INTRODUCCIÓN AL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

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 La electrónica analógica se ha visto enriquecida con la incorporación de un nuevo componente básico: el amplificador operacional (A.O.).
 
 Aunque realmente el A.O. es un circuito electrónico evolucionado, sus características de versatilidad, uniformidad de polarización, propiedades notables y disposición en circuito integrado, convierten al mismo en un nuevo elemento electrónico capaz de intervenir en la conformación de circuitos analógicos de mayor complejidad.

 La utilización del A.O. en circuitería presupone un adecuado conocimiento de sus características de funcionamiento y prestaciones. Estos datos se evalúan en base a determinadas características proporcionadas por el fabricante.

 El Amplificador

 El objeto de un amplificador electrónico, es elevar el valor de la tensión, corriente o potencia de una señal variable en el tiempo, procurando mantenerla lo más fiel posible.

 Los parámetros que caracterizan a un amplificador son los siguientes:



 Donde :
 A = ganancia del amplificador. Grado de amplificación.
 Ve = tensión de entrada.
 ie = Intensidad de entrada.
 Ze = Impedancia de entrada.
 Vs = tensión de salida.
 is = Intensidad de salida.
 Zs = Impedancia de salida.
 La ganancia (A), es la relación entre la salida y la entrada. Se puede distinguir entre ganancia de tensión, corriente y potencia.
 Av = Vs/Ve ganancia de tensión.
 AI = is/ie ganancia de corriente.
 Ap = Ps/Pe = Av.AI ganancia de potencia.

 Ninguna tiene unidades.

 Ejemplo:

 a) A un amplificador le aplicamos la siguiente señal, Ve= 2V ie= 20 mA. Y el nos da, Vs = 8V, is= 200
mA. ¿cuál será su ganancia de tensión, corriente y potencia.?
 Solución:

 Av = Vs/Ve = 8V/2V = 4
 AI = is/ie = 200 mA/ 20mA = 10
  Ap = Ps/Pe = Av.AI = 4 . 10 = 40

  b) Expresa la ganancia de potencia del ejercicio anterior en decibelios (dB)

 A(dB) = 10 log (Ps/Pe) =10 log (40) = 16,02 dB

 La impedancia de entrada (Ze) y de salida (Zs), se definen como la tensión aplicada y la corriente absorbida.

 Ze = Ve/ie impedancia de entrada.
 Zs = Vs/is impedancia de salida.

 1.1. Introducción al amplificador operacional
 
 El amplificador operacional (AO), es un amplificador que posee, dos entradas activas referidas a masa (entrada diferencial); la entrada inversora (-), y la no inversora (+). Tiene una salida y se alimenta con tensión simétrica (dos fuentes de tensión).



 Las características del AO ideal son:
 
 - Ganancia de tensión en lazo abierto (A0) infinita.
 - Impedancia de entrada (Ze) infinita.
 - Impedancia de salida (Zs) cero.

  El A.O. es un dispositivo amplificador cuyas características de funcionamiento se aproximan a las de un amplificador ideal: ganancia infinita, salida nula en ausencia de la señal de entrada, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero, ancho de banda infinito y tiempo de subida nulo.

 Las características de un A.O. real difieren de las propias de un A.O. ideal. No obstante, un A.O. típico está caracterizado por las siguientes propiedades sustancialmente aceptables: elevada ganancia en tensión, alta impedancia de entrada, ancho de banda amplio (partiendo desde c.c.), baja tensión de offset, mínima distorsión, nivel de ruido reducido, etc.

 Como se observa en la figura 1, el amplificador operacional posee dos entradas: una INVERSORA (-) y otra NO INVERSORA (+) y una salida asimétrica referida a masa.



 Si la señal se mete por la inversora, la señal de salida aparecerá invertida 180° respecto a la excitación. La alimentación se realiza por medio de dos fuentes simétricas, una +Vcc, u otra -Vcc, Esta circunstancia permite centrar la señal de salida respecto al nivel de referencia f (masa).

 Existen dos tipos de funcionamiento básico: sin realimentación o en BUCLE ABIERTO y con realimentación o en BUCLE CERRADO.

  Normalmente se usa en BUCLE CERRADO. La red de realimentación determina la función que realiza el montaje, permitiendo la construcción de amplificadores asimétricos, osciladores, integradores, diferenciadores, sumadores, restadores, comparadores, filtros, etc.

 Las limitaciones de este tipo de dispositivos quedan determinadas por las características del fabricante.

 Interpretación de las especificaciones de los amplificadores operacionales.

 1. GANANCIA DE TENSIÓN EN BUCLE ABIERTO A

 Corresponde a la ganancia del amplificador sin realimentar. Depende de la frecuencia de trabajo y de la temperatura, disminuyendo al aumentar uno cualquiera de ambos factores. Su valor típico es el de 100 dB.


