Un Amplificador operacional es un dispositivo con dos puertas de entrada y una de salida, que se caracteriza por tener:
Ia=Ib=0
Vo = Ad ( Va - Vb )
El circuito equivalente al modelo ideal se muestra en la figura n.1.
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figura nº .1 |
Los valores de Va, Vb y Vo están comprendidos entre ±Vcc
Circuitos con operacionales sin memoria
En estos circuitos la tensión de salida, depende únicamente del valor de las señales de existentes en la entrada en ese instante.
Siempre vamos a tener una realimentación salida-entrada negativa. En este caso, la tensión existente en la entrada negativa es la misma que la tensión existente en la entrada positiva. En el circuito de la figura.2 se muestra un circuito inversor
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figura nº.2 |
La tensión Vb = 0 ( la entrada positiva se encuentra a masa). La tensión Va es práticamente cero (tierra virtual). La corriente que circula por la resistencia R1 es i(t)=(vi(t)-Va )/R1= vi(t)/R1
La corriente i(t) no puede entrar en el operacional ya que la impedancia de entrada de cada puerta es muy elevada y por lo tanto va por la resistencia R2 ,es decir que la tensión de salida será:
Vo = Va - i(t)R2 = -[R2/R1]vi(t)
Vo= -[R2/R1]vi(t)
Esto es cierto sólamente mientras que el valor Vo no supere ±Vcc como se dijo anteriormente.
La ganancia (función de transferencia) es = [R2/R1]ejp
El circuito utilizado como amplificador no inversor es el mostrado en la figura nº 3
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figura nº3 |
Como las tensiones en las dos entradas han de ser iguales, por lo que Va = vi(t) y la corriente que circula por la resistencia R1 es i(t)= vi(t)/R1en la dirección de la masa. Como la corriente no puede salir de las entradas del amplicador operacional (impedancia infinita), la corriente circulará por la resistencia resistencia R2 ,es decir que la tensión de salida será:
Vo = vi(t) + i(t)R2 = vi(t) +[R2/R1]vi(t)= [(R1+R2)/R1]vi(t)
Vo =[(R1+R2)/R1]vi(t)
La ganancia (función de transferencia) es = [(R1+R2)/R1]
El circuito mostrada en la figura nº 4, es un circuito denominado sumador.
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figura nº 4 |
La tensión de entrada Vb es cero, por lo que la censión Va es también una masa virtual. Por cada resistencia pasará una corriente ii(t)=(vi(t)-Va )/Ri= vi(t)/Ri
Estas corrientes no podrán entrar por la entrada negativa del operacional (impedancia de entrada muy elevada) por lo que pasarán por Rs . La tensión de salida será
V0 = -[S[Ri / Rs] vi(t)].
Si las resistencia Ri son iguales tendremos
V0 = -[R / Rs][S vi(t)].
La corriente que circula por el circuito que une la salida del operacional con la entrada no inversora del mismo, es suministrada por la salida del propio operacional, que se comporta como una fuente ideal de tensión (resistencia de salida prácticamente nula).
Una de las aplicaciones más interesante es la mostrada en la figura nº 5 denominada "seguidor de emisor".
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figura nº 5 |
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La tensión de salida es la misma que la de la entrada y la corriente de entrada, prácticamente nula, por lo que puede ser asimilado como un generador ideal de tensión vi(t)
El circuito de la figura nº 6 funciona como amplificador diferencial.
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figura nº 6 |
La entrada V2(t) se aplica a un divisor resistivo formado por R3 en serie con R4 . La tensión Vb será:
Vb = [R4/(R3+ R4)]v2(t)
, que es la misma que la tensión Va ,por lo que la corriente que circula por R1 es R1i(t)= [v1(t)-va(t)]/R1, que pasará por la resistencia R2, dejando una tensión de salida
V0 =va(t) - [v1(t)-va(t)]R2/R1=[ (R1 + R2)/R1][R4/(R3+ R4)]v2(t) - R2/R1v1(t)
Para el caso de que R2=R4 y R1=R3 ,tendremos que
V0 = R2/R1[v2(t)- v1(t)]
Una fuente de corriente es un circuito que es capaz de suministrar a cualquier circuito, siempre la misma corriente, independientemente de cual sea la impedancia de entrada del circuito de carga.
