Amplificadores Operacionales

Amplificadores Operacionales

Noviembre 2007Dr. En C. Rodolfo Zolá García Lozano

Símbolo de un amplificador operacional

• El símbolo del amplificador operacional se indica que este dispositivo Tiene las características ideales de un amplificador. ¿Cuáles son?

Fig. 18-2

Características de un amplificador operacional ideal

• El amplificador operacional Ideal representa a un amplificador de tensión perfecto, y a menudo se denomina como fuente de tensión controlada por tensión (VCSV, voltage-controlled voltage source).

Tabla 18-1 Características típicas del amplificador operacional

Detectores de cruce por CERO• ¿Cómo opera el circuito de la siguiente figura?

Detectores de nivel de voltaje• ¿Cómo opera el circuito de la siguiente figura?

• ¿Cómo opera el circuito de la siguiente figura?

Detectores de nivel de voltaje

Detector de nivel con fuente variable• ¿Cómo opera el circuito de la siguiente figura?

Interruptor activado por sonido

Voltímetro luminoso

Aspectos generales del amplificador operacional

• Como la ganancia de tensión es muy alta, cualquier voltaje de entrada podría saturar el voltaje de salida.

• Es necesario un conjunto de componentes externos que regulen la ganancia de salida. En muchos casos se emplea una retroalimentación negativa para este efecto.

• Cuando no se emplea el lazo de retroalimentación y la ganancia de tensión es máxima, se denomina ganancia de tensión en lazo abierto (AOL)

• El 741C tiene una frecuencia de ganancia unidad de 1 MHz. Significa que puede tener una ganancia de tensión útil hasta 1 MHZ.

• Resistencia de entrada de 2 MΩ

• Cuando se necesitan mayores impedancias de entrada se pueden utilizar amplificadores operacionales BIFET.

• Estos amplificadores BIFET cuentan con transistores JFET y bipolares en el mismo chip. Por Ejemplo LF157A (comparar características en la tabla 18-1)

Aspectos generales del amplificador operacional

Ganancia de tensión de lazo abierto para el 741 respecto a la frecuencia de operación.

Fig. 18-4

Máxima excursión de salida• El valor MPP de un amplificador es la

máxima tensión de salida pico a pico sin recortar que un amplificador puede producir.

• Las variaciones positivas y negativas de la tensión de salida puede tener valores cercanos a la tensión de alimentación, cuando la resistencia de carga es mucho mayor que Rout.

• Por ejemplo si VCC=+15V y VEE=-15V, el valor de MPP con una resistencia de carga de 10kΩ idealmente será 30 V.

Fig. 18-6b

¿Cuáles son las unidades del MPP?

Corriente de corto circuito

• En algunas aplicaciones al amplificador puede tener resistencias de carga cercanas a 0Ω, en estos casos es necesario conocer el valor de la corriente de salida de corto circuito.

• Por ejemplo, para el 741C la corriente de salida de corto circuito es 25 mA.

• Si la resistencia de carga es menor de 75Ω no se puede esperar tener una tensión de salida grande, ya que la corriente de salida no puede ser mayor que 25mA

Respuesta en frecuencia del 741C • La ganancia de tensión a frecuencias medias

es de 100,000.

• Tiene una frecuencia de corte fc de 10 Hz.

• Como se indica, tiene una ganancia de tensión de 70,700 (3 dB menos) en 10Hz.

• Por encima de la frecuencia de corte, la ganancia de tensión disminuye a razón de 20 dB por década. AdB= 20 log A

• La frecuencia de ganancia de unidad, es la frecuencia a la que la ganancia es igual a 1.

• Si se requiere trabajar a frecuencias de operación mayores, se debe de seleccionar un amplificador operacional apropiado, por ejemplo el LM318 trabaja a 15 MHz.

Fig. 18-6 c)

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Velocidad de respuesta

Ejemplo: – Suponiendo que la tensión de entrada de un amplificador

operacional es un escalón de tensión positivo. Si el amplificador operacional fuera perfecto

¿cuál sería la señal de salida que se obtendría?

