UD10. Amplificador Operacionalprofesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes/Analogica... · amplificador diferencial, ... tensión en la resistencia Rc aumenta y por consiguiente

AAMMPPLLIIFFIICCAADDOORR

OOPPEERRAACCIIOONNAALL

1100

Electrónica analógica

Unidad 10. Amplificador operacional. 1

ÍNDICE

OBJETIVOS ................................................................................................. 3

INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 4

10.1. AMPLIFICADORES OPERACIONALES. EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL ......................................................................................... 5

10.2. LA FUENTE DE CORRIENTE CONSTANTE ......................................... 6

10.3. EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL ....................................................... 9

10.4. ETAPA DE POTENCIA ......................................................................... 12

10.5. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES ................................................................................ 13

10.6. TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES ............................. 15 10.6.1. De uso general ................................................................................. 15 10.6.2. De bajo consumo ............................................................................. 15 10.6.3. De alta corriente de salida ............................................................... 16 10.6.4. De gran velocidad ............................................................................ 16 10.6.5. De alta tensión ................................................................................. 16 10.6.6. De instrumentación .......................................................................... 17

10.7. DIFERENCIAS DE LOS PARÁMETROS REALES .............................. 18 10.7.1. Ajuste de la tensión de compensación ............................................. 18 10.7.2. Corrientes de entrada ...................................................................... 19

10.8. CIRCUITOS PRÁCTICOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES ................................................................................ 20

10.8.1. Configuraciones básicas .................................................................. 20 10.8.1.1. La realimentación ...................................................................... 20 10.8.1.2. Consideraciones prácticas. ....................................................... 22 10.8.1.3. Adaptador de impedancias (o seguidor de tensión) .................. 23 10.8.1.4. Amplificador inversor ................................................................. 24 10.8.1.5. Amplificador no inversor ............................................................ 29 10.8.1.6. Sumador de tensión inversor ..................................................... 30 10.8.1.7. Amplificador diferencial. ............................................................ 32 10.8.1.8. Comparador de tensión ............................................................. 34 10.8.1.9. Báscula de schmitt .................................................................... 35 10.8.1.10. El integrador ............................................................................ 38 10.8.1.11. El derivador ............................................................................. 40

10.8.2. Generadores de señal (osciladores) ................................................ 43 10.8.2.1. Generador señal cuadrada ........................................................ 43 10.8.2.2. Generador de impulsos ............................................................. 45 10.8.2.3. Generador de onda triangular ................................................... 48 10.8.2.4. Oscilador controlado por tensión V.C.O. ................................... 49 10.8.2.5. Osciladores senoidales ............................................................. 53

U10.-Amplificador operacional 2

10.8.3. Filtros activos con amplificadores operacionales ............................. 54

10.8.3.1. Filtros pasivos y activos ............................................................ 54 10.8.3.2. Filtro paso bajo y alto activo ...................................................... 56 10.8.3.3. Filtros paso banda. .................................................................... 57 10.8.3.4. Filtro activo de rechazo de banda. ............................................ 58 10.8.3.5. Otros tipos de filtros. ................................................................. 59

10.8.4. Las fuentes de alimentación utilizando amplificadores operacionales ................................................................................. 60

10.8.4.1. Fuente de tension de referencia ............................................... 61 10.8.4.2. Regulador serie ......................................................................... 62 10.8.4.3. Rectificador de precisión de media onda .................................. 66 10.8.4.4. Rectificadores de onda completa de precisión ......................... 67

RESUMEN ................................................................................................. 69

Electrónica Analógica

U10..- Amplificador operacional

3

OBJETIVOS

Los objetivos que el alumno debe alcanzar tras el estudio de esta unidad son:

Conocer el amplificador operacional, su constitución interna así como sus características fundamentales.

Aprender y montar circuitos básicos, comprobando su funcionamiento, determinando las diferencias entre lo calculado y la realidad.

Diseñar y montar generadores de señal, observando su correcto funcionamiento.


INTRODUCCIÓN

Dentro de la electrónica analógica, un componente fundamental es el amplificador operacional. Compuesto internamente por transistores (anteriormente estudiados), nos ofrece unas posibilidades infinitas en el diseño de circuitos en todos los campos de la electrónica (industrial, doméstica etc.). Estos “Chips”, con muy poca circuitería asociada (apenas unas resistencias etc.), pueden realizar tareas que sólo con transistores seria casi imposible.

Muchos de los circuitos que con transistores suponían complejos cálculos, muchas soldaduras, sin la seguridad completa de su funcionamiento, veremos que se simplifican muchísimo con los amplificadores operacionales. Estos nos brindan un funcionamiento bastante exacto a lo calculado, su montaje es sencillo, siendo muy reconfortante estudiar un circuito, calcularlo, montarlo y... ¡a funcionar!

El primer amplificador operacional apareció en 1963, se utilizó para realizar calculadoras analógicas (de ahí su nombre de “operacional”), y desde entonces hasta ahora han cambiado pocas cosas, son mas robustos existiendo diferentes tipos según la aplicación, pero su funcionamiento apenas ha cambiado.

Así pues, vamos a descubrir una herramienta eficaz para el estudio y la aplicación de la electrónica.



5

1.1. AMPLIFICADORES OPERACIONALES. EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Es la parte fundamental del amplificador operacional, y su nombre describe muy bien su comportamiento, se trata de un circuito con dos entradas y una salida, aplicando diferentes tensiones en cada una de las entradas obtenemos a la salida la diferencia de tensión entre las dos entradas y a su vez, si lo deseamos, amplificada por un valor llamado ganancia de amplificación.

Por ejemplo: en una de las entradas aplicamos 3V y en la otra 1V, a la salida, obtendremos 2V multiplicados por la ganancia de amplificación que deseemos, si queremos que sea 5, la tensión de salida será 10V.

Imaginemos que el cuadro es el amplificador diferencial:

Figura 1.1. Dibujo de un amplificador diferencial.

La expresión matemática del amplificador diferencial será:

Vs = Ad(V1-V2),

En nuestro ejemplo sería:

Vs = 5(3-1)=10V

Una vez comprendido esto, más adelante veremos su estructura interna compuesta por transistores

VS

V2

V1 AMPLIFICADORDIFERENCIAL


1.2. LA FUENTE DE CORRIENTE CONSTANTE

Es la segunda parte fundamental de los amplificadores operacionales, encargada de alimentar el circuito que compone el amplificador diferencial de una manera eficaz para obtener estabilidad en su funcionamiento. Su objetivo: mantener una corriente fija independientemente de la resistencia de carga que tenga (en nuestro caso el circuito de amplificación diferencial). ¿Cómo lo conseguimos? El circuito es el siguiente:

I B2

+ VCC

RCR1

T1

RER2

T2

I B1V B1

I E1

I E2

I C2I 1

Símbolo fuente corriente

Figura 1.2. Dibujo de una fuente de corriente constante.

Como se puede observar es un circuito sencillo basado en transistores

bipolares, estos tienen una ganancia elevada, es decir tienen una muy

grande, por lo que para su estudio consideraremos las corrientes de base imperceptibles:

Ib1=Ib2=0.

Observando la primera parte del circuito, vemos como el transistor T1 tiene unidas la base y el colector, este transistor se comportará como un diodo, como se muestra en la figura. De este modo la corriente que circula por la resistencia R1 será la misma que circule por el colector y emisor de T1, ya que despreciamos las corrientes de base, es decir:



7

I1=Ic1=Ie1

La tensión colector-emisor, al comportarse como un diodo será de 0,7V, esto es:

Vce = Vbe = 0,7V

La tensión en la base del T1, será la suma de la Vbe y la tensión en R2:

Vb1 = Vbe1 + Vr2 = Vbe1 + R2 * I1

Despejando:

I1=Vb1-Vbe1 / R2

La corriente dependerá de la tensión de alimentación:

I1=(Vcc – Vbe1) / (R1 +R2)

La tensión en la base de transistor es:

Vb1 = Vbe1 + R2 * I1= Vbe1 + R2 * (Vcc-Vbe1) / (R1 + R2)

Traduciendo esta fórmula, vemos que la tensión en la base del transistor T1, es constante, si lo es el valor de la tensión de alimentación y constantes las características de los transistores y resistencias (estos componentes lo son), así que tendremos cuidado en tener buenas fuentes de alimentación para que funcionen correctamente los amplificadores operacionales.

Continuamos con el circuito. En la parte del transistor 2, la suma de las tensiones base-emisor de T2 y la tensión en la resistencia Re tendrán que ser igual a la tensión en la base de T1 (pues está unida al colector).

Esto es;

Vb1 = Vbe2 + Vre

Vb1 = Vbe2 + Re * Ie2

Despejando la corriente:

Ie2 = (Vb1-Vbe2) / Re


La corriente de colector y de emisor será la misma;

Ic2 = Ie2

Ic2 = (Vb1-Vbe2) / Re

Con lo que deducimos que la corriente Ic2, que es la que se aplica a la carga (Rc), no depende de esta sino de unos parámetros que al ser constantes, mantendrán Ic2 constante.

Como veremos más adelante, la carga Rc, será el circuito que compone el amplificador diferencial, pero para no liarnos lo representamos como una simple resistencia, pues su comportamiento eléctrico es el mismo.



9

1.3. EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Es la parte fundamental del amplificador operacional. Antes hemos explicado su funcionamiento genérico ahora veremos su estructura interna. El circuito es el siguiente:

+ VCC

Rc

T3Rc

T2

IE1

VS

T1

IE2

V1 V2

D1

- VCC

Figura 1.3. Dibujo del amplificador diferencial.

Como se observa en la figura, los transistores T1 y T2 están polarizados a través del transistor T3 que realiza la función de fuente de corriente constante, la corriente que circula por T3 será la suma de las corrientes que circulan por los otros dos transistores esto es:

I1 = Ie1+Ie2

La tensión a la salida será pues la tensión de alimentación menos la que nos quede en la resistencia de carga:

Vs = Vcc-Vrc

Como la corriente de base es despreciable, la corriente de emisor y de colector de los transistores T1 y T2 será la misma:


Ic1 = Ie1, Ic2 = Ie2

Vs = Vcc-Vrc = Vcc – Rc*Ic2.

¿Cómo se obtienen las entradas positiva y negativa?

Vamos a ver como se comporta el circuito si variamos las tensiones de entrada V1 y V2:

Si aumentamos V2 manteniendo constante V1, la corriente que circulará por el colector de T2 aumentará. Si aumenta Ic2, disminuye en la misma proporción Ic1, pues la suma de las dos siempre es la misma. Bien, quedamos en que aumenta la corriente del colector de T2, esto implica que la tensión en la resistencia Rc aumenta y por consiguiente la tensión a la salida disminuirá:

Al aumentar V2 la corriente Ic2 aumenta.

Si aumenta Ic2 aumenta la tensión en la Rc.

Si aumenta la tensión en la Rc disminuye la tensión de salida

Vs = Vcc-Vrc.