El circuito de la figura nº 7 funciona como fuente de corriente
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figura nº 7 |
La corriente que circula por R1 es i = [v1-va]/R1. Esta corriente pasará por la resistencia R2 dejando una tensión en la salida del operacional de valor Vx= Va - [v1-va]R2/R1.
La corriente que circula por R3 es
i'= [R4 + ZL]/[R3R4 + R3ZL +R4ZL] Vx.
La tensión Vb es
Vb = Va =[R4ZL]/[R3R4 + R3ZL +R4ZL] [va - [v1-va]R2/R1]
Y la corriente que pasa por ZL es:
iZL= [R4]/[R3R4 + R3ZL +R4ZL][Va - [v1-va]R2/R1]
despejando el valor de Va y sustituyendo en esta última ecución tendremos que:
iZL[1 + ZL/R4- R2ZL/R1R3]= R2v1/R1R3
en el caso en el que 1/R4= R2/R1R3la corriente iZL no dependerá de la impedancia de carga ZL . En este caso tendremos
iZL= R2v1/R1R3
siempre que R1R3=R2R4
Circuitos con operacionales con memoria
En estos circuitos la tensión de salida, depende del valor de las señales de existentes en la entrada en ese instante y en instantes anteriores.
El circuito integrador es aquel que la señal de salida es la integral de la señal de la entrada. Un circuito integrador es el mostrado por en la figura nº 8
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figura nº 8 |
Como la tensión Va=Vb=0 tendremos que la corriente que circula por R1 es
i(t)= v1(t)/R1
Esta corriente pasará por el condensador C ya que no puede entrar en el operacional. La tensión de salida será :
V0=1/CR1 ò v1(t) dt
El circuito derivador es aquel que la señal de salida es la derivada de la señal de la entrada.
Un circuito derivador es el mostrado por en la figura nº 9
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figura nº 9 |
Como la tensión Va=Vb=0 tendremos que la corriente que circula por C es
i(t)=C dv1(t)/dt
Esta corriente pasará por la resistencia R1 ya que no puede entrar en el operacional. La tensión de salida será :
V0=CR1 dv1(t)/dt
Integradores diferenciales, no inversores y sumadores
Los esquemas están mostrados en las figuras nº 10, 11 y 12
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figura nº 10 |
figura nº 11 |
figura nº 12 |
En la figura nº 3.10 tenemos un circuito integrador diferencial.
Para señales peiódicas, el circuito es equivalente al mostrado en la figura nº 3. 6. La resitencia R4 se sustituye por el condensador, de impedancia Zc=1/jwC . La ganancia por lo tanto viene definida por
V0 = 1/jwCR[v2(t)- v1(t)]
Como la tensión de salida V0 depende de la frecuencia, también puede ser un circuito discriminador
Para el circuito de la figura nº 3.11 y para señales periódicas, tendremos la misma expresión que la anterior pero con la tensión v1(t) = 0, por lo que nos quedará:
V0 = 1/jwCRv2(t)
que corresponde a un amplificador no inversor.
El circuito de la figura nº 3.12, corresponde a un integrador de la suma de varias señales. Si tuviéramos una sola entrada tendríamos:
V0=1/CR ò v1(t) dt
Si sustituimos la entrada v1(t) por S vi(t) tendremos:
V0= S[1/CRi ò vi(t) dt]
Filtros activos de primer orden
Vamos a analizar dos circuitos. El primero corresponderá a un filtro paso bajo, corresponde a la figura nº 13, y el segundo corresponderá a un filtro paso alto, el de la figura nº 14.
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figura nº 13 |
figura nº 14 |
OBJETIVOS
Determinar los parámetros más
importantes de un amplificador operacional.
Realizar operaciones básicas con
un amplificador operacional.
Diseñar circuitos comparadores y
rectificadores con amplificadores operacionales.
