Amplificadores Operacionales : APLICACIONES PRACTICAS Y TEORIA

MATERIAL EN PDF:
 Amp-Operacional.pdf
Amp2-Operacional.pdf 
 EJERCICIOS RESUELTOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES
AMP-OP_Tema_2_RECREATEOFICIAL.pdf

Esquemas y Configuraciones Externas.

El símbolo de un amplificador operacional (8 PINES) es el siguiente:

Los Terminales son:

V+: Entrada no inversora.

V-: Entrada Inversora

Vout: Salida

Vs+: Alimentación positiva

Vs-: Alimentación negativa.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por razones de claridad en la interpretación del diseño.

Lazo Abierto:

Si no existe realimentación, la salida del AO será la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de 1mV la salida debería de ser 100V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el AO estará saturado si se da este caso. Si la tensión mas alta es la aplicada a la Terminal positiva la salida será la que corresponde a la alimentación Vs+, mientras que si la tensión más alta es la de la Terminal negativa la salida será la alimentación Vs-

Lazo Cerrado:

Se conoce como lazo a la retroalimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la Terminal negativa, la tensión en esta Terminal también se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas se reduce, disminuyéndose también la salida este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las 2 entradas, idealmente con el mismo valor.

Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas 2 aproximaciones para analizar el circuito:

V+ = V-

I+ = I- = 0

Alimentación:

El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0V. El valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un máximo y un mínimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador el valor de tensión que se escoja, únicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentación.

Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O. u op-amp), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G·(V₊ − V₋)

HISTORIA DEL AMP. OP:

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

Parámetros (caracteríscas de dispositivo):

• Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia de realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.

• Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas entradas del operacional.
• Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través de resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor cero.
• Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del operacional que hace que su salida tome el valor cero.
• Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones.
• Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de señal
• Slew rate. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima respecto de la variación del tiempo. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el Slew Rate. Se mide en V/μs, kV/μs o similares. El slew rate está limitado por la compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales. Existen amplificadores no compensados (con mayor slew rate) usados principalmente en comparadores, y en circuitos osciladores, debido de hecho a su alto riesgo de oscilación.
• Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en inglés). Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.

Amplificador operacional de uso común :

Estructura interna del 741

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.

Limitaciones :

Saturación:

Un A.O. típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores.

Un concepto asociado a éste es el Slew rate

Tensión de offset:

Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de la temperatura (T) del operacional como sigue:

Donde T₀ es una temperatura de referencia.

Un parámetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensión de offset en la entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al modo común).

Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relación de rechazo a la fuente de alimentación). La PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a la variación de los voltajes de alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:

 

Corrientes:

Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar:

 

 

 

Idealmente ambas deberían ser cero.

Característica tensión-frecuencia:

Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios(Hz). Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener las características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

Capacidades:

El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

Deriva térmica:

Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los A.O. también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.

LM741

Vista Real

Diagrama:

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)
• Moduladores,mezcladores,amplificadores de audio
• Acople de impedancias,sensores,ect.

Comparación entre variantes de modelos de Amp. Op:
 Los amplificadores  poseen características que los diferencian entre sí por lo que cada uno de ellos es adecuado para diferentes aplicaciones. A continuación paso a explicar cada uno de ellos:

LM741
Este dispositivo es un amplificador de propósito general bastante conocido y de uso muy extendido. Sus parámetros son bastante regulares, no teniendo ninguno que sea el mejor respecto a los de los demás, pero en conjunto presenta una alta impedancia de entrada, pequeños offset (de corriente y de voltaje) en la entrada y buenos parámetros.

LM725

Este amplificador es un modelo bastante similar al LM741, pero que mejora bastantes de sus parámetros. Tiene unos valores para la corriente y el voltaje de offset de entrada menores, su corriente de polarización también es menor y su CMRR más elevado. Sin embargo, la impedancia de entrada de este dispositivo es inferior a la que presenta el LM741.

LF411

Este dispositivo posee excelentes parámetros. Tiene uno offset de entrada y una corriente de polarización de valores muy bajos. Además su impedancia de entrada es la más elevada de todas (junto con el MAX430). Es uno de los amplificadores operacionales de National Semiconductors para aplicaciones de máxima precisión.