Si aumentamos ahora V1 manteniendo constante V2, la corriente que circulará por el colector de T1 aumentará. Si aumenta Ic1, disminuye en la misma proporción Ic2 esto implica que la tensión en la resistencia Rc disminuye y por consiguiente la tensión a la salida aumentará:

Al aumentar V1 la corriente Ic1 aumenta.

Si aumenta Ic1, disminuye Ic2.

Si disminuye Ic2 disminuye la tensión en la Rc.

Si disminuye la tensión en la Rc aumenta la tensión de salida

Vs = Vcc-Vrc.



11

Observamos pues que el aumento de la tensión V1 repercute en el aumenta de la tensión de salida, y que el aumento de la tensión V2 disminuye la tensión de salida, así que podemos determinar las entradas de la siguiente forma:

-

+

VS

V2

V1

Figura 1.4. Dibujo de las definiciones de entradas.

Siendo pues la entrada V1 la no inversora y la V2 la inversora.


1.4. ETAPA DE POTENCIA

Es la última parte fundamental del amplificador operacional; por regla general no alcanza muchos miliamperios (excepto en los especiales de potencia). Compuesta por transistores componen el siguiente circuito:

+ VCC

R1

T3

VS

T1

D1

- VCC

T2

D2

I2I1

Figura 1.5. Dibujo de etapa de potencia.

La base del transistor T1 está unida a la salida (Vsd) del circuito diferencial explicado anteriormente. El circuito está alimentado por dos fuentes de corriente cte. Cuando la tensión Vs aumenta, aumenta en mayor proporción la tensión colector-emisor del transistor T1, esto implica que si la tensión de salida es positiva el transistor T2 estará polarizado correctamente, aumentando la tensión a la salida Vs, si la tensión Vsd es negativa se activa el transistor T3, variando la tensión a la salida Vs. Con este circuito tenemos una ganancia de unidad pero al ser una configuración de seguidor de emisor, obtenemos una impedancia de salida baja.



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1.5. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Los amplificadores operacionales tienen unas características que difieren de lo que sería un amplificador operacional ideal que debería tener las siguientes características:

Para toda la gama de frecuencias (ancho de banda) una ganancia infinita.

Impedancia de entrada infinita y de salida nula.

Relación de rechazo en modo común infinito.

Tensión de offset nula.

En la realidad difieren algo de lo ideal. A continuación veremos algunas de las características fundamentales:

Impedancia de Entrada Ze

Es la resistencia que ofrece el amplificador operacional midiéndola desde las entradas del amplificador. Lo ideal sería infinita en la realidad es de varios

M.

Impedancia de Salida Zs

Es la resistencia que ofrece el amplificador operacional midiéndola entre la

salida y masa. El valor típico se encuentra entre 100 y 200 .

Margen de tensiones de alimentación

Son la tensión máxima y mínima entre las que un amplificador operacional funciona correctamente. Los amplificadores operacionales funcionan normalmente con fuentes de alimentación simétricas, es decir con valores de

tensión de positivos y negativos expresándose en Vcc.

Margen de tensiones de entrada

Son las tensiones máxima y mínima que podemos aplicar a las entradas de los operacionales sin que estos se estropeen. Estas tensiones en ningún momento pueden superar la de alimentación.


Margen de tensiones de salida

Es la tensión que podemos tener a la salida sin que se produzca una saturación del amplificador operacional. Suelen ser de uno o dos voltios menos que la alimentación (obviamente nunca podrá ser mayor que la Vcc).

Corriente de polarización de entrada

Es la corriente que tenemos en las entradas del amplificador operacional. Esta es muy pequeña apenas unos µA. En los cálculos que realizaremos la tomaremos como nula.

Ganancia de tensión en bucle abierto

Es la ganancia típica de todos los amplificadores, es decir la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada midiéndola en lazo abierto, es decir, cuando no existe realimentación. Suelen ser valores muy elevados alrededor de 100.000.

Tensión de offset de salid

En principio en un amplificador operacional si tenemos las dos entradas a 0 voltios, la tensión a la salida deberá ser nula, pero esto no es así. Con pequeñas tensiones que se puedan generar dentro del amplificador operacional, al ser amplificadas por este nos darán a la salida tensiones no deseadas. Pero esto tiene arreglo, la mayoría de los amplificadores operacionales tienen unas patillas extra en las que con un pequeño circuito puedes estabilizar esta tensión llevándola a 0 V.

Factor de rechazo en modo común

Es la frecuencia en la que la ganancia del amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación) se reduce a la unidad, o sea la amplificación es 0. Esto se representa en una gráfica como la que sigue:

100

80

60

40

20

1 10010 1K 10K 100K 1M 10M

Ganancia entensión (dB)

Frecuencia(Hz)

Ganancia en bucle abierto

Ganancia en bucle cerrado

0

Figura 1.6. Gráfica de Frecuencia de transición.



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1.6. TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Desde que se diseñó el primer amplificador operacional, la industria de la electrónica ha continuado investigando para ofrecer varios tipos de amplificadores operacionales según sea su utilización, ya que sus funciones son muy extensas, desde amplificadores de baja frecuencia, generadores de señal, filtros etc. Vamos a describir brevemente los principales tipos de amplificador operacional para que cuando llegue el momento sepamos elegir el que necesitamos según el circuito que estemos diseñando.

1.6.1. DE USO GENERAL

Son los más utilizados. Ofrecen unas características de funcionamiento estándares para la mayoría de los circuitos industriales. Los más empleados son los siguientes:

Ze

M

Zs

Av

dB

Is

mA

Vs

±V

CMRR

dB

GBW

MHz

LM741 2 150 106 25 13 90 1,5

MC1458 2 75 106 20 13 90 1

OP02 3,5 - 96 - 13 95 1,3

1.6.2. DE BAJO CONSUMO

Ideales para circuitos que estén alimentados por pilas (aparatos portátiles). Existen amplificadores operacionales que necesitan como mínima tensión de

alimentación únicamente 1V, teniendo un consumo de corriente de

microamperios. Algunos de estos son los siguientes:

Ze

M

Zs

Av

dB

Is*

mA

Vs

±V

CMRR

dB

GBW

MHz

AD548J 10^6 - 120 0,17 13 90 1

LM358 10^6 - 100 1 13 85 1

LF442A 10^6 0,4 106 0,4 13 90 1

* Observar que corrientes de salida más pequeñas


1.6.3. DE ALTA CORRIENTE DE SALIDA

Especiales para suministrar una corriente de salida elevada de hasta 10 A, cuando lo normal es menor. Se utiliza en circuitos con grandes tensiones de alimentación y pequeñas resistencias de carga. Tienen tamaño mayor de lo normal, van encapsulados en metal (para disipar mejor el calor), y tienen protección de sobrecorrientes, que limitan la corriente de salida impidiendo el sobrecalentamiento y malfuncionamiento del amplificador operacional

Ze

M

Zs

Av

dB

Is*

mA

Vs

±V

CMRR

dB

GBW

MHz

LH4104 105 - 106 100 13 100 18

LM12 - 1 100 13000 - 86 1

OPA501AM 10 - 94 10000 20 110 1

*Observar los valores elevados de corriente de salida.

1.6.4. DE GRAN VELOCIDAD

Utilizados para circuitos de vídeo y multiplexación de señales analógicas. Estos circuitos funcionan con frecuencias muy elevadas. Alrededor de 10Mhz. Nos ofrecen a diferencia del resto a altas frecuencias señales de salida sin distorsión alguna.

Ze

M

Zs

Av

dB

Is

Ma

Vs

±V

CMRR

dB

GBW*

MHz

OP37A 6 70 125 - 13 126 63

AD844J 10 15 - 80 11 - 60

LF401 10^5 75 110 - - 100 16

*Observar las elevadas frecuencias hasta las que funciona.

1.6.5. DE ALTA TENSIÓN

Utilizados para circuitos con elevadas tensiones de salida (hasta 150V),

usados en diseños industriales, tienen un funcionamiento aceptable para estas tensiones, sin embargo las corrientes de salida no son elevadas. Estos serían:



17

Ze

M

Zs

Av

dB

Is

mA

Vs*

±V

CMRR

dB

GBW

MHz

MC1536 10 - 114 17 40 110 1

3584JM 10^5 - 120 15 145 110 20

LM143 - - 105 20 37 90 1

*Observar las tensiones de salida.

1.6.6. DE INSTRUMENTACIÓN

Son los más precisos y se utilizan en la realización de aparatos de instrumentación electrónica, (osciloscopios, generadores de frecuencia, polímetros etc.). Las características de éstos serán por lo tanto las más cercanas a las ideales, alta impedancia de entrada, bajísima de salida, tensión de offset muy pequeña y alta relación de rechazo en modo común. Estos serían:

Ze

M

Zs

Av

dB

Is*

mA

Vs

±V

CMRR

dB

GBW

MHz

AD548J 10^3 - - - - 130 0,2

LM358 10^4 - - - - 105 0,02

LF442A 10^3 - - - - 100 0,15


1.7. DIFERENCIAS DE LOS PARÁMETROS REALES

Los amplificadores operacionales están como hemos visto constituidos internamente por transistores que en teoría hemos definido como idénticos pero esto no es así, es muy complicado hacerlos así. Esto implica que aún cuando las dos entradas de la etapa diferencial estén a la misma tensión, a la salida ciertamente no tenemos los 0V que querríamos, esto ocurre por las pequeñas fugas que se generan en los transistores produciendo unas pequeñas tensiones que debemos de eliminar. Pero todo se arregla, los amplificadores van provistos de unas patillas que nos permiten con métodos sencillos poder estabilizar estas tensiones.

1.7.1. AJUSTE DE LA TENSIÓN DE COMPENSACIÓN

El ajuste es muy sencillo y sólo se necesitan potenciómetros que regulan esta pequeña “impertinencia”, van directamente conectados a los emisores o colectores de la etapa de generadores de corriente constante, regulando así la tensión de offset. (Estas recomendaciones las realizan los fabricantes de los operacionales, así que no nos preocupemos demasiado, pues nos dan los valores de las resistencias adecuados, y es montar, regular y listo.)

Aquí tenemos unos ejemplos de cómo se realiza la compensación en los modelos LM741y LM747:

741

+

-

3

2

6

4

1

5

8

- Vcc

AJ1

V1

V2

+ Vcc

VS

R1 R3 R2

541

AJ1

T6

T7

T5

- Vcc

741

Figura 1.7. Dibujo compensación.



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1.7.2. CORRIENTES DE ENTRADA

También tenemos una pequeña diferencia entre lo que hemos definido como un amplificador operacional ideal y uno real. Debido a su constitución interna formada por transistores, sus entradas, son las bases de dos transistores y necesitan para funcionar un mínimo de corriente (alrededor de varios nA), así que para que funcione correctamente necesitamos proporcionar esta corriente, no podemos dejar las patillas al ‘aire’ pues no funcionará correctamente.


1.8. CIRCUITOS PRÁCTICOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES

1.8.1. CONFIGURACIONES BÁSICAS

Poco a poco llegamos a la práctica... pero antes de ver los circuitos de aplicación, y para poder entender fácilmente todos estos circuitos vamos a explicaros que es la realimentación (muy utilizada en estos circuitos), y unas consideraciones prácticas que nos facilitarán la resolución de las fórmulas que iremos deduciendo durante todas las explicaciones de los circuitos de aplicación.

