AMPLIFICADOR OPERACIONAL EMPLEADO COMO SEGUIDOR DE GANANCIA UNIDAD
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Este es el principal circuito de aplicación práctica que analizaremos. Reci be varios nombres relacionados directamente con sus posibilidades de aplicación. Seguidor de ganancia unidad, seguidor de tensión, adaptador de impedancias de ganancia unidad, separador, buffer, etc.
Antes de abordar el análisis del circuito en cuestión, vamos a establecer las relaciones básicas y aproximaciones a tener en cuenta en lo sucesivo (figura 7),
La impedancia de entrada del A.O. es muy elevada. En consecuencia y por aproximación podemos tomar Zi @ ¥.
Por otra parte, de verificarse el supuesto anterior Zi @ ¥ la intensidad de circulación a través de las entradas diferenciales puede considerarse des preciable: Ii @ 0,
Por último, de acuerdo a la expresión Vi = Ii × Zi y teniendo en cuenta las relaciones de aproximación establecidas, resulta que, en definitiva po demos considerar Vi @ 0,
Volviendo al estudio del seguidor de ganancia unidad (figura 8), observa mos que la señal de entrada se aplica directamente a la entrada no inver sora del operacional. Se constata, asimismo, la ausencia de resistencia o componente alguno que establezca la realimentación. Sin embargo, la se ñal de salida se realimenta íntegramente hacia la entrada inversora.
En estas condiciones podemos demostrar fácilmente que la tensión de sa lida del montaje es igual a la introducida por la entrada no inversora. De ahí que esta disposición circuital reciba el nombre de seguidor de tensión o seguidor de ganancia unidad.
Según lo expuesto anteriormente:
Vi @ 0 Ii @ 0 Zi @ ¥
(Zi del A.O. sin realimentar) y observando el circuito de la figura 8,
Podemos establecer:
Vo = V1
Siendo:
V1 = V2 + Vi
Para el valor de Vi considerado V1 = V2 para Vi = 0,
Luego, en definitiva, se demuestra que el seguidor de tensión proporciona una señal de salida igual a la entrada:
V0 = V2
Evidentemente, la ganancia en tensión del montaje será la unidad, ya que:
Gv= V0/V2 = 1
En principio, puede aparecer que la utilidad del circuito seguidor de ganan cia unidad es mínima o tal vez inexistente. Su interés radica en la transfe rencia de impedancias que lleva a cabo: extrae la señal del circuito ante rior presentando una impedancia de entrada muy elevada y la ceda al cir cuito de carga con impedancia de salida prácticamente nula.
Se observa, pues, que es un adaptador entre capas cuyo comportamiento es próximo al ideal.
Para el diseño de este tipo de circuitos hay que conocer las expresiones que permitan el cálculo de las impedancias de entrada y salida del montaje en función de las propias del A.O. utilizado en bucle abierto.
1.
Impedancia
de
salida
de
los
amplificadores
en
lazo
cerrado
}figura
@)
Siendo
Zo
la
impedancia
de
salida
de
un
A.O.
en
lazo
abierto
y
Zs
es
la
del
lazo cerrado,
vamos
a
demostrar
que
ésta
última
Zs
es
mucho menor que
la
primera
Zo,
Esto es
muy
importante
puesto
que
nos
acercamos más
al
amplificador ideal.
Si
cargamos
el circuito
con
una
RL
y
queremos
mantener
un
incremento
de
corriente
de
salida
vo,
ya
que:
D vo
= D IL
× Zo
Þ D IL
= D vo
Pero esta
tensión
de
salida
se
mantendrá
si
aumentamos
la
de
la
entrada
negativa, ya
que:
D
vo
=
D
Vi
×
A
Siendo
A
la
ganancia
en lazo
abierto.
Como
este
montaje
es
un
separador:
DVi
=
DVo
La
impedancia
de
salida
en
lazo
cerrado
será:
En
la
última
expresión
vemos que
la
impedancia
de
salida
Zs
en
lazo
ce
rrado, es
igual
a
la
del
lazo
abierto
Zo
dividido
por
la
ganancia
del
A.O.
A en
lazo
abierto.
Si
el
A.O.
que
empleamos
en
el
montaje
es
un
mA702A
y
buscamos
en
el catálogo
vemos
que
Zo
=
200
W
y A
=
6,000,
Entonces
la
impedancia
de
salida
en
lazo
cerrado
será:
Prácticamente
nula.