OPA124

Este chip es el que presenta los valores más bajos de corriente offset de entrada y de corriente de polarización de entrada. Posee una impedancia de entrada elevadísima, la cual se presenta como una resistencia en paralelo con un condensador. Es uno de los mejores amplificadores operacionales que he analizado.

NE5533

Este chip es el que posee (a nivel general) peores prestaciones de todos los amplificadores que se encuentran en el estudio. Su impedancia de entrada es la menos alta de todas y su corriente de polarización la más elevada. Es un amplificador para aplicaciones en las que no se requiera de alta precisión.

NE/SE5532

Este dispositivo está diseñado a partir de dos amplificadores operacionales con alta ganancia que se colocan de manera opuesta para presentar compensación en los parámetros. También está pensado para que pueda operar en un rango amplio de voltajes de alimentación. Posee el bandwith (ancho de banda) más alto de todos los amplificadores que se han analizado.

NE/SE5514

Este dispositivo se presenta como un amplificador operacional para aplicaciones con altas exigencias. Presenta una corriente de polarización bastante baja y unas corrientes y voltajes de offset con valores también bajos. La impedancia de entrada de este dispositivo es una de las más altas de todos

los amplificadores que he analizado y por ello este dispositivo es apropiado cuando trabajemos con un elemento que disponga de una impedancia de salida muy elevada.

NE/SE5230

Este amplificador operacional presenta una característica diferenciadora respecto al resto de amplificadores y que no está mostrada en la tabla, la cual consiste ven que está especialmente diseñado para trabajar con voltajes de alimentación muy bajos. De este modo este operacional se puede alimentar con ±18V o con ±1,5V.

Otros amplificadores, con tensiones de alimentación tan bajas no pueden funcionar correctamente, por lo tanto este dispositivo es ideal cuando haya que utilizar un amplificador operacional en una placa en la cual se quiera utilizar un mismo voltaje (por ejemplo niveles TTL) para alimentar toda la circuitería. Sus parámetros son en general buenos presentando pequeños valores de offset a la entrada.

NE/SE532

Este chip posee buenos parámetros, pero dos de ellos destacan sobre los demás. Es el amplificador con mayor rango de voltaje de entrada ±16 V y también es el que posee mayor límite en la corriente de salida. Este amplificador puede atacar cargas con un valor de corriente casi el doble a la de otros amplificadores.

MAX430

Este amplificador presenta unos parámetros que le acercan a los de los amplificadores de instrumentación. Esta diseñado para presentar una alta precisión.

Posee el valor de offset de entrada más bajo de todos los amplificadores y también los valores más altos de rechazo al modo común CMRR y al voltaje de alimentación PSRR. También cabe destacar que posee la impedancia de entrada más alta de todos los amplificadores, y me hace pensar que aunque el fabricante presenta este dispositivo como un amplificador operacional, su estructura tal vez esté compuesta por tres operacionales como los amplificadores de instrumentación.

MXL1001

El fabricante presenta a este dispositivo como un amplificador operacional de precisión. Posee muy buenos parámetros y cabe destacar que es el dispositivo con uno de los mayores rangos de voltaje de entrada (±14 V). Me ha llamado la atención que en la documentación técnica de este sensor, el fabricante aporta una imagen ampliada del diseño PCB que posee el amplificador operacional internamente y señala sobre el dibujo los diferentes lugares desde donde surgen los pines hacia el exterior del chip.

EL MODELO IDEAL:

Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico activo siendo capaz de ofrecer una tensión de salida en función de una tensión de entrada. Vamos a considerar única y exclusivamente el amplificador operacional ideal, que aun no existiendo en la vida real, es una aproximación muy precisa y perfectamente válida para el análisis de sistemas reales. Un amplificador operacional presenta cinco patillas. Dos de ellas son las entradas del dispositivo; la primera de ellas llamada entrada inversora se halla indicada en los esquemas con un signo menos, la otra denominada entrada no inversora se indica mediante un signo más. Otro de las patillas del amplificador operacional corresponde a la salida del dispositivo mientras que las dos restantes corresponden a la alimentación requerida por el dispositivo (±Vcc).

