X

Al usar esta página web, aceptas nuestro uso de cookies. Usamos cookies para ofrecerte una mejor experiencia y para ayudar a que tu página funcione de manera efectiva.

MecatrónicaLATAM

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

¿QUÉ ES UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL?

Un amplificador operacional (amp op), es un circuito integrado que mediante componentes externos permite crear una gran variedad de circuitos. Entre los circuitos construidos mediante amplificadores operacionales y componentes externos se encuentran:

  • Inversores.
  • No inversores.
  • Sumadores.
  • Diferenciadores.
  • Comparadores.
  • Convertidores A/D y D/A.
  • Filtros activos.
  • Amplificadores de muestreo y retención.

Lo ideal de un amplificador es que aumente la amplitud de una señal sin afectar otras variables.

En la siguiente Figura se muestra el modelo de un amplificador, como se puede observar tiene dos puertas o conexiones, una conexión correspondiente al voltaje de entrada y una conexión correspondiente al voltaje de salida, las dos conexiones están referidas a tierra.

Amplificador I I V V ent sal sal ent

MODELO IDEAL DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL

En un amp. op ideal se tiene una terminal de entrada inversora(signo menos) y una de entrada no inversora(signo más). En algunos casos se marca el símbolo ∞ para denotar la ganancia infinita y que es un amp op ideal.

_ +

Consideraciones de conexión

El amp es un circuito integrado activo o componente electrónico activo, por lo tanto, al ser un dispositivo activo es necesario un suministro de alimentación externo para su funcionamiento, por lo general es de ± 15V, se recomienda verificar en la hoja de datos del componente.

Nota: La fuente de alimentación externa del componente normalmente no se muestra en los esquemáticos de sus circuitos.

Todos los voltajes están referidos a una tierra común, en otras palabras, se debe conectar todas las tierras al mismo punto o nodo (GND).

Usualmente un amp op tiene una configuración de lazo cerrado, correspondiente al lazo de retroalimentación desde la salida a la entrada inversora (entrada negativa)

Lazo de retroalimentación _ +

La configuración de lazo abierto se da cuando no tiene un lazo de retroalimentación, no es muy utilizada está configuración ya que tiene una considerable inestabilidad debido a la alta ganancia.

La ganancia de voltaje de un amplificador es la razón de las amplitudes del voltaje de salida y voltaje de entrada:

Av =
Vsal / Vent

Las impedancias de entrada y salida de un amplificador se obtienen mediante la razón de sus respectivos voltaje y corriente:

Zent =
Vent / Ient
Zsal =
Vsal / Isal

Es común considerar que Zent > 100KΩ, y Zsal < 1Ω, esto permite simplificar las ecuaciones al analizar un circuito con amplificadores operacionales.

Nota: Es importante conocer la impedancia de entrada y salida, así es posible saber si los elementos externos afectan al amplificador operacional de un modo no deseado.

Suposiciones para analizar un amp op ideal

1.- Impedancia inficita en ambas entradas: No extrae corriente o circula corriente del circuito en la entrada

I+ = I- = 0

2.- Ganancia infinita: La diferencia entre los voltajes de entrada debe ser cero.

V+ = V-

3.- Impedancia de salida cero: El voltaje de salida no depende de la corriente a la salida.

I I V V V _ _ + + sal _ +

AMPLIFICADOR OPERACIONAL INVERSOR

La razón por la que está configuración de circuito se le llama amplificador inversor es debido a que invierte la polaridad de la señal de entrada, por lo tanto, invierte y amplifica el voltaje de entrada. La resistencia Rf forma el lazo de retroalimentación, el lazo debe estar conectado de la salida a la entrada inversora del amplificador operacional, esto implica la retroalimentación negativa.

R R V V N _ + sal ent f 1

Otra consideración es que la corriente entre N1 y GND es igual a cero, esto es debido al modelo ideal de un amplificador operacional ya que tiene impedancia infinita en ambas entradas, por lo tanto, no extrae corriente de los circuitos de entrada.

VN1 = VGND = 0

Analizando el circuito del amplificador inversor por el método de nodos en el nodo N1 se tiene que:

Vent - VN1 / R
=
VN1 - Vsal / Rf

Simplificando al igualar VN1 = 0, se tiene:

Vent / R
=
- Vsal / Rf

Realizando los despejes correspondientes:

Vsal / Vent
= -
Rf / R

Como se puede observar en la ecuación anterior, la ganancia del voltaje del amplificador es determinado por los resistores Rf y R, y considerando con signo negativo ya que está invirtiendo la señal de entrada.

Un ejemplo muy básico y claro es mediante una señal cuadrada como voltaje de entrada (Vent), al conectar un amplificador inversor con una ganancia de -2, se obtiene en la salida una señal invertida y amplificada (Vsal).

V V t t sal ent

En resumen, un amplificador inversor como resultado aumenta la amplitud y tiene un desfase de 180° con relación a la señal de entrada.


AMPLIFICADOR OPERACIONAL NO INVERSOR

La razón por la que está configuración de circuito se le llama amplificador no inversor es debido a que amplifica el voltaje de entrada sin invertir la señal, por lo tanto, no invierte la señal pero amplifica el voltaje de entrada.