PARÁMETROS DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
PROCEDIMIENTO
1.Monte el siguiente circuito:
Obtener : IB-
Nota: Mida el voltaje de la forma en que se presenta en la imagen. Por medio de la ley de Ohm obtenga IB- .
Voltaje obtenido:
VA = 18.5 mV
Por ley de Ohm:
IB- = VA / R1 = 18.5 mV / 100KΩ = 185 nA
2. Obtenga IB+
Voltaje obtenido:
VA = 5.5 mV
Por ley de Ohm:
Req = R1 // R2
IB+ = VB / Req = 5.5 mV / 1KΩ = 61.11 nA
3. Mida la impedancia de entrada del siguiente circuito:
Nota: Mueva el potenciómetro hasta obtener una señal en el osciloscopio que sea de 0.5 Vpp. Cuando esto ocurra retire el potenciómetro y mida la impedancia que hay en ese punto.
La impedancia medida fue de 1.1 M Ω
4. Monte el siguiente circuito:
Obtenga los siguientes resultados:
Gd = R4 / R3 = R2 / R1 = 1
Nota: Vecm es el voltaje de entrada y Vsem es el voltaje de salida.
Gcm = Vsem / Vecm = 1.957 mV / 10 mV = 0.1957V
CMRR(dB) = 20 log Gd / Gcm = 14.1681
Cuestionario
1.- ¿Cuántas fuentes de polarización se requieren para un AO y con que características?
R.- Se requieren 2 fuentes de CD simétricas, es decir, con la misma magnitud pero inversa polaridad.
2.- ¿Por qué se le llama Amplificador Operacional?
R.- Porque en un principio se utilizaban estos amplificadores para realizar operaciones matemáticas.
3.- ¿Cuáles son los parámetros de un AO ideal?
R.-Resistencia de entrada: Infinita
Resistencia de Salida: cero
Ganancia de voltaje en malla abierta: Infinita.
4.- ¿Cuáles son los parámetros reales de un AO?
R.- Resistencia de entrada: del orden de 1MΩ
Resistencia de salida: del orden de 100Ω o menos
Ganancia de Voltaje en malla abierta: Típicamente de 105 a bajas frecuencias.
5.- Realmente el voltaje de salida no es infinito, ¿Por qué existe esta delimitante?
R.- Por los valores positivo y negativo de las fuentes de potencia.
6.- ¿Con qué parámetro varía la ganancia de voltaje?
R.- Con la frecuencia.
7.- ¿Cuál es la configuración más usada en los AO?
R.- Malla cerrada con retroalimentación.
8.- ¿Cuáles son las operaciones mas usuales que se efectúan con AO’s?
R.- Sumar, restar, integrar, filtrar, comparar y amplificar.
9.- ¿cuáles son las 2 propiedades importantes del AO ideal?
R.- El voltaje entre V+ y V- es cero o V+ = V-.
La corriente tanto en la terminal V+ como en la V- es cero.
10.- Mencione otras aplicaciones del AO.
R.- Circuito de Impedancia Negativa, Generador de Corriente Dependiente, Convertidor Corriente-Voltaje, Amplificador Inversor con Impedancias, Integrador Millar no Inversor.
OPERACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
PROCEDIMIENTO
1. Amplificador operacional inversor
Monte el siguiente circuito:
Obtenga la señal de entrada, salida y su ganancia.
Señal de entrada 
Salida 
Av = 5
Nota: La señal sale desfasada 180° ya que se esta usando en modo inversor.
2. Amplificador no inversor
Monte el siguiente circuito:
Obtenga la señal de entrada, salida y su ganancia.
Señal de entrada
Salida 
Av = 5
Nota: La señal no se desfasa como en el modo inversor.
3. Amplificador seguidor
Monte el siguiente circuito:
Obtenga la señal de salida y anote sus observaciones.
Observaciones. En esta configuración la Av es de 1, por lo tanto la señal no sufre ningún cambio.