Una vez nos hemos familiarizado con las patillas podemos pasar a indicar las características de un amplificador operacional. Debido a que en ningún momento entraremos en el diseño interno del circuito deben ser asumidas. Recordamos una vez más que son características teóricas, si bien las reales se aproximan a las teóricas:

• Ancho de banda infinito (podemos trabajar con señales de cualquier frecuencia).
• Tiempo de conmutación nulo
• Ganancia de tensión infinita.
• Impedancia de entrada infinita.
• Impedancia de salida nula.
• Corrientes de polarización nulas.
• Tensión de desplazamiento nula (si bien no es estrictamente cierto, diremos que la diferencia de potencial entre las entradas inversora y no inversora nula).
• Margen dinámico ±Vcc (la tensión de salida puede a nivel teórico alcanzar el valor de la tensión de alimentación, en la práctica se aproxima pero no puede ser igual ya que se producen saturaciones en el dispositivo).

Conclusión:

• La tensión de entrada diferencial es nula.
• No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada.
• En bucle cerrado, la entrada (-) será regulada al potencial de entrada (+) o de referencia.
  

Datasheet:
LM741
Anexo:
Op Amp
Op  Amp2
Práctica de Lab.

Nota:

La diferencia entre usar un tipo o el otro de alimentación está en lo que queramos obtener en la salida: si en la salida queremos obtener tensiones positivas y negativas tendremos que usar la alimentación simétrica, si solo queremos obtener tensiones positivas podemos usar alimentación simple. También tendrás que tener en cuenta que ni las entradas ni las salidas del operacional podrán sobrepasar los límites marcados por la alimentación, es decir, si alimentas a 12 V no esperes obtener 15 voltios a la salida.

En los esquemas electrónicos se presenta al amplificador operacional como una caja negra con características ideales, lo que simplifica mucho su interpretación. Sin embargo, 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 amplificadores operacionales 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.

Veremos a continuación como se comporta un amplificador operacional en corriente continua (CC) y corriente alterna (CA).
El primer caso a analizar es la configuración a lazo abierto (sin realimentación) en corriente continua. En estas condiciones, la salida del amplificador operacional será la resta de sus dos entradas, multiplicadas por el factor G, tal como se explico antes. Con ganancias superiores a 100.000, es muy fácil, aun con variaciones muy pequeñas de tensión en sus entradas, que la tensión de salida supere la tensión de alimentación. En ese caso, se dice que el amplificador operacional esta saturado. Si la tensión mas alta es la aplicada a la entrada V+, la salida (Vout) será igual a Vs+. Si la entrada V- es la mas alta, la salida toma el valor de Vs-.

El segundo caso es un lazo cerrado en corriente continua. Supondremos una realimentación negativa, mediante una conexión entre la salida y la entrada V- . Para analizar esta situación, supondremos que inicialmente ambas entradas están sometidas a la misma tensión. Si la tensión aplicada a la entrada V+ comienza a subir, la tensión en la salida también subirá, ya que como vimos antes, es función de la diferencia de las tensiones en las entradas. 

Como existe la realimentación entre la salida y V-, la tensión en esta entrada también subirá, con lo que la diferencia entre V+ y V- se reduce, disminuyendo también la tensión de salida. Este proceso se estabiliza rápidamente, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor. Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito:

V+ = V-
I+ = I- = 0

En principio, lo visto respecto del comportamiento del amplificador operacional en CC puede aplicarse a corriente alterna (CA), pero debemos tener en cuenta que a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones.

Debido a que al amplificador operacional típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA) hay una importante limitación respecto a la frecuencia: el producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios. Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes amplificadores operacionales para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores se busca mantener las características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

El amplificador operacional se puede utilizar como un comparador.

 Amp-Operacional.pdf
Amp2-Operacional.pdf
Fuente:  
Electrónica  
Recreateoficial