1.8.1.1. LA REALIMENTACIÓN

Fundamental en los circuitos basados en amplificador operacional, como vimos en unidades anteriores (transistores), en circuitos de amplificación se utiliza la realimentación frecuentemente y esto no es más que introducir una pequeña porción de la señal de salida en la entrada del amplificador operacional como muestra la figura:

A

R

Ve VS

Figura 1.8. Figura de realimentación.

Pero... ¿para qué hacemos esto si en la mayoría de los casos en la salida tenemos suficiente tensión, si como hemos estudiado anteriormente las ganancias de los amplificadores operacionales son de por lo menos 100.000?

Me alegro que me haga esa pregunta... precisamente por este motivo, ya que con poquita señal de entrada (o poquita tensión diferencial), tenemos a la salida multiplicada por su asombrosa ganancia el tope de la tensión de salida, es decir la tensión de alimentación, y claro, como podemos observar en la figura, nos interesa conservar a la salida la forma de la señal de entrada pero eso sí amplificada.



21

AVe

VS

V+cc

V-cc

V+cc

V-cc

Figura 1.9. Figura de distorsión.

Pero compañero... con la realimentación evitamos este exceso de amplificación, regulamos esta señal de salida obteniendo una salida coherente con lo que queremos, tal y como vemos en la figura que sigue:

AV e

V + cc

V - cc

V + cc

V - cc

R

Figura 1.10. Figura de realimentación.

Tenemos dos tipos de realimentación, la positiva y la negativa, que dependen de la relación de fase entre la señal de entrada y la que realimentamos.

La realimentación positiva

Se llama así, cuando la señal que realimentamos está en fase con la de entrada. Esta realimentación tiene uso específico para circuitos osciladores (que veremos mas adelante) ¿Qué ocurre con esta señal que realimentamos?

Pues que al estar en fase con la de entrada se suma a la que entra viéndose amplificada a su vez, que vuelve a entrar ahora un poco mayor, así sucesivamente hasta que satura la salida, como veis esto no es lo que queríamos en nuestro amplificador. Para evitar esto se utiliza la realimentación negativa, que a continuación describimos.

La realimentación negativa

Es la más utilizada y la que más nos interesa. Cuando introducimos una pequeña parte de la señal de salida por la entrada desfasada 180º se llama realimentación negativa, como vemos en la figura siguiente:


AVe

RVR

VS

Figura 1.11. Figura de señal 180º.

1.8.1.2. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS.

Para poder entender con facilidad los circuitos de aplicación hemos de tener en cuenta unas consideraciones prácticas, que simplificaran el cálculo de la mayoría de los circuitos. Estas son las siguientes:

Las entradas de los amplificadores operacionales tienen una impedancia de entrada tan elevada que las corrientes de entrada van a ser tan pequeñas, que las consideraremos nulas. Vamos a ver si aplicamos 5 V a

la entrada y sabemos que la impedancia normal es de 5 M la corriente

que circulará será de:

I = V/R = 5/5000000 = 0,000001 A

¿La consideramos nula?

A causa de la realimentación negativa las entradas positiva y negativa del amplificador operacional tienen tensiones prácticamente iguales con lo que tenemos un “cortocircuito virtual”, es decir, que aunque la diferencia de tensión entre ambas es nula (como en un corto) no pasa corriente de una a la otra (ya veremos como en la práctica es fácil de entender).



23

1.8.1.3. ADAPTADOR DE IMPEDANCIAS (O SEGUIDOR DE

TENSIÓN)

Es el circuito más sencillo, como veis en la siguiente figura:

-

+Ve

VS

+ Vcc

- Vcc ZSZe

Ve

r

+VS

+RVi Rc

Rs

Figura 1.12. Figura de adaptador de impedancias.

Tenemos una realimentación negativa completa, es decir toda la señal de salida es introducida a la entrada, lo que implica que las señales de entrada y salida son idénticas (teniendo en cuenta el cortocircuito virtual, la tensión en la entrada positiva se refleja en la negativa y esta al estar unida a la salida, se refleja también en esta).

¿Y para qué sirve, si no amplifica nada?

Ah... amigo, no tenemos en cuenta en este circuito las capacidades de amplificación del amplificador operacional sino las impedancias de entrada y salida. Tenemos, viendo las características de los amplificadores operacionales, una impedancia de entrada Ze elevadísima y una impedancia de salida Zs muy baja. Esto se utiliza en la práctica para la unión de circuitos. Imaginamos que estamos en nuestro pueblo y estamos en la comisión de fiestas. Tenemos que entregar los premios de las carreras de sacos, tenemos un equipo amplificador de hace 20 años, y nos han traído un micrófono piezoeléctrico de última generación que tiene una sensibilidad excepcional pero una pequeñísima señal de salida. Unimos directamente la salida del micrófono al amplificador y comprobamos que no funciona ¡Qué dirá el Alcalde! Suerte que tenemos en el bolsillo un adaptador de impedancias (yo siempre llevo uno), lo conectamos y se escucha a la perfección. ¿Por qué ocurre esto?


Pues bien el amplificador no llevaba un adaptador de impedancias incorporado, con lo que la pequeñísima señal que nos aportaba el micrófono se perdía en la entrada del amplificador, pues tenia una impedancia baja, es decir no se producía la suficiente corriente para poder atacar al amplificador. Sin embargo con el adaptador de impedancias, al tener una impedancia de entrada elevada la pequeñísima señal de entrada no se diluye en la entrada del amplificador operacional obteniendo a la salida la misma señal pero esta vez al tener baja impedancia de salida, fortalecida para poder entrar en el amplificador.

1.8.1.4. AMPLIFICADOR INVERSOR

Cuando queremos utilizar los amplificadores operacionales simplemente como amplificadores de señal, sin importarnos el desfase de la señal producida a la salida utilizamos el amplificador inversor, como se indica en la figura:

Figura 1.13. Figura del amplificador inversor.

A partir de ahora explicaremos como funcionan los amplificadores operacionales eléctricamente y mediante fórmulas matemáticas que nos ayudarán a realizar los cálculos de los componentes con facilidad. Ya veréis que es muy sencillo.

Como se observa la intensidad que entrará por la entrada negativa del amplificador operacional I (-) será el resultado de las corrientes I1 e I2:

I (-) = I1+I2

Como la corriente de entrada de los amplificadores operacionales es prácticamente nula tendremos pues que:

I(-) = 0 => I1+I2 = 0 => I1 = -I2,

R1-

+

V e VS

+ Vcc

- Vcc

R2

R3

I2I 1



25

Como I1=Ve/R1 I2=Vs/R2

Sustituyendo en la fórmula anterior:

I1 = -I2

Ve/R1 = -Vs/R2

Despejando la tensión de salida queda:

Vs = -Ve*R2/R1

Si la ganancia de un amplificador es la relación entre la amplitud de la señal de salida y de la de entrada tenemos que:

Av = Vs/Ve = (-Ve*R2/R1)/Ve

quedando:

AV = -R2/R1

¿Qué significa el signo negativo?

No significa que la ganancia es negativa sino que la señal de salida está desfasada 180º con la de la entrada.

También en un amplificador nos interesa calcular las impedancias de entrada y de salida. La impedancia de entrada será volviendo al circuito:

Ze = Ve/Ie = R1*I1/Ie

Como sabemos que Ie = I1

Tenemos que la impedancia de entrada es la siguiente:

Ze = R1*I1/I1 = R1

Con lo que dependerá de la resistencia que coloquemos en el terminal negativo.


La impedancia de salida será:

Zs = Vs/Is => Zs = 0

Observareis que hemos colocado la resistencia R3 entre el terminal positivo y masa, y que no afecta en nada para los cálculos de ganancia e impedancia ¿Para qué la colocamos? Pues bien, los fabricantes de los amplificadores operacionales nos aconsejan que coloquemos esta resistencia para cuando no haya señal de entrada (esté el amplificador en reposo), se compensen la pequeñas corrientes de polarización del circuito. El cálculo de esta resistencia es sencillo, basta con hacer el paralelo de las resistencias R1 y R2.

Vamos ahora a realizar un ejemplo práctico de un amplificador de baja frecuencia (son las que escucha el oído humano). Nos piden un amplificador que tenga una ganancia igual a 10. Pues bien dibujamos el circuito que hemos estudiado:

R1-

+

Ve VS

+ Vcc

- Vcc

R2

R3

I2I1

Figura 1.14. Dibujo de un amplificador inversor.

Pero... sólo tenemos el dato de la ganancia... ¿Cómo empezamos?

Muy sencillo, fijamos a nuestro albedrío un valor para una de las resistencias (claro, que sea un valor que esté en el mercado, ya veréis que con la práctica es muy fácil).

Pues bien, fijamos el valor de la resistencia R2 en 100K

Calculamos el valor de la resistencia R1:

R1=R2/Av=100K/10=10K



27

El valor de la resistencia R3 será:

R3 = R1*R2/(R1+R2) = 100K*10K/(100K+10K) = 10K

¡Esto está chupao!

Los cálculos como veis son sencillos (y lo serán para todos los circuitos), pero algunas cosas se complican un poco si nos piden un amplificador un poco mas sofisticado. Por ejemplo nos piden un amplificador como sigue:

Necesitamos un amplificador que tenga una ganancia de 100 y un ancho de banda de 50KHz.

Ahora nos piden un ancho de banda específico, tenemos pues que mirar en las gráficas que nos da el fabricante teniendo en cuenta la frecuencia de transición y la ganancia, que en nuestro ejemplo es la siguiente:

100

80

60

40

20

1 10010 1K 10K 100K 1M 10M

Ganancia entensión (dB)

Frecuencia(Hz)

Ganancia en bucle abierto

Ganancia en bucle cerrado

0

Figura 1.15. Gráfica de la frecuencia de transición.

Observamos que nos dan la ganancia en decibelios, para convertir nuestros datos a decibelios, tenemos que aplicar la fórmula siguiente:

dB = 20*logAv

En nuestro caso dB=20*log100=40dB.


Observamos que en la gráfica para 50KHz, no podemos obtener una ganancia de 40dB... ¿Qué podemos hacer?

Sencillo, colocamos dos amplificadores de manera que la ganancia de uno se multiplica a la del otro, así para una ganancia de 100, colocamos en serie dos de 10, que multiplicados nos dan lo requerido. Pero vamos a comprobar que para ganancia de 10 el amplificador operacional tiene el suficiente ancho de banda:

dB = 20*log10 = 20dB

Comprobándolo en la gráfica, Vemos que es apto. Ahora dibujamos el circuito:

R1

-

+

VS

+ Vcc

- Vcc

R5

R4

R6

-

+

Ve

+ Vcc

- Vcc

R2

R3

Figura 1.16. Circuito con dos amplificadores.

Como hemos dicho que los dos amplificadores deben de tener una ganancia de 10, calculamos uno y el segundo tendrá los mismos valores:

Fijamos el valor de la resistencia R2 en 100K.