 Si el A.O. se utiliza con realimentación en tal caso la ganancia depende de la red de realimentación.


 2. IMPEDANCIA DE ENTRADA Zi (figura 2a)


 Se define como la impedancia que el amplificador presenta a la fuente de excitación conectada a una de las dos entradas y con la otra a masa. Zi varía con la temperatura y la frecuencia, suele darse para determinada condiciones concretas, por ejemplo: T = 25 ° C y f = 1 KHz, Evidentemente la variación de Zi modifica la ganancia del A.O.


 Debido a que el A.O. es un amplificador de tensión, Zi debe de ser muy elevada con el fin de evitar cualquier efecto de carga sobre la etapa anterior de excitación. El valor típico de la impedancia de entrada suele ser del orden de los Mega Ohmios.



 3. IMPEDANCIA DE SALIDA Zo (figura 2b)


 Es la impedancia que presenta el A.O. hacia una carga conectada a la salida. Una Zo elevada reduce la ganancia del A.O. y puede dar lugar a que la etapa siguiente cargue el A.O. Por otra parte la impedancia de salida disminuye al aumentar la frecuencia de trabajo, ya que, en estas circunstancias A disminuye. Los valores normales a Zo son inferiores a 100 ohmios.



 4. MÁRGEN DINÁMICO Vo-pp (figura 2c)


 Representa el valor máximo pico a pico que puede adquirir la señal simétrica de salida. Idealmente debería de coincidir con ±Vcc (diferencia entre los valores de ambas fuentes de alimentación). No obstante, debido a las pérdidas en funcionamiento real, Vo-pp es inferior en algunos voltios a ±Vcc, Un aumento de la frecuencia, impedancia de salida o intensidad sobre la carga, se traduce en una disminución del margen dinámico.



 5. ANCHOS DE BANDA (figura 2d)


 Se define como la gama de frecuencias de funcionamiento comprendidas entre la frecuencia de corte inferior y superior.
 
 Recordemos que las frecuencias de corte, definidas convencionalmente, son aquéllas para las que la ganancia cae 3 dB respecto a su valor típico (normalmente para f = KHz ), En las hojas de características B se da para funcionamiento en bucle abierto tomando un valor comprendido entre 0 y 10 MHz en modelos comerciales. Si tenemos en cuenta que el A.O. es un amplificador de continua, amplificador desde f = 0 Hz, la frecuencia máxima con la que puede operar coincidirá con el valor asignado al ancho de banda.



 6. MÁXIMA TENSIÓN DE ENTRADA Vi máx


 Varía en función de la alimentación del A.O. Normalmente es algo inferior a ±Vcc.


 7. FACTOR DE RECHAZO EN MODO COMÚN CMRR


 Se define como la relación logarítmica entre la ganancia para la entrada diferencial respecto a la ganancia para entrada en modo común, expresado en dB, CMRR = 20 log Gd dB, Recordemos que el A.O. funciona en Gc

 Modo común cuando la señal de entrada se aplica simultáneamente a ambos terminales (+) y (-). De la interpretación del CMRR se deduce el grado de equilibrio de las etapas diferenciales del A.O. Su valor debe ser lo más elevado posible, ya que, a medida que su valor aumenta, el A.O. es menos sensible a la señal común aplicada a la entrada. En los A.O. integrados de tipo comercial el CMRR oscila entre 70 y 90 dB.


 Un condicionante a considerar es que el factor de rechazo en modo común depende de la frecuencia. Un aumento de f influye negativamente en el CMRR,


 8. TENSIÓN DE OFFSET


 Se denomina offset a cualquier desequilibrio o asimetría en la distribución interna de tensiones en el A.O. La tensión de offset se define tanto a la entrada como a la salida.


 @. Vio: TENSIÓN DE OFFSET DE ENTRADA (figura 2e)


Es el nivel de tensión que hay que aplicar a la entrada para que la tensión diferencial de salida sea nula.



 10. Voo: TENSIÓN OFFSET DE SALIDA

 Coincide con el nivel de tensión diferencial de salida cuando la señal diferencial de entrada es nula. Los C.I. operacionales poseen terminales externos para la corrección de la tensión de offset,


 11. INTENSIDAD DE OFFSET: Iio (figura 2f)

 Se define como la diferencia entre las corrientes que circulan por entre ambas entradas cuando la señal diferencial aplicada es nula. La corriente de offset cobra importancia cuando están presentes en los terminales de entrada fuentes de excitación de elevada resistencia interna. En efecto, puede ocurrir que siendo la tensión de offset 0, la corriente offset adquiere un valor apreciable.



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