Maximum peak output voltage swing  (voltaje de salida máximo o voltaje de saturación): en el AO

ideal el voltaje de salida máximo es igual al voltaje de alimentación. Large-Signal Voltage Gain or Open-Loop Voltage Gain (ganancia de voltaje en lazo abierto) Slew Rate at unity gain (razón o tasa de cambio para ganancia unitaria): idealmente la salida debe

seguir a la entrada sin distorsiones, sin embargo el AO real tiene dificultades para seguir señales que cambian con el tiempo.  Así: SR=DVo/Dt

Supply Current (corriente de la fuente): corriente que el AO consume de la fuente de alimentación. CMRR Common-Mode Rejection Ratio (razón de rechazo en modo común): es una medida de la

habilidad del AO para rechazar señales presentes simultáneamente en ambas entradas.  Idealmente las señales comunes no influyen sobre la salida, pero para un AO real se define CMRR = Ad/Acm = ganancia diferencial/ganancia en modo común.  Usualmente se mide en decibeles, donde CMRR(dB)=20logCMRR.  Ejemplo: si un AO presenta CMRR=90dB, podemos decir que las señales comunes son amplificadas alrededor de 30000 veces menos que las señales no comunes.

Channel Separation (separación de canales): cuando en un encapsulado se encuentran más de un AO, también suele presentarse interferencia entre ellos.  Es decir que en un 747, la/s señales presentes en las entradas de un AO repercuten en la salida del otro.  La medida de qué tan bien las señales presentes a la entrada de un AO son rechazadas o atenuadas a la salida del resto de las secciones se mide en dB y se calcula como 20log(vo1/vo2).  Ejemplo: si la separación de canales de un 747 es de 120 dB, una señal de salida vo1=1V implicará una señal de salida vo2=1mV.

Rise Time (tiempo de crecimiento): tiempo que la salida tarda, en respuesta a un pulso de entrada, en pasar del 10% al 90% de su valor final.

ANALISIS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES CIRCUTOS PRACTICOS

PRACTICA 1. Amplificador Seguidor de Voltaje Este es un amplificador se le conoce también como: Amplificador seguidor de fuente Amplificador de ganancia unitaria Amplificador de aislamiento Proporciona una ganancia unitaria sin inversión de polaridad ni

fase por lo que queda claro que el voltaje de salida es igual al de la entrada.

¿Por qué preocuparse por una amplificador que su ganancia es de uno?

El interés principal no se encuentra en la amplificación si no mas bien en el efecto de carga en la entrada

El seguidor de voltaje se utiliza porque su resistencia de entrada es alta (muchos megaohms). Por tanto, extrae corriente despreciable de una fuente de señal

Efecto de carga Considere el siguiente circuito donde las

resistencias en serie R1 y R2 forman un divisor de voltaje entonces en el punto A será de 6v.

Se le conecta al circuito una resistencia de carga RL que drenará parte de la corriente hacia esta resistencia.

Entonces el voltaje caerá en el punto A por el efecto de carga de la resistencia RL, (4V)

Considere que mientras se aumente el valore de resistencia de la carga el voltaje Va se aproximará al valor teórico de 6v.

6v4 v

Practica 1 Amplificador seguidor

Considere el mismo circuito pero ahora con un amplificador de ganancia unitaria utilizando el LM741CN, entre el punto A y la carga.

¿Cuál será el voltaje en RL? ¿Por qué?

Voltaje en el divisor entrada no inversora

Medición a la Salida del Amplificador

Detalle del circuito

PRÁCTICA No. 2 AMPLIFICADOR INVERSOR

Circuito Amplificador inversor

El amplificador inversor. En este circuito, la entrada (+) está a tierra, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2. (nota: R2 también se le conoce como Rf)

viRR

vo12

Tierra Virtual

Si se aplica un voltaje positivo Vi a través del resistor de entrada R1 a la entrada (-) del AO. Se proporciona realimentación negativa por el resistor R2.

El voltaje entre las entradas (+) y (-) es esencialmente igual a 0v. Por tanto, la terminal de entrada (-) también es 0v, de modo que el potencial de tierra está en la entrada (-) por esta razón, la entrada (-) se dice que está a tierra virtual.

Circuito Practico Amplificador Inversor Ejemplo: determinar

el voltaje se salida del siguiente circuito, si la salida del generador es de 1vp

vpkk

vo 1.110

vpvo 10

Vi=1 Vp. Vo=-10 Vp.

0 1 2 3 4 5 6-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5 6-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

viRR

vo12

Equipo: Generador y Osciloscopio

Medición de Señales de entrada y salida del AO. Inversor

Saturación del Amplificador Operacional

Amplificador NO Inversor

Comparador de Voltaje No inversor positivo

Vref=6V

VccRR

RVref .

212

Voltaje de referencia como afecta a la salida