Calculamos el valor de la resistencia R1:

R1 = R2/Av = 100K/10 = 10K

El valor de la resistencia R3 será:

R3 = R1*R2/(R1+R2) = 100K*10K/(100K+10K) = 10K

R1 = R4, R2 = R5 y R3=R6.



29

Como habréis observado con este circuito doble la señal de salida estará en fase con la de entrada.

1.8.1.5. AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Lo utilizamos cuando necesitamos que la señal de salida esté en fase con la de entrada, además de cuando queramos una impedancia de entrada superior a la del amplificador inversor. El circuito es el siguiente:

R1

R3-

+

I2

R2

+ Vcc

- Vcc

VSVe

I1

Figura 1.17. Dibujo del amplificador no inversor.

Como hemos visto anteriormente en las consideraciones prácticas las entradas positiva y negativa se encuentran en un cortocircuito virtual, reflejándose la tensión que tenemos en el terminal positivo en el terminal negativo. Esto es:

V(-)= V(+)

Como la corriente de entrada de los amplificadores operacionales la consideramos 0,

I(+) = I(-) = 0,

lo que implica que

I1 = Ve/R1

También será 0 la corriente de entrada por el terminal negativo, lo que implica que la corriente I1 será igual a la I2;

I1 = I2 = Vs/(R1+R2)


Despejando la tensión de salida tenemos;

Vs = (R1+R2)*I1

Sustituyendo el valor de la corriente en esta fórmula, tenemos;

Vs = (R1+R2)*Ve/R1

Calculamos ahora la ganancia del operacional:

Av = Vs/Ve = ((R1+R2)*Ve)/R1*Ve = (R1+R2)/R1

Av = (R1+R2)/R1

La impedancia de entrada será elevadísima, ya que la entrada de la señal la realizamos a través de la resistencia R3, conectada directamente a la entrada positiva, teniendo esta una impedancia como hemos visto en las características elevadísima.

La impedancia de salida es como en el amplificador no inversor prácticamente nula. El cálculo de la resistencia R3 es el mismo que en el caso anterior, el paralelo de las resistencias R1 y R2

R3 = R1*R2/(R1+R2)

1.8.1.6. SUMADOR DE TENSIÓN INVERSOR

Con los amplificadores operacionales también podemos realizar sumadores analógicos de tensión (de hecho para eso se inventaron, como calculadoras analógicas). Con este circuito obtendremos a la salida una tensión (desfasada 180º), correspondiente a la suma de cada una de las tensiones de entrada. En el ejemplo para el cálculo de las fórmulas tenemos tres entradas, pero podemos colocar todas las que queramos. El circuito es el siguiente:



31

R1

R2 -

+

I 2

R0

+ Vcc

- Vcc

VS

V e2 I e

R3 I 3

V e1

V e3

I (-)

R

I 1Io

Figura 1.18. Circuito sumador de tensión.

Si os fijáis es como un amplificador inversor en donde le añadimos entradas en el terminal negativo.

Las corrientes de cada una de las entradas serán las siguientes:

donde:

I1 = Ve1/R1 I2 = Ve2/R2 I3 = Ve3/I3

Ie = I1+I2+I3

Como en casos anteriores consideramos que la corriente que circula por la entrada negativa es nula I (-) =0, entonces la corriente Io será igual a la Ie:

Io = -Ie.

Io = -(Ve1/R1 + Ve2/R2 + Ve3/R3)

La tensión de salida será el producto de la corriente Io y la resistencia R0:

Vs = Io*R0 = -(Ve1/R1 + Ve2/R2 + Ve3/R3)*R0.

Fijando todas las resistencias iguales:

R1 = R2 = R3 = R0

Tenemos que la tensión de salida es la siguiente:

Vo = -(Ve1+Ve2+Ve3)


Tenemos pues a la salida la suma de las tensiones de entrada.

Si hiciéramos que el valor de la resistencia R0 fuera superior al de las otras tres, obtendríamos como tensión de salida, el producto de la suma de tensiones de entrada por la ganancia del amplificador inversor. En el ejemplo al fijar todas las resistencias iguales, obtenemos un amplificador inversor con ganancia uno, ¿no os habíais dado cuenta? Pero si variamos R0 esta ganancia será mayor que uno. ¡Que detalle más interesante!

1.8.1.7. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.

En la práctica también necesitaremos un amplificador que nos aumente la diferencia de dos tensiones de entrada, para ello utilizamos una mezcla entre un amplificador inversor y un no inversor, el circuito es el siguiente:

R1-

+

R2

+ Vcc

- Vcc

VS

Ve1

R3Ve2

R4

Figura 1.19. Circuito amplificador diferencial.

Para realizar los cálculos, veremos el circuito como dos amplificadores diferentes.

El amplificador inversor sería:

R1-

+

R2

+ Vcc

- Vcc

VS

Ve1

R4R3

Figura 1.20. Dibujo amplificador inversor.



33

La ganancia es:

Av1 = R2/R1

El amplificador no inversor sería:

R1 -

+

R2

+ Vcc

- Vcc

VSV e2 R3

R4

Figura 1.21. Dibujo amplificador no inversor.

La ganancia es:

Av2 = (R1+R2)/R1

La tensión en el terminal V (+)

V(+) = Ve2*R4/(R3+R4)

Empezando con el amplificador inversor:

Vs1 = -Ve1*Av1=-Ve1*R2/R1

Observando el circuito no inversor

Vs2=V(+)*Av2= Ve2*(R2+R1)/R1= Ve2*(R4/(R3+R4))*((R2+R1)/R1)

Si igualamos las resistencias y hacemos que:

R3 = R1

R4 = R2


Aplicándolo a la fórmula anterior:

Vs2 = Ve2*(R2/(R1+R2))((R2+R1)/R1) = Ve2*R2/R1

Ahora calculamos la tensión total a la salida:

Vs = Vs1+Vs2 = -Ve1(R2/R1)+Ve2(R2/R1) = (Ve2-Ve1)*(R2/R1)

Obtenemos como resultado la resta de las tensiones de entrada multiplicado por la ganancia del circuito amplificador.

1.8.1.8. COMPARADOR DE TENSIÓN

Si utilizamos el amplificador operacional sin realimentación (en lazo abierto), tenemos el llamado comparador de tensión, y aprovechamos la alta ganancia de los amplificadores operacionales para que amplifique la diferencia de tensión entre las dos entradas, el circuito es como sigue:

-

+

+ Vcc

- Vcc

VS

V1

V2

Figura 1.22. Dibujo del comparador.

Como la ganancia del amplificador operacional es tan elevada, por pequeña que sea la diferencia de tensión entre los terminales de entrada, saturará la salida en un sentido u otro, para entendernos, si la tensión que tenemos en el terminal (-) es superior a la de el terminal (+) la salida estará a –Vcc (al tope de la tensión de alimentación negativa), y al contrario si la tensión en la entrada (+) es superior la de la entrada (-).

Si V(-)>V(+), la tensión de salida será Vs = -Vcc

Si V(+)>V(-), la tensión de salida será Vs = +Vcc



35

La velocidad con la que pasa de un estado a otro en caso de que varíen las tensiones de entrada, dependerá de las características del operacional, existen amplificadores operacionales que tienen una alta velocidad de variación, especiales para estos casos.

1.8.1.9. BÁSCULA DE SCHMITT

También llamado comparador realimentado. Circuito muy utilizado en diseños de electrónica industrial, que solventa los problemas que tienen los comparadores de tensión sin realimentación. Si en el circuito anterior, a las entradas tenemos tensiones con alto nivel de ruido, puede suceder que la salida sea inestable y que pase de un estado a otro continuamente. Para solucionar esto Mr. Schmitt diseñó un circuito en el que el cambio de la salida de positivo a negativo se realiza para niveles de tensión diferentes. El circuito es el siguiente:

-

+

VS

V1

R2

R1

Figura 1.23. Circuito báscula de Schmitt.

Para entendernos... por ejemplo, podemos hacer que cuando la tensión de entrada supere +5V, la salida sea la tensión de alimentación negativa - Vcc, pero que no varíe de estado (es decir pase a la tensión de alimentación positiva + Vcc) hasta que la tensión de entrada sea menor de -5V. Como veis tenemos un margen muy amplio (que podemos reducir como queramos) para el cambio de la salida.

En este circuito, los valores de tensión de entrada, para los que la salida cambia de estado tienen un nombre:


Tensión de pico Vp: tensión hasta la cual la salida se mantiene saturada positivamente (+Vcc), una vez superada esta tensión (Vp), la salida se satura negativamente (-Vcc), podemos superar esta tensión lo que queramos que la tensión de salida será la misma (-Vcc)

Tensión de valle Vv: tensión hasta la cual la salida se mantiene saturada negativamente (-Vcc), una vez superada esta tensión (Vv), la salida se satura positivamente (+Vcc), podemos superar esta tensión lo que queramos que la tensión de salida será la misma (+Vcc)

Esto se ve claro en esta gráfica:

VP

VE

VV

+ Vcc

VE

- Vcc

Figura 1.24. Grafica triangulo cuadrada.

Imaginemos que al circuito anterior le inyectamos la tensión Ve. Partimos de que tenemos la salida saturada positivamente, tenemos a la entrada 0V, subimos la tensión poco a poco, hasta que llegamos a la Vp que es 5V.



37

En la salida (gráfica de abajo) cambia la tensión de estar saturada positivamente a estar saturada negativamente. Y continuamos subiendo la tensión de entrada, pero la salida ya no cambia. Si ahora empezamos a bajar la tensión de entrada poco a poco observamos que no sucede nada... hasta que bajamos a la Vv que la salida vuelve a estar saturada positivamente. Si seguimos bajando, la tensión a la salida ni se inmuta. Que hemos conseguido, valores exactos de la tensión de entrada para que se realice el cambio a la salida.

Esta tensión se representa por una gráfica como sigue:

Vv

Ve

VP

Vo+ Vomax

- Vomax

Figura 1.25. Gráfica de la tensión de histéresis.

La diferencia entre las tensiones de pico y valle se llama tensión de histéresis Vh.

Pero no hemos analizado el circuito eléctricamente:

En el circuito anterior, observamos que cuando la tensión en la entrada (-), llega a unos valores de tensión negativa altos, la tensión a la salida pasa a la saturación. Tendremos entonces en la entrada positiva del amplificador operacional la siguiente tensión:

V(+) = Vo R1/(R1+R2)

siendo Vo aproximadamente la tensión de alimentación positiva +Vcc.

La tensión que tenemos ahora en la entrada positiva es la tensión de pico y hasta que no se supere este valor de tensión la salida estará saturada positivamente.


Una vez superada esta tensión el comparador cambia de estado, teniendo la salida a la tensión de alimentación negativa. La tensión que tendremos en el terminal positivo será:

V(+) = Vo R1/(R1+R2)

Siendo ahora Vo aproximadamente la tensión negativa –Vcc. Como habréis adivinado, V (+) es la tensión de valle. Con estas dos formulas es suficiente para solucionar cualquier problema.