Fig. 18-7A)


• En el amplificador 741C la velocidad de respuesta es 0.5V/µs.

Fig. 18-7c

• También en las ondas senoidal puede afectar la señal de respuesta de amplificador operacional.

• El problema se vuelve crítico cuando la pendiente inicial de la señal senoidal es mayor ala velocidad de respuesta del Amplificador operacional.


Fig. 18-8

Ancho de banda a plena potencia o para gran señal

• Para evitar distorsión por velocidad de respuesta:SS ≤ SR

• Cuando estamos en el límite, o sea SS = SR la frecuencia máxima a la que puede trabajar el amplificador es :

Gráficas de la correspondencia entre la amplitud y el ancho de banda a plena potencia

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Ejemplo• ¿Qué tensión de la entrada inversora hace falta para llevar al 741C de la Fig.

18-10A a saturación negativa? Utilice la Fig. 18-6B para calcular la ganancia de tensión para la resistencia de carga indicada.

Ejemplo• ¿Cuánto vale la ganancia de tensión en lazo abierto de un 741C cuando la

frecuencia de entrada es 1kHz, 10kHz y 100kHz? Usar la Fig. 18-6c)

• La tensión de entrada de un amplificador operacional es un escalón de tensión. La salida es una salida exponencial que cambia 0.25V en 0.1µs. ¿Cuál es la velocidad de respuesta del amplificador operacional?

• El LF411A tiene una velocidad de respuesta de 15 V/µs. ¿Qué valor toma el ancho de banda a plena potencia para una tensión pico de salida de 10V?

• ¿Cuál es el ancho de banda a plena potencia para cada uno de los siguientes casos? Usar Fig. 18-9

• SR= 0.5 V/µs y VP= 8V

• SR= 5.0 V/µs y VP= 8V

• SR= 50 V/µs y VP= 8V

Polarización y offset

• ¿Cuál debe de ser el voltaje de salida del amplificador operacional si la entrada es CERO?

• A veces puede existir un pequeño voltaje, a este voltaje se le conoce como VOLTAJE DE OFFSET

• Normalmente se debe de anular usando los métodos indicados en las hojas de especificaciones.

Compensación y anulación del offset para un 741C

Fig. 18-5

Amplificador operacional con retroalimentación negativa

• La ganancia de lazo abierto (AOL) en los amplificadores operacionales (AO) es muy grande y puede variar hasta un orden de magnitud entre dispositivos del mismo tipo.

• Esta magnitud y variabilidad no permite utilizar a estos dispositivo como amplificadores de señal adecuados.

• Con el fin de controlar la ganancia del AO, se utiliza la retroalimentación negativa.

• La retroalimentación negativa es una resistencia de alimentación externa que se conecta entre la terminal de salida y la terminal inversora del AO.

• Con la retroalimentación de negativa la señal de salida ya no depende de la AOL.

• El circuito resultante tiene ahora una GANANCIA DE LAZO CERRADO (ACL).

Amplificador operacional con retroalimentación negativa

Entre las terminales 2 y 3 existe una TIERRA VIRTUAL. Esto es:• La resistencia entre la

terminal inversora (-) y la terminal no inversora (+) es infinita, por lo tanto la corriente entre estas terminales es CERO.

• La diferencia de potencial entre estas dos terminales es CERO, por lo tanto el voltaje en (-) siempre es el mismo que en (+)

Funcionamiento del Amplificador Inversor

• Se aplica un voltaje positivo Ei a través de la resistencia de entrada Ri a la entrada (-).

• Rf forma la retroalimentación del AO.

• ¿Cuál es el voltaje entre las terminales (+) y (-)?

• Debido a la tierra virtual, el voltaje en las terminales (+) y (-) es CERO.

• ¿Cuál es la caída de potencial en la resistencia Ri?

• Ei, por la tierra virtual.

• ¿Cuál es la corriente en la rama de Ri?

i

i

R

EI


Aplicar la ley de corrientes de Kirchhoff para el nodo de la terminal 2.