4. Amplificador diferencial o sustractor analógico
Monte el siguiente circuito:
Obtenga las señales de entrada y salida. Anote sus observaciones
Señales de entrada
Señal de salida
Observaciones. Esta configuración resta las dos señales de entrada, es por eso que el resultado de esta operación es lo que se ve como señal de salida.
5. Amplificador sumador
Monte el siguiente circuito:
Obtenga las señales de entrada y salida. Anote sus observaciones
Señales de entrada
Señal de salida
Observaciones. Esta configuración suma las dos señales de entrada, es por eso que el resultado de esta operación es lo que se ve como señal de salida.
6. Amplificador integrador
Monte el siguiente circuito:
Nota: La señal de entrada es cuadrada.
Obtener señal de entrada y salida.
Señal de entrada
Señal de salida
Observaciones. El resultado de integrar una señal cuadrada es una señal triangular.
7. Amplificador diferenciador.
Monte el siguiente circuito:
Nota: La señal de entrada es triangular
Obtener señal de entrada y salida.
Señal de entrada
Señal de salida
Observaciones. Aquí se hace la operación inversa a la que se hizo en el ejercicio anterior (integración), por eso es que da como resultado una señal cuadrada .
Cuestionario
1.- ¿Cuál es el amplificador de ganancia constante mas utilizado y porque?
R.- El Amplificador Inversor, por su estabilidad a la frecuencia
2.- Del amplificador anterior, ¿Cómo se obtiene la salida y que la determina?
R.- La salida se obtiene multiplicando la entrada por una ganancia fija y lla determina la resistencia de retroalimentación entre la de entrada.
3.- ¿Qué otro nombre recibe el Amplificador No Inversor?
R.- Amplificador Multiplicador de Ganancia Constante.
4.- Del circuito anterior, ¿Cómo se obtiene la ganancia de Voltaje?
R.- Sumando las resistencias de retroalimentación mas la de entrada entre la de entrada.
5.- ¿Qué le da el nombre al Amplificador Seguidor Unitario?
R.- Que su ganancia es unitaria sin inversión de fase o polaridad y por su circuito equivalente funciona como un circuito emisor seguidor pero con ganancia exactamente unitaria.
6.- ¿Cuál es la función de un circuito Amplificador Sumador?
R.- Sumar Algebraicamente voltajes aplicados a una de sus entradas multiplicándolos por un factor de ganancia constante.
7.- ¿Qué diferencia en los componentes tiene el Integrador con respecto a los demás circuitos?
R.- Que se usa un condensador en lugar de un elemento resistivo.
8.- ¿Por qué R2 debe ser aproximadamente 10 veces mayor que R1?
R.- Porque el producto de R2C debe ser mucho mayor que el periodo de la señal a integrarse.
9.- ¿Por qué R2 Debe ser aproximadamente igual a 50Ω en un diferenciador?
R.- Para disminuir la ganancia de alta frecuencia, porque los diferenciadores son muy susceptibles al ruido de altas frecuencias.
COMPARADORES
PROCEDIMIENTO
Monte el siguiente circuito:
Obtener la señal de salida en el modo x-y. Variar el voltaje de referencia (vcd) y observar como se desplaza la gráfica.
2. Comparador de cruce variable
Monte el siguiente circuito:
Obtener la señal de salida en el modo x-y. Variar el voltaje de referencia (vcd) y observar como se desplaza la gráfica.
Montar el siguiente circuito:
Obtener la señal de salida en el modo x-y. Variar el voltaje de referencia (vcd) y observar como se desplaza la gráfica.
3. Comparador limitador balanceado
Monte el siguiente circuito:
Obtener la señal de salida en el modo x-y. Variar el voltaje de referencia (vcd) y observar como se desplaza la gráfica.
Montar el siguiente circuito:
Obtener la señal de salida en el modo x-y. Variar el voltaje de referencia (vcd) y observar como se desplaza la gráfica.
Cuestionario
1.- ¿Cuál es la función principal de un comparador?
R.- Comparar 2 voltajes y determinar cual es el más grande.
2.- Mencione una de sus aplicaciones.
R.- En un Termostato Electrónico donde la temperatura se convierte en un voltaje.