1.8.1.10. EL INTEGRADOR

Como dijimos al principio, los amplificadores operacionales fueron utilizados para diseñar calculadoras electrónicas, y como no, podían realizar integrales. Pero no nos asustemos, no vamos a realizar un estudio sobre las integrales definidas como base de un espacio vectorial definitorio de la ecuación diferencial de la trayectoria astral del universo (je, je me lo acabo de inventar), sino que veremos las aplicaciones que se derivan de la carga constante de un condensador (esto es mas comprensible).

Pues bien la ecuación que relaciona la tensión en el condensador y la corriente de carga es la siguiente:

Vc(t) = 1/C * Ic dt

Pero como en nuestro caso lo que nos interesa es cargar el condensador a corriente constante, la integral anterior queda así:

Vc=Ic *t /C

Donde:

Vc Tensión en el condensador Ic Intensidad de carga t Tiempo de carga C Capacidad del condensador



39

El circuito es el siguiente:

R-

+

C

+ Vcc

- Vcc

VS

VE

ICI(-)

IR

Figura 1.26. Dibujo del integrador.

Observamos que la tensión en el condensador es igual a la tensión que tenemos a la salida, ya que la tensión en el terminal (-) es cero, pues se ve reflejada la tensión del terminal (+), conectado directamente a masa.

La corriente de carga del condensador dependerá de la resistencia R, pues la corriente de la entrada (-) es 0.

Así pues la corriente de carga del condensador será:

Ir =-Ic = Ve/R

Sustituyendo en la primera fórmula:

Vc = Ic*t/C = -(Ve/R*C) * t

Vemos que la tensión en el condensador depende de la tensión de entrada, de la resistencia y de la capacidad del condensador. Si estos tres valores permanecen constantes, la carga del condensador es también constante.

Si variamos la tensión a la entrada variamos la velocidad de carga del condensador, es decir la pendiente de subida o bajada de la tensión de carga, pero esta seguirá siendo constante para esa tensión. Esto lo vemos claro en la siguiente gráfica:


VE

VS

Figura 1.27. Gráfica del integrador.

Como observareis la tensión pendiente de la carga depende de la tensión de entrada pero en todo momento es constante para cada una de las tensiones que introducimos por la entrada. Como el circuito está basado en un amplificador inversor tendremos que:

Cuando la tensión de entrada es positiva, la tensión de salida tiene una pendiente negativa.

Cuando la tensión de entrada es negativa, la tensión de salida tiene una pendiente positiva.

1.8.1.11. EL DERIVADOR

También se pueden realizar el cálculo de la derivada de la tensión de entrada, pero como en el caso anterior vamos a utilizar la propiedad de la carga de un condensador a corriente constante. La derivada es lo contrario de la integral, y el circuito es el siguiente:



41

R

-

+

C + Vcc

- Vcc

VS

VE IC I(-)

IR

Figura 1.28. Circuito Derivador.

La corriente de carga del condensador es la siguiente:

Ic = C dVc/dt

Observamos que la tensión en el condensador es igual a la tensión que tenemos a la entrada, ya que la tensión en el terminal (-) es cero, pues se ve reflejada la tensión del terminal (+), conectado directamente a masa.

La corriente de carga del condensador dependerá de la resistencia R, pues la corriente de la entrada (-) es 0.

Así pues la corriente de carga del condensador será:

Ic =-Ir

La tensión de salida será:

Vs = Ir*R = -Ic*R

Aplicando la fórmula de la derivada:

Vs = -C dVc/dt * R

Como la Ve=Vc, queda:

Vs = -C dVe/dt * R

Si la pendiente de entrada es constante la tensión a la salida también será constante, nos queda:

Vs = -R *C *m


Siendo m la pendiente de la señal de entrada.

Tranquilos, en la siguiente gráfica vemos esto más claramente:

VS

VE

Figura 1.29. Grafica derivador.

Como observaréis en la gráfica, cuando la pendiente de la señal de entrada es positiva, a la salida tenemos una tensión constante cuyo valor depende de la pendiente de la señal de entrada, si esta es pequeña el valor de la salida es pequeño y si es grande ocurre lo contrario.

¿Qué ocurre si le introducimos un cambio brusco de tensión (o flanco)? Como se observa en la gráfica, a la salida obtenemos un impulso positivo o negativo, esto sucede porque en la ecuación de la derivada para un flanco de tensión de entrada la resultante es una tensión infinita durante un instante, pero claro no son perfectos los amplificadores operacionales y aparecen estos pequeños impulsos.

La impedancia de entrada dependerá del condensador de entrada y de la frecuencia de la tensión de entrada. Deberemos de colocar un adaptador de impedancias para un correcto funcionamiento del circuito.



43

1.8.2. GENERADORES DE SEÑAL (OSCILADORES)

1.8.2.1. GENERADOR SEÑAL CUADRADA

Como veremos a continuación el diseño de un oscilador de onda cuadrada es muy sencillo, únicamente utilizando un amplificador operacional podremos obtener una señal cuadrada desde menos de un hercio hasta varios MHz. Utilizamos la propiedad de carga y descarga de un condensador. El circuito es el siguiente:

-

+

VS

R2

R3

R1

- Vcc

+ Vcc

C

Figura 1.30. Circuito del generador de onda cuadrada.

El circuito se compone de una báscula de Schmitt, compuesta por las resistencias R2 y R3, y un condensador que a través de la resistencia R1, se cargará y descargará sucesivamente, como ahora explicamos.

Cuando alimentamos el circuito, debido a las imperfecciones de los amplificadores operacionales nos aparecerá en la salida una pequeña tensión, supongamos que es positiva (daría igual que fuera negativa), pues bien, esta tensión hará que la entrada + del Amplificador Operacional tenga mas potencial que la - , pues al estar el condensador descargado, la tensión en la entrada – es nula.


Esta pequeña tensión cambiará la salida del amplificador operacional a la tensión de alimentación. Con + Vcc a la salida y a través de la resistencia R1, el condensador se va cargando poco a poco, cuando la tensión de carga del condensador sea un poquito mayor que la que tenemos en el terminal + (recuerda la báscula de Schmitt, la tensión que tenemos ahora en el terminal + es la tensión de pico Vp; si colocamos las resistencias R2=R3, la tensión de pico será justo la mitad de la tensión de alimentación) el amplificador operacional cambiará de estado y la salida pasará a –Vcc. Entonces el condensador empezará a descargarse, poco a poco, hasta que la tensión del condensador sea un poquito menor que la de la entrada + (tensión de valle Vv), momento en que la salida del amplificador operacional vuelve a pasar a +Vcc, así sucesivamente, con la carga y la descarga del condensador tenemos a la salida una señal cuadrada. ¿Y de qué depende la frecuencia? Está clarísimo, cuanto más rápida sea la carga y la descarga del condensador, antes cambiará de estado la salida y mayor será la frecuencia.

Es sencillo el funcionamiento ¿no? Por si os queda alguna duda aquí se os muestran las señales en el condensador y a la salida del circuito:

VS

VV

+ Vcc

- Vcc

VC

VP

T

Figura 1.31. Gráfica de las señales generador de onda cuadrada.



45

Como el desarrollo de las fórmulas de éste circuito es algo complejo, nos limitamos a reseñar la fórmula para el cálculo de los componentes del circuito (¡Que suerte!) y es la siguiente:

T = 2*R1*C*ln(1+ 2R3/R2)

Siendo T el periodo de la señal de salida.

1.8.2.2. GENERADOR DE IMPULSOS

En muchos circuitos nos puede interesar en vez de un generador de onda cuadrada simple, un generador de impulsos, es decir, una señal cuadrada con distinta duración para cada uno de los dos semiciclos, tal y como se observa en la siguiente figura:

VS

+ Vcc

- Vcc

TLTH

Figura 1.32. Dibujo de una señal impulsos.

¿Se os ocurre cómo diseñar el circuito? No…

Vamos a pensar un poco, el generador de onda cuadrada, nos da una señal a la salida en la que el ciclo positivo, dura el mismo tiempo que el negativo. ¿Por qué sucede esto? Hombre… si tenemos un condensador y una resistencia y la carga y descarga se realiza por esta resistencia, está claro, que si su valor no cambia, la carga y la descarga durarán el mismo tiempo. Ya sé, colocamos un pequeño robot, que cuando venga la descarga del condensador, cambie la resistencia por una de un valor mayor y así la descarga será más lenta y el semiciclo de salida negativo será mayor ¡Este es mi alumno más aventajado!, ¡Qué poder de intuición tiene! Lástima que colocar un robot, además de ocupar mucho sitio, es muy caro. ¡Habrá que pensar en otra solución!


Queda claro que si hacemos que el tiempo de descarga del condensador sea mayor que el de la carga tardará más en alcanzar la tensión de valle y la señal a la salida será más amplia que en el estado positivo. ¡Ya está!, colocamos resistencias diferentes pero precedidas de unos diodos polarizados uno diferente al otro, de manera que la carga se realice por uno y la descarga por el otro.

Así la carga se realiza por la resistencia en serie con el diodo que permite circular corriente y la descarga se realiza por el otro diodo y la otra resistencia (ya que al cambiar de sentido la corriente el diodo que permitía la carga ahora está bloqueado, y el que antes estaba bloqueado al tener la polaridad correcta deja pasar la corriente).

Así que, si queremos que el semiciclo negativo sea mas amplio que el positivo, colocaremos la resistencia pequeña (así la carga es más rápida) conectada al diodo que permite la carga y la resistencia mayor (así la descarga es más lenta) conectada al diodo que permite la descarga. El circuito es el siguiente:

-

+

VS

R3

R4

R2

- Vcc

+ Vcc

C

R1D1

D2

Figura 1.33. Circuito del generador de impulsos.

Para la resolución de las fórmulas de cálculo del circuito, partimos de la fórmula del generador de señal cuadrada. Dividimos la señal en dos periodos; el primero Th, será el que a la salida tenemos nivel alto y Tl, cuando a la salida tengamos nivel bajo.

T = Th+Tl= 2*R*C*ln(1+ 2R4/R3)



47

La diferencia de este circuito al de generador de onda cuadrada es que el valor de R no es único. Tenemos para la carga del condensador, es decir Th, la resistencia R2, entonces la fórmula quedará así:

Th = R2*C*ln(1+ 2R4/R3)

Sin embargo para la descarga del condensador es decir Tl, la resistencia que interviene es R1, la fórmula quedará así:

Tl = R1*C*ln(1+ 2R4/R3)

Para aclararnos un poco más, observar las gráficas de la tensión en el condensador y en la salida:

VS

VV

+ Vcc

- Vcc

VC

VP

TLTH

Figura 1.34. Gráficas de generador impulsos.


1.8.2.3. GENERADOR DE ONDA TRIANGULAR

En algunos circuitos de instrumentación electrónica es necesario aplicar señales triangulares para estudiar el comportamiento de determinados componentes. El diseño de éste circuito es muy sencillo. Como vimos con anterioridad, obtener una señal que varíe linealmente de menos a más y de más a menos es sencillo, simplemente aplicando una tensión continua a un circuito integrador a la salida obtenemos una rampa positiva o negativa según el signo de la tensión de entrada.