2. Impedancia
de
entrada
de
los
A.O.
en
lazo
cerrado
}figura
10)
Siendo
Zi
la impedancia
de
entrada de
un
A.O.
en
lazo
abierto
y
Ze
la del lazo
cerrado,
vamos a
demostrar
que
la segunda es
mucho
mayor
que
la primera.
Ocurriendo
que
Ze
>>
Zi
nos
acercamos
más
cerrando
el lazo
al amplificador
ideal.
El
voltaje
en
la
entrada
del
amplificador,
Vi
es
igual
al
de
salida
dividido
por
la
ganancia
en lazo
abierto:
Vi
=
A
Luego
la
impedancia de
entrada
en
lazo
es
igual
al
producto
de
la
ganancia
por
la
impedancia de
entrada
en
lazo
abierto.
EJEMPLOS.
Si
el
amplificador
de
la
figura
10 es
un
mA741C,
en sus
características
tiene
como: Zi
=
106
y A
=
105,
Luego:
Ze
=
A
×
Zi
=
105
×
106
=
1011
W
MÉTODO
DE
DISEÑO
Para
poder
emplear
este
tipo
de
circuito
como adaptadores
de
impedancias
tenemos
que
conocer
los
datos
siguientes:
·
Impedancia
de
salida
de
la
etapa
anterior
Zs
(a),
·
Impedancia
de
entrada
del
circuito posterior
Ze
(p),
·
Frecuencia
máxima
de
trabajo
Þ
f
(máx),
Según
el
A.O.
que
se
elija,
tenemos
que
ir
a
las
características
suministradas por
el
fabricante
y
ver: A,
Zi
y
Zo,
A: Ganancia
del
operacional
en
bucle
abierto.
Debe
hallarse
sobre
la
frecuencia máxima
de
trabajo
y
de
la
tensión
de alimentación
adoptada.
Zi: Impedancia
de
entrada
del
A.O.
en
bucle
abierto.
Zo:
Impedancia
de
salida
del
A.O.
en
bucle
abierto.
Ambos
datos
se
hallan
sobre
los
gráficos
correspondientes,
en
función
de la
frecuencia
máxima
de
trabajo
establecida y
de
la
temperatura ambiente de
funcionamiento.
EJEMPLO
PRÁCTICO.
En
el
diseño
de
adaptadores
de
impedancia
utilizando
circuitos
seguidores de
ganancia
unidad, nos
hallamos
con
el
caso típico
siguiente:
se
desean
adaptar
dos
etapas
cuyas
características se
indican
seguidamente: Zs
(a) =
10
W,
Ze
(p)
=
100
W
y
la
frecuencia máxima
de
trabajo
es
f
(máx)
=
400
KHz,
Este
planteamiento puede
responder
a
un
caso
típico
de
adaptación
entre la
etapa
amplificadora de
alta
frecuencia
y
el
circuito
de
carga.
Para
solventar
el
problema
elegimos
un
A.O.
de
tipo
comercial
en cuyas hojas
de
datos
observamos
las
siguientes
especificaciones:
A = 80
dB
=
104
Zi
=
100
kW
Zo
=
75
W
Todo ello
para
la
frecuencia
máxima
de
trabajo
establecida y
para
la
alimentación
fijada
(por
ejemplo:
Vcc
±
9
voltios)
(figura
11),
Para
poder
utilizar
este
A.O.
como
adaptador
de impedancias, no
queda
más
que comprobar
si
la
impedancia
de
entrada
Ze
es
mucho
mayor
que Zs
(a) y
la
impedancia
de
salida
Zs
es
notablemente inferior
a
Ze
(p),
Como
ya
se
vio
anteriormente, las
expresiones
a
utilizar
son:
Ze
@ Zi
× A
Zs
=
A
De acuerdo a los valores obtenidos podemos afirmar que:
Ze >> Zs (a) Zs << Ze (p)
1,000 MW > >10 kW 75 × 104 W << 100 W
Efectivamente, observamos que el A.O. elegido se puede utilizar como
adaptador de impedancias ya que evita cualquier tipo de carga mutua
entre las etapas acopladas.
Ze
=
105
×
104
=
109
=
1,000
MW
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