3.- Mencione los Comparadores más Utilizados.
R.- Comparador con saturación, Comparador de Cruce Variable, Comparador Limitador
4.- ¿Cuál es el tiempo de respuesta del OPAM utilizado en laboratorio?
R.- 40µs
5.- ¿Qué características tiene un comparador por saturación?
R.- Utiliza el OPAM en lazo abierto porque depende de la alta ganancia para llevar el OPAM a saturación.
6.- ¿Cuál es la característica principal de un comparador limitador?
R.- Su elemento de retroalimentación es un diodo, cuando el diodo está en circuito abierto, la falta de retroalimentación provoca que el amplificador operacional opere en el modo de lazo abierto y se satura para voltajes de entrada negativos.
7.- ¿Cuándo se dice que un comparador limitador no está balanceado?
R.- Cuando las características de transferencia de permutación no son simétricas.
8.- ¿Cuál es la característica principal del comparador “Disparador Schmitt”?
R.- Usa la retroalimentación positiva para acelerar el ciclo de conmutación.
RECTIFICADORES
PROCEDIMIENTO
1. Rectificador inversor de media onda
Monte el siguiente circuito:
Obtenga la señal de salida.
Nota: Si se cambia la polarización de los diodos se obtendrá el semiciclo negativo en la salida (como se muestra a continuación).
2. Rectificador de onda completa.
Monte el siguiente circuito:
Obtener la señal de salida.
Nota: Para hacer que el los dos semiciclos tengan la misma amplitud modificar la resistencia de retroalimentación del primer amplificador.
Rediseñando
Cuestionario
1.- ¿Cómo operan los rectificadores?
R- Operan sobre una señal de enrada de una manera que depende del signo del voltaje de entrada instantáneo.
2.- ¿Para que son diseñados los rectificadores?
R.- Para rebanar la parte negativa o positiva de la señal, o para producir una salida que es el valor absoluto matemático de la entrada.
3.- ¿Cuáles son las configuraciones básicas de los rectificadores de media onda?
R.- Salida positiva Básica invertida, invertida con ganancia, invertida y sumada, Salida Negativa Básica invertida.
4.- ¿Qué se hace para desplazar la señal rectificada?
R.- Añadiendo un voltaje de referencia al voltaje de entrada del circuito rectificador.
5.- ¿Cuántos tipos de corrimiento existen?
R.- De nivel y de eje.
6.- ¿Qué es un rectificador de onda completa?
R.- Es aquel que produce un salida que es el valor absoluto o magnitud de la forma de onda de la señal de entrada.
7.- ¿Cuál es el método mas fácil para hacer un rectificador de onda completa?
R.- Usar dos rectificadores de media onda y sumar las salidas con las polaridades apropiadas.
8.- ¿Cómo se logra un corrimiento de nivel en un rectificador de onda completa?
R.- Añadiendo un voltaje de referencia a una terminal de los voltajes de entrada del sumador.
CONCLUSIONES
Este es uno de los módulos de prácticas más importantes que hemos realizado hasta el momento (sin menospreciar a los demás) ya que el estudio de los amplificadores operacionales es una de las bases de la electrónica moderna. En el departamental anterior ya habíamos tenido la oportunidad de estudiar este tema, pero hasta ahora tuvimos la oportunidad de trabajar experimentalmente con ellos lo cual nos arrojo los siguientes resultados:
· Se determino los parámetros más importantes de un amplificador operacional, como lo es la impedancia, la ganancia en modo común y la corriente de base.
· Con un amplificador operacional se pueden realizar operaciones básicas como lo son: la suma, la sustracción, la integración y la diferenciación.
· Se realizo circuitos rectificadores de media y onda completa por medio de amplificadores operacionales.
· Se diseñaron circuitos comparadores de nivel por medio de amplificadores operacionales.
Sin duda alguna este ha sido uno de los temas de mayor importancia que hemos visto hasta el momento, ya que la utilización de amplificadores operacionales en el diseño de circuitos es cada vez mayor, por lo que el buen estudio de este tema nos servirá de gran ayuda en el estudio de la electrónica.