Pues bien, si a la entrada de un integrador conectamos la salida de un generador de onda cuadrada, obtendremos a la salida una señal triangular, compuesta por las rampas positivas y negativas generadas por el cambio de polaridad de la señal de entrada. El circuito es el siguiente:

-

+

VA

R2

R3

R1

- Vcc

+ Vcc

C1

VS

RA-

+- Vcc

+ Vcc

C2

Figura 1.35. Circuito de generador onda triangular

El periodo de la tensión a la salida del generador de señal cuadrada y la tensión de salida del integrador serán los siguientes:

T = 2 ·R1 · C1 · ln(1+ 2R3/R2)

Vs = T · Vcc / (2· RA · C2)



49

VA

+ Vcc

- Vcc

VS

+ Vcc

- Vcc

Figura 1.36. Gráfica señal triangular.

1.8.2.4. OSCILADOR CONTROLADO POR TENSIÓN V.C.O.

Este circuito es muy utilizado en la transmisión de señales analógicas por cables que solo admitan dos niveles de tensión, como es el caso de la fibra óptica.

Imaginemos que tenemos que llevar el valor de tensión de la salida de un detector de luz a varios kilómetros de distancia. La salida del detector de luz tiene valores desde 1 hasta 5V, si lo pasamos por un cable de cobre, la resistencia de éste hará que la tensión en el aparato controlador a varios kilómetros de distancia sea inapreciable. Convertimos la tensión de entrada en una frecuencia que dependerá del valor de esta, a mayor tensión, mayor frecuencia, esta nueva señal, la convertimos en luz, y la hacemos pasar por la fibra (por este método podemos tirar millas y millas…).

Al otro lado de la fibra óptica, colocamos el circuito inverso, es decir, convertimos la frecuencia a tensión, y podemos disponer del valor exacto de la tensión a la salida del detector. ¡Con estos ejemplos se entiende todo eh!

En los libros en inglés este circuito se denomina V.C.O. (Voltage Controlled Oscilator). Para que no os asustéis.


El circuito es el siguiente:

-

+

R3 R4

R1

Ve

R8

R5

- Vcc

+ Vcc

R2

VA -

+

- Vcc

+ Vcc

-

+

- Vcc

+ Vcc

C

VB

R6

R7

VS

Figura 1.37. Circuito V.C.O.

El funcionamiento es el siguiente:

El circuito se divide en tres partes fundamentales, la primera un amplificador inversor, la segunda un circuito integrador y la tercera una báscula de Schmitt.

Los valores de las resistencias R1, R2, R3 y R4, son iguales.

Empezamos, supongamos que a la salida de la báscula tenemos +Vcc, (una suposición muy probable como hemos visto en otros circuitos). Esta tensión, hace que el transistor T1 se sature, con lo que llevamos la resistencia R4 a masa, ¿Qué nos queda? Un amplificador inversor normal y corriente.

La tensión en la entrada Ve, la tendremos (pero con signo contrario) en la salida del amplificador A1, pues al ser las resistencias iguales la ganancia es igual a 1. Esta tensión provocará en el circuito integrador que le sigue una rampa cuya pendiente dependerá del valor de la tensión de entrada. Cuando la tensión a la salida del integrador (Vb) sea un poquito mayor que la tensión de pico Vp de la báscula que le sigue, esta cambiará de estado, haciendo que la salida sea de –Vcc. Por lo que el transistor se bloqueará, haciendo que el circuito amplificador se comporte ahora como un amplificador diferencial, de las dos tensiones que tenemos en las entradas + y – multiplicadas por la ganancia, como vimos en el amplificador diferencial la ganancia de cada una de las entradas es la siguiente:



51

En la entrada +:

Av = (R1+R2)/R1

En la entrada -:

Av = R2/R1

La señal a la salida del A1, será:

Va = Ve * (R1+R2)/R1 - Ve * R2/R1

Como R1 = R2,

Va = 2 * Ve-Ve

Va = Ve

Tenemos pues a la salida la misma tensión que a la entrada pero esta vez con la misma polaridad. Esta tensión aplicada al integrador provoca una rampa negativa, (justo al contrario que antes). Cuando la tensión Vb a la salida del integrador sea un poco más pequeña que la tensión de Valle Vv de la báscula que le sigue, esta cambiará de estado pasando a +Vcc. Esta tensión saturará al transistor y vuelta a empezar.

Si os habéis dado cuenta, la tensión a la entrada, es la que se aplica a la entrada del integrador (con distinta polaridad para cada estado), y como vimos en el anterior circuito, la pendiente del integrador depende de la tensión de entrada de éste.

Pues bien cuanto mayor sea la tensión de entrada más pendiente tendrá la rampa, más rápidamente cambiará de estado la báscula y mayor será la frecuencia de salida de la señal cuadrada que la báscula genera. Si la tensión de la entrada disminuye la rampa tendrá menos pendiente y a la salida será una señal cuadrada de menor frecuencia. Es más sencillo el funcionamiento del circuito que el diseño de éste.

La fórmula para el cálculo del integrador es la siguiente:

K = 1/ (2 · R5 · C · Vcc)


Donde K es la constante que nos indica la frecuencia de salida para cada voltio de la tensión de entrada.

Las diferentes señales que aparecen en el circuito son las siguientes:

VA

VE

VB

VS

+ Vcc

- Vcc

VP

VV

Figura 1.38. Diferentes tensiones a las salidas de los operacionales.



53

1.8.2.5. OSCILADORES SENOIDALES

También podemos generar señales senoidales con los amplificadores operacionales. Utilizamos principalmente el comportamiento eléctrico de las redes RC. Al aplicarles tensión producen una pequeña oscilación que a través del amplificador operacional y de una realimentación positiva logramos se traduzca en una señal senoidal. El valor de las resistencias y condensadores que componen la red RC determinan el valor de la frecuencia de salida. Los circuitos son los siguientes:

R1 R1

C C

R1 R1

C

-

+

R3 - Vcc

+ Vcc

R2

V S

Figura 1.39. Dibujo de osciladores RC.

La fórmula que resulta para el cálculo de los osciladores es:

f = 1 / (2 · · R1 · C · 6)

Para que funcione correctamente el circuito es necesario que la ganancia sea igual o mayor a 29, es decir:

Av =-R2/R1 R3 = R1 // R2

R2 29R1

Otro tipo de circuito que también genera onda senoidal es el que utiliza el comportamiento eléctrico del llamado puente Wien. Utilizando también resistencias y condensadores, el circuito es el siguiente:


-

+

R2

RA

VS

C2

R3 R1

C1

Figura 1.40. Dibujo Generador Puente Wien.

La fórmula para el cálculo del circuito es la siguiente:

f = 1/ (2 · · R ·C ) (si C=C1=C2 y R=R1=R2)

La ganancia para el correcto funcionamiento del circuito debe de ser 3:

3 = (R1+R2)/R2

1.8.3. FILTROS ACTIVOS CON AMPLIFICADORES

OPERACIONALES

1.8.3.1. FILTROS PASIVOS Y ACTIVOS

Los filtros son unos circuitos muy utilizados, sobre todo en los circuitos de sonido. Un filtro es el circuito que separa o selecciona una señal dependiendo de la frecuencia.

¿Para qué queremos esto? Muy sencillo, por ejemplo una caja de alta fidelidad, normalmente tiene 3 altavoces uno grande para los graves, uno mediano para los medios y uno pequeño para los agudos. Pues bien internamente tiene unos pequeños grupos de condensadores y resistencias que seleccionan la señal que debe ir a cada uno de ellos, para que la acústica sea perfecta.

Otro ejemplo, lo tenemos con los ecualizadores de los equipos Hi-Fi, podemos subir o bajar a nuestro antojo diferentes frecuencias, para poder eliminar ruidos, escuchar mejor etc. Todos estos circuitos utilizan filtros, estos se dividen en dos grupos fundamentales, los pasivos y los activos.



55

Los filtros pasivos son aquellos que no tienen ninguna circuitería especial, utilizando únicamente resistencias, condensadores y bobinas, alimentadas por la misma señal de salida.

Los filtros activos son aquellos que su circuitería está compuesta por elementos activos, como pueden ser los amplificadores operacionales además de los elementos pasivos, resistencias, condensadores y bobinas, alimentados generalmente por las fuentes de alimentación del circuito amplificador.

¿Por qué complicar las cosas y utilizar filtros activos?

El utilizar filtros activos tiene numerosas ventajas entre otras: ocupan muy poco espacio y no utilizan bobinas lo que implica que son más baratos. Altas impedancias de entrada y bajas de salida, con los beneficios que esto produce. Y pueden además amplificar.

Los inconvenientes (que también los tiene) son principalmente la necesidad de alimentarlos con fuentes de alimentación, que además influyen en el margen dinámico de salida.

Vamos a estudiar los filtros activos más significativos, antes de esto vamos a explicar algunos conceptos fundamentales:

Octava: es el intervalo entre dos frecuencias f1 y f2 de manera que f2/f1 = 8.

Década: es el intervalo entre dos frecuencias f1 y f2 de manera que f2/f1 = 10.

Frecuencias de corte: son aquellas a las que se produce una atenuación del 70% de la ganancia máxima.

Los filtros se clasifican en cuatro grupos, estos son:

Filtro paso bajo, deja pasar las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte, atenuando las demás, es decir, las que están por encima de la frecuencia de corte.

Filtro paso alto, deja pasar las frecuencias por encima de la frecuencia de corte, atenuando las demás.

Filtro paso banda, deja pasar las frecuencias comprendidas entre dos frecuencias de corte, atenuando las demás.


Filtro rechazo de banda, deja pasar todas las frecuencias, excepto las que se encuentran dentro de la banda delimitada por dos frecuencias de corte.

A continuación se muestran las curvas de respuesta para los diferentes filtros:

- 30

fc

Curva de respuesta en frecuencia deun filtro paso bajo.

A- 3

0

fc

Curva de respuesta en frecuencia deun filtro paso alto.

B

f

AV (dB) AV (dB)

f

- 30

fc1

Curva de respuesta en frecuencia deun filtro paso banda.

CAV (dB)

ffc2

fc1

< fc2

- 30

fc1

Curva de respuesta en frecuencia deun filtro rechazo banda.

DAV (dB)

ffc2

fc1< fc2

Figura 1.41. Dibujos de las curvas de respuesta.

1.8.3.2. FILTRO PASO BAJO Y ALTO ACTIVO

Es muy sencillo realizar filtros paso alto y paso bajo activos con la combinación de un filtro RC pasivo y un amplificador operacional, el circuito es el siguiente:

-

+R

VSCVe

Figura 1.42. Dibujo filtro paso bajo activo.



57

La fórmula para el cálculo de los componentes es la siguiente:

fc = 1 / (2 · ·R · C)

La ganancia del circuito se aproxima a la unidad (-1), R y C determinan la frecuencia de corte.

El circuito de un filtro paso alto se observa en la figura:

-

+

RVS

C

Ve

Filtro Paso Alto

Figura 1.43. Dibujo filtro paso alto activo.