R R V V N _ + sal ent f 1

Dado que el voltaje de entrada se encuentra conectado directamente a la puerta no inversora del amplificador entonces se tiene:

Vent = VN1

Analizando el circuito del amplificador no inversor por el método de nodos en el nodo N1 se tiene que:

VGND - VN1 / R
=
VN1 - Vsal / Rf

Simplificando al igualar VGND = 0 y VN1 = Vent:

- Vent / R
=
Vent - Vsal / Rf

Realizando los despejes correspondientes:

-
Rf / R
=
Vent - Vsal / Vent
-
Rf / R
=
Vent / Vent
-
Vsal / Vent
-
Rf / R
= 1 -
Vsal / Vent
Vsal / Vent
=
Rf / R
+ 1

Dada la ecuación de relación para saber la ganancia de salida entra entrada , se puede interpretar que el amplificador no inversor tienen una ganancia positiva mayor o igual a 1.


AMPLIFICADOR OPERACIONAL SUMADOR

La razón por la que está configuración de circuito se le llama amplificador sumador es debido a que presenta dos o más señales de entrada y la señal de salida es la suma invertida de las señales de entrada.

R R V R V V N _ + sal 1 1 2 2 f 1

La corriente entre N1 y GND es igual a cero, ya que tiene impedancia infinita en ambas entradas, por lo tanto, no extrae corriente de los circuitos de entrada.

VN1 = VGND = 0

Analizando el circuito del amplificador operacional sumador por el método de nodos en el nodo N1 se tiene que:

V1 - VN1 / R1
+
V2 - VN1 / R2
=
VN1 - Vsal / Rf

Simplificando al igualar VN1 = 0, se tiene:

V1 / R1
+
V2 / R2
= -
Vsal / Rf

Realizando los despejes correspondientes:

Vsal / Rf
= -(
V1 / R1
+
V2 / R2
)

Analizando el circuito como Rf = R1 = R2, permite obtener el valor de la salida del circuito, lo que corresponde a la suma negativa de las entradas.

Vsal / Rf
= -(
V1 / Rf
+
V2 / Rf
)
Vsal / Rf
= -(
V1 + V2 / Rf
)

Vsal = -(V1 + V2)


AMPLIFICADOR OPERACIONAL DIFERENCIAL

La configuración del circuito amplificador como diferencial se emplea para restar señales analógicas.

R R R V R V V N N _ + sal 1 1 2 2 f f B A

Calculando el voltaje en el nodo A:

V2 - VA / R2
=
VA - VGND / Rf

Simplificando al igualar VGND = 0, se tiene:

V2 - VA / R2
=
VA / Rf

Realizando los despejes correspondientes:

V2 - VA / VA
=
R2 / Rf
V2 / VA
- 1 =
R2 / Rf
V2 / VA
=
R2 / Rf
+ 1
V2 / VA
=
R2 + Rf / Rf
VA / V2
=
Rf / R2 + Rf
VA =
Rf / R2 + Rf
(V2)

Ya que en el amp op ideal del nodo NB al nodo NA se considera que no fluye corriente, por lo tanto, el voltaje VA es igual al voltaje VB.

VA = VB

Calculando el voltaje en el nodo B:

V1 - VB / R1
=
VB - Vsal / Rf

Realizando los despejes correspondientes:

Rf (V1 - VB) / R1
= VB - Vsal
Vsal = VB -
Rf (V1 - VB) / R1
Vsal = VB -
Rf (V1) / R1
+
Rf ( VB) / R1
Vsal = -
Rf (V1) / R1
+ (VB)(1 +
Rf / R1
)

Ya que VA = VB, sustituyendo el resultado de VA obtenido en el nodo A se tiene:

Vsal = -
Rf (V1) / R1
+ [
Rf / R2 + Rf
(V2)](1 +
Rf / R1
)

Cuando R1 = R2 = R, el voltaje de salida es una diferencia amplificada de los voltajes de entrada.

Vsal = -
Rf (V1) / R
+ [
Rf / R + Rf
(V2)](1 +
Rf / R
)
Vsal = -
Rf (V1) / R
+ [
Rf / R + Rf
(V2)](
R + Rf / R
)
Vsal = -
Rf (V1) / R
+
Rf (V2) / R
Vsal =
Rf / R
(V2 - V1)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL INTEGRADOR

Cuando en el circuito del amplificador operacional se sustituye la resistencia de retroalimentación con un capacitor se le conoce como un circuito integrador o amp op integrador.

R C V V N _ + sal ent 1

Calculando el voltaje en el nodo A:

Vent - VN1 / R
=
VN1 - Vsal / C

Se tiene que VN1 = 0, por lo tanto:

Vent / R
=
- Vsal / C

Dada la ecuación de un capacitor:

dVsal / dt
=
isal / C

Al integrar se obtiene:

Vsal(t) =
1 /
C
t 0 isal(τ)dτ

Dado que ientre = -isal e ient = Vent/R, al sustituir isal = -ient = - Vent/R en la integral:

Vsal(t) =
1 /
RC
t 0 Vent(τ)dτ

Por lo tanto, la salida de la señal de entrada esta invertida y corresponde a una integral a escala.