Ii-I23-If=0

Considerando el concepto de la tierra virtual definido

¿Cómo queda la ecuación de corrientes de Kirchhoff?

¿Cuánto vale If?

Ii=If

Ojo: la corriente If esta definida por Ei y Ri, y no por Rf, Vo o la ganancia del amplificador.


¿Cuál es el voltaje e Rf?

fi

ifRf R

R

ERIV

Considerando la tierra virtual, ¿Cómo están conectadas las resistencias Rf y RL?

¿Cuánto vale Vo?

fi

io R

R

EV

La ganancia de lazo cerrado será:

i

fCL R

RA


¿Cuál es el valor de IL?

L

oL R

VI

¿Cuál es la expresión de la ley de corrientes de Kirchhoff en el nodo de la salida? Y

¿Cuál es la expresión de Io?

Lo III

El valor máximo de Io esta definido por el amplificador operacional. Por lo general el valor se encuentra entre 5 y 10 mA.

Ejemplo del Amplificador Inversor

De acuerdo con el circuito de la siguiente figura, con Rf=100kΩ, Ri=10kΩ y Ei= 1 V. Calcular:

• La corriente I.

• El voltaje de salida Vo.

• La ganancia de lazo cerrado ACL.

• La corriente de carga IL.

• La corriente total en la terminal de salida del AO (Io).


De acuerdo con el circuito de la siguiente figura, con Rf=250kΩ, Ri=10kΩ y Ei=-0.5 V. Calcular:

• La corriente I.

• El voltaje de salida Vo.

• La ganancia de lazo cerrado ACL.

• La corriente de carga IL.

• La corriente total en la terminal de salida del AO (Io).

Empleando los valores del ejemplo anterior determine:

• La RL para tener una corriente de carga IL= 2mA.

• La corriente Io.

• La resistencia de entrada del circuito.


Para el circuito de la siguiente figura, graficar el voltaje de salida considerando que el voltaje de entrada Ei.

Ancho de banda• Para el 741C, el ancho de banda en lazo abierto es muy bajo

10 Hz.• Para mayores frecuencias, la ganancia de lazo abierto se

reduce con una pendiente constante.• Cuando se usa retroalimentación negativa el ancho de banda

se incrementa. • El ancho de banda depende inversamente de la ganancia de

lazo cerrado.

1)(2

CL

unidadCL A

ff

Sumador inversor

Para el circuito de la figura anterior ¿cuál es la expresión del voltaje de salida?

Nivel de CD para desviar una señal de AC

Dibujar la señal de salida del circuito mostrado en la siguiente figura para las siguientes condiciones de polarización de Edc. a) 0V, b) 5V c) -7V

Amplificador multicanal

Para el circuito de la figura anterior ¿cuál es la expresión del voltaje de salida?

• Diseñe un amplificador inversor multicanal. Las ganancias de cada canal serán: ACL1=10, ACL2=-5 y ACL3=-2

Amplificador multicanal

Amplificador inversor de promedio• Utilizando la configuración del amplificador inversor multicanal, diseñar

un amplificador inversor de promedio de tres canales.

Seguidor de voltaje

Vo = Ei

Amplificador No inversor

Ejemplosa) Calcular la ganancia de voltaje del amplificador de la siguiente figura.b) Si la señal de entrada es una onda senoidal de 100Hz con 2 V pico, grafique el voltaje de salida en

función del tiempo.c) Graficar el Vo en función de Vi

Ejemplos

1. Diseñar un amplificador no inversor con ganancia de lazo cerrado de +10

2. Diseñar un sumador no inversor de ganancia 1, para tres canales de entrada (¿es posible?, ¿Cuál es la ganancia mínima?).

3. Diseñar un sumador no inversor con tres canales. La ganancia de los canales debe de ser ACL1=10, ACL=15 y ACL3=20 (¿es posible?).

4. Diseñar un circuito promediador de 5 canales (¿es posible?).

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