La fórmula para el cálculo de los componentes es la siguiente:

fc = 1 / (2 · ·R · C)

1.8.3.3. FILTROS PASO BANDA.

Como hemos definido anteriormente los filtros paso banda son los que permiten el paso de las frecuencias comprendidas entre dos valores determinados por las llamadas frecuencias de corte. Pues bien, como habréis adivinado, un filtro paso banda estará compuesto por la mezcla de un filtro paso alto y otro paso bajo. El circuito es el siguiente.

Figura 1.44. Dibujo de filtro Paso Banda.

-

+R2

V SC2Ve R1

C1


El conjunto R1 y C1, fijan la frecuencia de corte del filtro paso alto, el conjunto R2 y C2, fijan el del paso bajo.

Para frecuencias de entrada muy bajas, la impedancia de C1 es muy alta, lo que implica que la ganancia del circuito es muy baja. Para frecuencias muy altas, la impedancia de C2 es muy alta con lo que la ganancia del circuito es muy baja. Para frecuencias intermedias, las impedancias de los condensadores son inapreciables, dejando la ganancia en función de las resistencias R1 y R2.

Para este tipo de filtros, vemos en las gráficas de respuesta unos valores importantes como mostramos en la figura que sigue:

- 30

fc1

Curva de respuesta en frecuencia deun filtro paso banda.

CAV (dB)

ffc2

fc1< f c2

Figura 1.45. Dibujo gráfica filtros paso banda.

Las pendientes superior e inferior nos indica la atenuación que sufre la señal fuera de las frecuencias de corte.

1.8.3.4. FILTRO ACTIVO DE RECHAZO DE BANDA.

Con este filtro conseguimos que las frecuencias que se encuentren en el intervalo definido por las frecuencias de corte, sean atenuadas. Lo conseguimos con un circuito como el que sigue:

-

+

VS

R2 C2

C1

R1

Figura 1.46. Dibujo de filtro rechazo de banda



59

Para las frecuencias intermedias (las que nos interesa atenuar), la impedancia de C1 es muy pequeña comparada con la de R1, la de C2 es grande respecto a R2, por lo que la ganancia será mínima.

Para frecuencias muy bajas, la impedancia que tiene C2 se hace tan grande que la ganancia del circuito aumenta mucho.

Para frecuencias muy altas, la impedancia de C1 se hace muy pequeña, por la que la ganancia aumenta.

Queda claro, que el circuito atenúa las frecuencias comprendidas entre las frecuencias de corte, las fórmulas para el cálculo de los componentes son las siguientes:

f1= 1 / (2 · · R1 · C1)

f2=1 / (2 · · R2 · C2)

1.8.3.5. OTROS TIPOS DE FILTROS.

El estudio de los filtros es una ciencia compleja, son famosos los filtros basados en las funciones de aproximación de tres famosos ingenieros, Chebychev, Butterworth y Bessel, ninguno de los filtros se ajustan al filtro ideal, pero se aproximan lo más posible. Como la explicación de éstos es compleja, os mostramos un cuadro con los circuitos y las fórmulas de cálculo.


R: todos de igual valor comprendido entre 4k7 y

10k.

A1

+

-

RR

CB

CA

Paso bajo:12 dB/octava

A1

+

-RR

CB

CAA2

+

-

R

CD


A1

+

-

RR

CB

CAA2

+

-

RR

CD

CC


Bessel. Rf2

9076,0

AC

Rf2

6809,0C B

Rf2

9548,0

AC

Rf2

4998,0CB

Rf2

7560,0CD

Rf2

7298,0

AC

Rf2

4998,0CB

Rf2

0046,1CC

Rf2

3872,0CD

Butterworth. Rf2

4140,1

AC

Rf2

7071,0CB

Rf2

0000,2

AC

Rf2

5000,0CB

Rf2

0000,1CD

Rf2

0824,1

AC

Rf2

9239,0CB

Rf2

6130,2CC

Rf2

3872,0CD

C: todos de igual valor comprendido entre 4,7nF y 10nF.

A1

+

-CC

RB

RA

Paso alto:12 dB/octava

A1

+

-

CC

RB

RA A2

+

-

C

RDPaso alto:

18 dB/octava

A1

+

-

CC

RB

RA

Paso alto:24 dB/octava

A2

+

-

CC

RD

RC

Bessel. Cf2

1017,1

AR

Cf2

4688,1R B

Cf2

1017,1

AR

Cf2

0008,2R B

Cf2

3228,1R D

Cf2

3701,1

AR

Cf2

4929,1R B

Cf2

9952,0R C

Cf2

5830,2R D

Butterworth. Cf2

7071,0

AR

Cf2

4140,1R B

Cf2

5000,0

AR

Cf2

0000,2R B

Cf2

0000,1R D

Cf2

9239,0

AR

Cf2

0824,1R B

Cf2

3827,0R C

Cf2

6130,2R D

Figura 1.47. Cuadro de los distintos filtros Bessel y su formulación.

1.8.4. LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN UTILIZANDO

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Las fuentes de alimentación tienen la función de suministrar tensiones continuas y estabilizadas a los circuitos electrónicos, es decir pasamos de una tensión alterna de 220V 50Hz a una tensión continua del valor que deseemos, 5V, 12V… estabilizada, es decir que independiente de la carga, siempre suministra la misma tensión. Generalmente si no estuvieran estabilizadas, cuando la carga aumentara la tensión disminuiría y el funcionamiento no sería



61

el correcto. Una fuente de alimentación se divide en cuatro partes diferentes, estas son:

TR

AN

FO

RM

AD

O

RE

CT

IFIC

AD

OR

FIL

TR

O

ES

TA

BIL

IZA

DO

R

CARGA

Figura 1.48. Dibujo partes en que se divide una fuente de alimentación.

1. Con el transformador, reducimos la tensión de 220V a una más pequeña, los circuitos electrónicos funcionan a 5 ó 12V.

2. Con el rectificador convertimos la tensión alterna en una tensión casi continua, queda una señal de impulsos.

3. Con el filtro, convertimos estos impulsos en una tensión continua. Los filtros se componen de condensadores de gran capacidad.

4. Con la regulación y estabilización, regulamos la tensión al valor que necesitamos y la estabilizamos para que en ningún momento varíe.

Esta última parte es la que vamos a estudiar, pues es la más interesante y la que utiliza generalmente los amplificadores operacionales. Con un solo amplificador operacional, podremos fijar la tensión a la salida y regularla correctamente. El circuito se basa en tener una tensión de referencia que el amplificador operacional comparará con la de la salida y hará lo necesario para igualarla.

1.8.4.1. FUENTE DE TENSION DE REFERENCIA

Para obtener tensiones de referencia se utilizan los diodos zener. Estos diodos tienen la capacidad de que cuando se polarizan inversamente mantienen una tensión cte. en sus extremos, pues bien, aprovecharemos esta característica para que un amplificador operacional realice las funciones de fuente de tensión de referencia, es decir, para que podamos tener a la salida una tensión estabilizada.

Tendremos que tener una tensión en la que fijarnos para poder así comparar y saber en todo momento si tenemos a la salida más o menos tensión de la deseada. Esta tensión tendrá que ser invariable, y esta sólo nos la ofrecen los diodos zener. El circuito básico de fuente de referencia es el siguiente:


VS

R1-

+- Vcc

+ Vcc

R2

R3

R0

V

Vz

Figura 1.49. Circuito de fuente de referencia.

Es el circuito estudiado de adaptador de impedancias, polarizamos el diodo mediante la resistencia R0, que tendrá que tener el valor necesario para que cuando la tensión de entrada V sea mínima, esté polarizado correctamente, la fórmula para su cálculo es la siguiente:

R0 =R1 (Vmin – Vz)/(izminR1+Vz)

A la salida del amplificador operacional como estudiamos en capítulos anteriores, la tensión será siempre la misma que tengamos en la entrada positiva, por lo que siempre tendremos a la salida la tensión del diodo zener.

Ya tenemos la tensión de referencia, vamos ahora a ver como estabilizamos esta tensión si varía la carga.

1.8.4.2. REGULADOR SERIE

Circuito básico.

Veamos como lo podemos hacer, ya veréis que es muy sencillo. Utilizamos un transistor como regulador porque un amplificador operacional no da la suficiente corriente a la salida. Si quisiéramos más corriente, tendríamos que poner dos transistores en Darlington. El circuito es el siguiente:



63

Vo+

-

R

VZ

VSRegulada

VeNo Regulada

Figura 1.50. Dibujo de regulador serie.

Imaginemos que queremos tener a la salida 5V clavados, colocamos un zener de 5V, conectamos el circuito a la fuente de alimentación y observamos que a la salida tenemos 5V, hasta aquí todo correcto, y ahora conectamos a la salida un circuito por ejemplo una alarma. Este circuito tiene un consumo elevado, la sirena consume bastante y la tensión a la salida baja. ¿Qué sucede? La tensión que tenemos en la entrada negativa del amplificador operacional es más pequeña que la de la entrada positiva (siempre la misma), el amplificador operacional compara y a su salida aumenta la tensión este aumento hace que por el transistor T circule más corriente por lo que la tensión a la salida aumentará hasta el valor de la tensión de referencia.

Sin embargo, si por el contrario, desconectamos ahora la alarma, la tensión a la salida es mayor que la deseada, la tensión en la entrada negativa es mayor que la de la positiva y el amplificador operacional reaccionará bajando la tensión a la salida, esto implica que circula menos corriente por el transistor, y la tensión se estabiliza a 5V. Todo esto ocurre en microsegundos, así que el circuito apenas lo percibe.


Con tensiones de salida inferiores a la de referencia Vz

Nos puede surgir el caso de que no existan diodos zener que suministren la tensión de referencia que deseemos, en caso de que esta sea menor, la solución es sencilla, empleamos un divisor de tensión a la entrada de Amplificador Operacional, como la tensión en el zener siempre es la misma, la tensión del divisor será más pequeña, pero constante, el circuito es el siguiente:

+

-

R

VZ

VSRegulada

VeNo Regulada

R1

R2

T

Figura 1.51. Dibujo esquema regulador tensiones inferiores.

La fórmula para realizar el cálculo del divisor es:

Vref = Vz*R2/(R2+R1)

¿Sencillo eh?

Con tensiones de salida superiores a la de referencia Vz.

Este es el caso contrario, necesitamos una tensión de referencia superior a la del zener. La solución es también sencilla, el esquema es el siguiente:



65

+

-

R

Z

VSRegulada

VeNo Regulada

R2

R1

Figura 1.52. Dibujo esquema regulador tensiones superiores.

El amplificador está trabajando como un amplificador no inversor, ya estudiado anteriormente, si aumentamos la ganancia aumentamos la tensión a la salida, lo que implica que por el transistor circula más corriente y la tensión a la salida es mayor. La fórmula para el cálculo de los componentes es la siguiente:

Vs = Vz*Av = Vz(R2+R1)/R2

Circuito completo.

Para rematar la faena, diseñamos un circuito completo, que tendrá la tensión de salida variable y protegida contra cortocircuitos. El circuito es muy sencillo, aprovechando el circuito anterior y añadiendo un circuito protector constituido por un transistor y una resistencia. El circuito es el siguiente:

+

-

VSRegulada

VeNo Regulada

R2

P

T1

T2

R1

Figura 1.53. Dibujo circuito regulación completo.


