Research in context, implications of the findings and recommendations for the future

En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones)

Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op Análisis

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es:

1. Comprobar si tiene realimentación negativa

2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior

3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito

4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)

5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

CONFIGURACIONES

Comparador

Figura 1.4. Amplificador comparador

• Esta es una aplicación sin la realimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.

• Seguidor

• Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada

Figura 1.5. Amplificador seguidor

• Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)

Inversor

Figura 1.6. Amplificador inversor

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados.

• El análisis de este circuito es el siguiente: o V₊ = V_- = 0

o Definiendo corrientes: y de aquí se despeja

o

• Para el resto de circuitos el análisis es similar. • Zin = Rin

Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección de R1

•

Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador, sumador.

No inversor

Figura 1.7. Amplificador No inversor

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

•

• Zin = ∞ Sumador inversor

Figura 1.8. Sumador inversor • La salida está invertida

• Para resistencias independientes R1, R2,... Rn

o

• La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor

• Impedancias de entrada: Zn = Rn

Restador

Figura 1.9. Restador

• Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:

o

• Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales

Integrador ideal

Figura 1.10. Integrador ideal

• Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del

tiempo) •

o Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor.

Derivador ideal

Figura 1.11. Derivador ideal • Deriva e invierte la señal respecto al tiempo •

• Este circuito también se usa como filtro

NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable, esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando el ruido por mucho.

Otros

• Convertidores carga-tensión • Convertidores corriente-tensión • Filtros activos

• Girador permite construir convertidores de inmitancias (empleando un condensador simular un inductor, por ejemplo)

APLICACIONES

• Calculadoras analógicas • Filtros

• Preamplificadores y buffers de audio y video • Reguladores

• Conversores

• Evitar el efecto de carga

• Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)

ESTRUCTURA

Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.

3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.

Figura 1.12. Diagrama electrónico del operacional 741.

En el diagrama se destaca en azul el amplificador diferencial. Éste es el responsable de que las corrientes de entrada no sean cero, pero si respecto a las de los colectores (Nótese como a pesar de aproximar las corrientes de entrada a 0, si éstas realmente fueran 0 el circuito no funcionaría). La impedancia de entrada es de unos 2MΩ. Las etapas en rojo son espejos de corriente. El superior de la izquierda sirve para poder soportar grandes tensiones en modo común en la entrada. El superior de la derecha proporciona una corriente a la circuitería de salida para mantener la tensión. El inferior tiene una baja corriente de colector debido a las resistencias de 5kΩ. Se usa como conexión de gran impedancia a la alimentación negativa para poder tener una tensión de referencia sin que haya efecto de carga en el circuito de entrada. Los pines llamados Offset null son usados para eliminar las tensiones de offset que pueda haber en el circuito. La etapa de ganancia en tensión es NPN.

La sección verde es un desplazador de tensión. Esto proporciona una caída de tensión constante sin importar la alimentación. En el ejemplo 1V. Esto sirve para prevenir la distorsión. El condensador se usa como parte de un filtro paso bajo para reducir la frecuencia y prevenir que el A.O oscile. La salida en celeste es un amplificador PNP seguidor con emisor push-pull. El rango de la tensión de salida es de un voltio menos a la alimentación, la tensión colector-emisor de los transistores de salida nunca puede ser totalmente cero. Las resistencias de salida hacen que la corriente de salida esté limitada a unos 25mA. La resistencia de salida no es cero, pero con realimentación negativa se aproxima.