Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Ingeniería

Laboratorio de Dispositivos y Circuitos Electrónicos

Práctica 5

Configuraciones Básicas del Amplificador Operacional.

Introducicón.

Amplificador operacional.

Un amplificador operacional es un amplificador diferencial integrado, su empleo surgió inicialmente en el uso en cálculos matemáticos. Pueden ser utilizados en lazo abierto (open-loop) o con realimentación (closed-loop). Cuando se emplean en circuito abierto tienen una ganancia muy elevada (del orden del 105); con realimentación, la ganancia viene limitada por la relación entre la impedancia de realimentación dividida por la impedancia de entrada. Estos circuitos integrados están formados interiormente por tres etapas; entrada o diferencial, intermedia y salida.

Símbolo

Aunque exteriormente puedan tener distintos formatos, e interiormente distintos esquemas, las patillas sueles ser siempre las mismas:- Dos entradas: inversora y no inversora.- Una salida.- Dos terminales de alimentación. Además puede haber otros terminales dependiendo del tipo de operacional:- Para regulación del offset.- Para la compensación en frecuencia.- Para conectar la masa y efectuar diferentes compensaciones.

Generalidades y conceptos básicos.

La denominación de Amplificador Operacional fue dada originalmente por John Ragazzini en el año 1947 (año en el que, por otro lado, se inventa el primer transistor).Esta denominación apareció: por su utilización en las técnicas operacionales, es decir circuitos que ejecutaban operaciones matemáticas tales como Derivación, Integración, Suma, resta, Logaritmos, etc.

Como podemos suponer los primeros AO fueron construidos con válvulas por lo que fueron voluminosos y con gran consumo de energía.Con la aparición del transistor Bipolar se construyeron AO discretos, pero la verdadera revolución se produjo en el año 1968 con la fabricación del primer AO como circuito integrado: el μA741 diseñado por Robert Widlar en Fairchild Semiconductor Corporation.

Alimentación.

El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples cómo con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0V. EL valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un máximo y un mínimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador, el valor de tensión que se escoja, únicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentación.

AO ideal

Normalmente el tema de los AO se inicia con la definición de lo que se conoce como “Amplificador Operacional Ideal”.Previo a ello repasemos los tipos de amplificadores que conocemos y cual es su denominación en función al tipo de entrada / salida:

Entrada Salida Denominación Ganancia Ri ideal Ro ideal

Vi Vo Amplificador de tensión VV ∞ 0

Ii Io Amplificador de Corriente II 0 ∞

Vi Io Amplificador de transconductancia IV ∞ ∞

Ii Vo Amplificador de transresistencia VI 0 0

Un AO ideal es genéricamente un amplificador diferencial de tensión con las siguientes características:

Amplificador operacional ideal.

Un amplificador operacional ideal debería reunir las siguientes características:

• a) Ganancia en lazo abierto (A) infinita.• b) Ancho de banda infinito.• c) Impedancia de entrada infinita.• d) Impedancia de salida nula.

Como consecuencia de estas características, tenemos:

Como A tiende a infinito, Vi tenderá a 0. Como Zent. Es muy elevada, Ii será 0.Cuando se cumple Ii=0 y Vi=0 se dice que en la entrada existe una tierra virtual o cortocircuito virtual. Cortocircuito virtual o tierra virtual es pues el hecho de que entre dos puntos se cumple que a efectos de tensión es un cortocircuito y a efectos de intensidad un circuito abierto. También podemos decir que es aquel punto de un circuito que estando a 0V de tensión, no consume corriente.

Saturación.

Si introducimos en un amplificador operacional (A.O.) una cierta tensión de entrada, a la salida obtendremos esa misma tensión de entrada multiplicada por la ganancia Vo = A(Vi). Por ejemplo. Si un A.O. tiene una ganancia de 100.000 e introducimos una tensión de 1 voltio, se comprende fácilmente que a la salida no tendremos 100.000 voltios, sino que la tensión de salida estará limitada por la tensión de alimentación, por consiguiente la máxima tensión de salida de un A.O. es la tensión de alimentación, más exactamente el 90% de dicha tensión de alimentación; cuando el A.O. está en esta situación se dice que está saturado.

Formas de trabajo.

Las formas de trabajo de A.O. se pueden agrupar en:

• a) Sin realimentación (lazo abierto).• b)Con realimentación positiva. Con aplicación en los osciladores.• c) Con realimentación negativa.

También se pueden agrupar en dos: Aplicaciones no lineales (a y b).Aplicaciones lineales (c).

Parámetros fundamentales de un A.O.

Ganancia de tensión en bucle abierto.

Es como en todo amplificador, el cociente entre la tensión de salida y la de entrada cuando hay realimentación. En los A.O. actuales se alcanzan valores de 100.000 o más y es frecuente que el fabricante los especifique en dB.

Impedancia de entrada.

Normalmente expresa la parte resistiva vista desde los terminales de entrada. Son típicos los valores de algunos megaohmios.

Impedancia de salida Zo.

Es asimismo la parte resistiva vista desde los terminales de salida. Son típicos valores entre 100 y 200 ohmios.

Margen de tensiones de entrada Vi.

La tensión en los terminales de entrada no debe superar nunca la de alimentación, pues en caso contrario podría dañarse el circuito.

Margen de tensiones de salida.

Tal como hemos visto, la tensión máxima a la salida no puede ser superior a la de alimentación y cuando se alcanza esta tensión máxima de salida se dice que el A.O. está en saturación.

Tensión diferencial de descentrado a la salida (off-set).

En un A.O. ideal la tensión de salida es nula cuando ambas entradas se hallan a potencial cero. En la práctica no encontramos con que esto no se cumple, y aparecen en los circuitos internos de entrada pequeñas tensiones que, una vez amplificadas por la alta ganancia del dispositivo pueden llevar a la salida incluso hasta el estado de saturación. Para evitar este inconveniente la mayoría de A.O. poseen métodos externos de corrección, que será conveniente emplear en circuitos en los que se requiera alta precisión (por ejemplo en seguidores de tensión).

a. Seguidor

b. Inversor

c. No Inversor

d. Sumador Inversor

e. Restador