Como se puede observar hemos cambiado la resistencia R1 del circuito anterior por un potenciómetro P, convertimos pues una fuente de alimentación fija en una variable. El valor mínimo de la tensión de salida será cuando el

potenciómetro esté en la posición de 0 , por lo que la tensión de salida

mínima será la del diodo zener.

Cuando movamos el potenciómetro a la posición contraria, la tensión máxima a la salida del circuito será la siguiente:

Vs max = Vz (R2 + P/R2)

El circuito de protección de sobrecorrientes y cortocircuito es muy sencillo, colocando la resistencia R1 en serie con la salida tenemos el detector de corriente, el transistor T2 se encarga de cortar la alimentación. El funcionamiento es el siguiente:

Se calcula la resistencia de manera que cuando la corriente que circula por la salida es la deseada la tensión en bornes de ésta es menor de 0,7V, si por el contrario, se produce a la salida un cortocircuito o una corriente más elevada de la deseada, la tensión en bornes de la resistencia alcanza los 0,7V, saturando al transistor T2, esto hace que el transistor T1 se bloquee y corte la tensión a la salida, esto sucede continuamente hasta que desaparece la sobrecorriente.

El cálculo de la resistencia será:

R1 = 0,7 /Is max

1.8.4.3. RECTIFICADOR DE PRECISIÓN DE MEDIA ONDA

Existen circuitos, sobre todo en instrumentación electrónica en que se hacen necesarios rectificadores de precisión, exactamente para poder medir en los polímetros digitales la tensión alterna, pues con estos circuitos obtenemos a la salida un valor de tensión continua equivalente al valor eficaz de alterna, siendo así mucho más sencilla la medición de las tensiones. El circuito es el siguiente:



67

-

+

VeR3

R4

R2

+ Vcc

R1

D1- Vcc

A

B

D2

Figura 1.54. Dibujo circuito rectificador media onda.

Como veis es un montaje de amplificador inversor, introducimos la señal de entrada a través de R3. Cuando entra el semiciclo positivo, la salida del amplificador es negativa, por lo que conducen el diodo D2 a través de R2, obtendremos en el punto A, el semiciclo invertido. El diodo D1 no conduce, tendremos en el punto B tensión de salida 0V.

Cuando entra el semiciclo negativo, la salida del amplificador es positiva, por lo que conducen el diodo D1 a través de R1, obtendremos en el punto B, el semiciclo invertido. El diodo D2 no conduce, tendremos en el punto A tensión de salida 0V.

Tenemos pues un rectificador de media onda en cualquiera de los dos puntos.

1.8.4.4. RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA DE PRECISIÓN

También se pueden realizar rectificadores de onda completa, el esquema es un poco más complejo pero el funcionamiento es muy sencillo. Se compone básicamente de un amplificador operacional que realiza las funciones de rectificador de media onda y un segundo amplificador que hace la función de amplificador diferencial. El esquema es el siguiente:


-

+

Ve

R1

R4

R2

R3

R5

R6-

+R7

R8

VS

D2

D1

Figura 1.55. Dibujo 2 de rectificador de onda completa.

Cuando en la entrada están los semiciclos positivos como hemos visto en los rectificadores de media onda, la salida de A1 se hará negativa, conducirá el diodo D1, y obtendremos en la entrada positiva del A2, el semiciclo de entrada invertido, el amplificador A1, se comporta como un inversor (ya que en la entrada positiva tenemos 0V) y obtendremos a la salida el semiciclo ahora positivo.

Cuando en la entrada están los semiciclos negativos la salida de A1 se hará positiva, conducirá el diodo D2, y obtendremos en la entrada negativa del A2, el semiciclo de entrada invertido, el amplificador A1, se comporta como un no inversor (ya que en la entrada negativa tenemos 0 V) y obtendremos a la salida el semiciclo positivo. Todo esto lo veis reflejado en la figura anterior.



69

RESUMEN

En esta unidad hemos aprendido que es un amplificador operacional y su constitución interna. Dentro de la electrónica es muy utilizado formando parte fundamental de la electrónica analógica.

Su constitución interna está formada principalmente por transistores bipolares. Hemos podido aprender la constitución interna real de un “chip” e incluso a entender su funcionamiento eléctrico mucho más sencillo de lo que hubiéramos pensado.

La parte primordial del amplificador operacional es el amplificador diferencial, un circuito de dos entradas y una salida. Aplicando diferentes tensiones en las entradas obtenemos a la salida la diferencia de tensiones, es decir un “restador” analógico. Si a este circuito le añadimos un amplificador podemos obtener a la salida la diferencia de tensiones multiplicada por un determinado valor. Para el funcionamiento correcto del circuito se necesitan cuatro circuitos fundamentales; la fuente de corriente constante que alimenta al circuito dotándole de estabilidad, el amplificador diferencial, que realiza las funciones descritas anteriormente apoyado por la fuente de corriente cte. y la etapa de potencia, que proporcionará a la salida corriente suficiente y baja impedancia para una buena operatividad.

A la hora de elegir uno u otro amplificador operacional tenemos que estudiar las principales características eléctricas de los diferentes tipos. Las características más importantes de los amplificadores, son:

Resistencia:

Impedancias de entrada y salida.

Tensión:

Margen de tensión de alimentación.

Margen de las tensiones de entrada y salida.


Corriente:

Corrientes de polarización y de salida.

Específicas:

Ganancia de tensión en bucle abierto.

Factor de rechazo en modo común.

Frecuencia de transición.

Una vez aprendido lo que es un amplificador operacional y cuales son sus características fundamentales, hemos aprendido que hay muchísimos tipos de amplificadores según sea el cometido que tengan que realizar. La elección se realizará teniendo bien en cuenta las necesidades de nuestro circuito. Tenemos diferentes grupos de amplificadores:

De uso general, los mas empleados con características aptas para la mayoría de los circuitos.

De bajo consumo, para aparatos alimentados por pilas etc.

De alta corriente de salida, circuitos con grandes cargas.

De gran velocidad, para aplicaciones de telefonía, televisión etc.

De alta tensión, si necesitamos altas tensiones de salida.

De instrumentación, para aparatos de medida en laboratorio.

Una vez estudiada la teoría del funcionamiento interno de los amplificadores operacionales, las características principales y los diferentes tipos, tenemos que tener en cuenta que no son perfectos, aunque están muy bien diseñados. Siempre que utilicemos transistores en electrónica analógica tendremos estos problemas que sin embargo no suceden en electrónica digital, que tiene dos estados ‘1’ o ‘0’; no hay margen de error. En la electrónica analógica tenemos infinitos valores a la entrada y salida de los circuitos y realizar clonaciones perfectas de transistores es muy complicado. Pero todo está previsto y para evitar sorpresas en el funcionamiento de estos circuitos los fabricantes dotan a los “chips” para poder corregir estos problemas. Montando una resistencia entre dos de sus patillas corregiremos la tensión de compensación. También nos avisan que son tan sensibles que con corrientes ínfimas de entrada el operacional puede variar su comportamiento, así que nos recomiendan que no dejemos las entradas de estos”al aire”. Tendremos la precaución de conectarlas debidamente.



71

Ya sabemos toda la teoría y hemos pasado a la práctica. Los cálculos de los circuitos son muy sencillos, con operaciones matemáticas básicas se resuelven todos los problemas. Para todos los circuitos utilizamos el famoso 741.

Hemos aprendido lo que es la realimentación negativa; introducir en la entrada una pequeña porción de señal (desfasada 180º) que nos evitará que aparezca la temida distorsión.

Un amplificador operacional tiene una propiedad muy importante: una gran impedancia de entrada y una impedancia baja de salida. El circuito mas sencillo es el adaptador de impedancias que aprovecha al máximo estas características y se aplica en innumerables circuitos.

A la hora de amplificar señales analógicas los amplificadores operacionales son perfectos. Hemos estudiado los dos tipos fundamentales: el inversor y el no inversor. La ganancia (el factor de amplificación) de estos dependerá de las resistencias que acompañan al circuito. Nos hemos encontrado con el inconveniente de la frecuencia de transición que limita la ganancia de estos amplificadores para determinadas frecuencias, solucionándose este problema colocando los amplificadores en cascada.

Los sumadores de tensión realizan esta operación de manera sencilla. Podemos incluso realizar sencillas fórmulas con las tensiones de entrada. Su montaje como restador o “diferencial” es también muy sencillo restando efectivamente las señales entre las dos entradas.

Como comparador de tensión es perfecto, con mínimas diferencias de tensión (dejando el circuito en lazo abierto), es decir, sin realimentación cambia de estado de la salida instantáneamente.

La báscula de Shmitt nos va ha permitir diseñar numerosos circuitos. El funcionamiento es sencillo; tenemos dos márgenes de tensión la de pico y la de valle, la salida no cambiará de estado hasta que no se sobrepasen cualquiera de las dos quedándose la salida en el mismo estado mientras la tensión va cambiando de una a otra. Su diseño y cálculo es sencillísimo aplicándose principalmente en generadores de señal.


Estos amplificadores acoplando un condensador bien a la entrada o en la realimentación se comportan como integradores o derivadores; la función matemática no nos interesa demasiado, pero si su comportamiento eléctrico. La carga y descarga de los condensadores se realiza de manera lineal con una pendiente que dependerá de la resistencia de carga, pero siempre será la misma. Esto nos hará mas sencillo generar señales triangulares, dientes de sierra etc.

También se pueden realizar sencillos montajes para circuitos que necesiten generadores de señales. Con un condensador y el circuito de báscula de Schmitt, se diseñan sencillos circuitos generadores de señales cuadradas. Para generar impulsos utilizamos el mismo circuito pero con diodos que controlarán la carga y descarga del condensador. Si necesitamos un generador de señal triangular no tenemos más que acoplar a un generador de onda cuadrada un circuito integrador.

Una aplicación que aglutina estos circuitos es el VCO. Dependiendo de la tensión de entrada a la salida tenemos una frecuencia; a mas tensión mas frecuencia.

También son capaces de generar señales senoidales, únicamente con condensadores y resistencias acoplados al operacional.

Por su frecuencia son muy efectivos para realizar filtros de señales. Hay cuatro tipos fundamentales de filtros: los paso bajo que sólo permiten el paso de frecuencias bajas, los paso alto que sólo permiten el paso de las frecuencias altas, los paso banda que permiten el paso de una determinada franja de frecuencias y los rechazo de banda que impiden el paso de una determinada franja de frecuencias.

También se pueden utilizar como reguladores en fuentes de alimentación. Hemos estudiado los circuitos de aplicación, diseñando y calculando todos los casos que dependen fundamentalmente de la relación de la tensión de salida con la que tenemos de referencia. Hemos visto cómo ampliarle la corriente y protegerlo contra cortocircuitos.

Documents

UD10. Amplificador Operacionalprofesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes/Analogica... · amplificador diferencial, ... tensión en la resistencia Rc aumenta y por consiguiente