Amplificador operacional Circuitos lineales.

El amplificador operacional es un circuito integrado de alta ganancia en lazo abierto. Esta gran ganancia se controla mediante una red de realimentación, lo cual hace útil para aplicaciones de amplificación lineal. El nombre de operacional le viene porque con él se pueden realizar operaciones matemáticas tales como la suma, resta, multiplicación, división, derivación, etc., y debido a esto se utilizó mucho en las calculadoras analógicas.

En la actualidad se utilizan en circuitos de control, filtros, amplificadores, rectificación, generadores de señal, comparadores, etc., etc.

amplificador operacional básico.

En la siguiente figura puedes ver el simbolo del operacional básico.

amplificador operacional básico

Se pueden apreciar en el integrado, la entrada inversora(-), la entrada no inversora (+) y la salida. Las tensiones que se aplican al integrado básico son la tensión negativa (aplicada a la entrada inversora) y la tensión positiva (aplicada a la entrada no inversora).

La ganancia del amplificador se calcula mediante la fórmula:

Vo = -Av x Vi = -Av x [V(-)-V(+)]

O lo que es lo mismo, la tensión de salida viene dada por el producto de la ganancia de la entrada inversora y la diferencia de tensión entre la entrada inversora y la entrada no inversora.

El amplificador operacional tiene una serie de características que lo definen:

Resistencia de entrada Ri > 1MΩ
Esto se debe a que la entrada del operacional se conforma de un amplificador diferencial, el cual determina las características de entrada del operacional.

diagrama de bloques de un amplificador operacional

Resistencia de salida > 100Ω
Generalmente la mayoría de los amplificadores operacionales tienen una salida en clase B en contrafase. Esta configuración produce una baja impedancia de salida y una baja tensión a la salida del operacional, tensión que se compensa con una gran corriente de salida.

Ganancia de tensión Av = 103 a 106

Ancho de banda ABv = 1MHz.

Aunque estos valores se ajustan a los integrados operacionales, para el estudio tomaremos valores ideales, es decir como si la resistencia interna de entrada fuese infinito (Ri = ∞); la resistencia de salida fuese cero (Ro = 0); la ganancia de tensión es en lazo abierto (Av = ∞); y el ancho de banda es también infinito (AB = ∞).

Funcionamiento básico.

En la siguiente figura representamos un circuito de aplicación del amplificador LM386 que nos ayuda a describir el funcionamiento de éste.

circuito básico de amplificador operacional

Observa como R2 alimenta directamente la salida a la entrada inversora y R1 se conecta en serie con la entrada. Si aplicamos a la entrada una tensión Ve se establecerán corrientes I1 e I2 y las tensiones Vi y Vo, de tal forma que se pueden escribir las ecuaciones:

I1 = Ve - Vi ÷ R1
I2 = Vi - Vo ÷ R2

La tensión de salida Vo y la entrada de operacional Vi, están relacionadas por la ganancia del mismo que, de momento, considero infinita:

Vo = -Av x Vi

Por otro lado, por ser infinita la corriente del operacional, no se derivará ninguna corriente en la rama de realimentación hacia la entrada del operacional por lo que se considera que I1 = I2. Combinando las ecuaciones nos queda que:

ganancia de tensión en operacional

Y si introducimos la condición de que la ganancia tiende a infinito la expresión quedará de la forma:

Vo = -Vi x R1 ÷ R2

Que se puede traducir en:

Av = -R2 ÷ R1

Y aquí ves lo bueno de un amplificador operacional, ya que la ganancia depende directamente de la resistencia de salida respecto a la resistencia de entrada. Y la ganancia será muy estable y fácilmente controlable.

Si consideramos la ganancia infinita y la Vo finita, en el punto A habrá una tensión cero y se comportara como si estuviese conectado a masa aunque por él no circule corriente hacia masa. Este fenómeno se conoce como masa virtual. Si consideramos la impedancia de entrada como la relación entre Ve/I1 podemos decir que Ze = R1. Al circuito entonces se le dice amplificador inversor por tener una ganancia negativa y es una de las configuraciones básicas del operacional.

Circuitos lineales con operacionales.

Los circuitos lineales son aquellos en los que la señal de salida conserva la misma forma que la de entrada, es decir, el operacional no llegará a saturarse, para lo cual es necesario que el operacional esté realimentado negativamente.

Amplificador no inversor.
En la figura siguiente puedes ver cómo en este caso la entrada se realiza por la entrada no inversora y la existencia de una realimentación negativa hacia la entrada inversora.

Ampllificador no inversor

Haciendo uso del principio de masa virtual podemos decir que la tensión en el punto B será la misma que en el punto A o sea, Ve. Luego:

amplificador no inversor. Fórmulas.

Puedes ver otra vez como la amplificación depende de las resistencias exteriores, siendo en este caso una amplificación positiva, es decir la señal de salida está en fase con la entrada. La impedancia de entrada es infinita puesto que la señal de entrada se aplica directamente a la entrada no inversora del operacional y, como la corriente por ella es cero, la impedancia es igual a ∞.

Así por ejemplo, si tuviesemos una señal de entrada de 0,1V eficaz, en el circuito anterior tendríamos una ganancia de:

Av = R1 + R2 ÷ R1 = 11KΩ ÷ 1KΩ = 11
Vo = Ve x Av = 0,1 x 11 = 1,1V

Por lo que la ganancia de tensión ha sido considerable.

Seguidor de tensión.
El seguidor de tensión es un caso particular de amplificador no inversor, en el cual R1 valdrá infinito y R2 cero, con lo cual Av valdrá 1. Por lo tanto este circuito es un circuito adaptador de impedancias debido a la característica del operacional de modo que Ze=∞ y Zs=0.

seguidor de tensión

Sumador.
El siguiente circuito permite la suma analógica de varias señales sin que exista interacción entre ellas debido a la existencia de la masa virtual a la entrada del operacional.

Amplificador sumador

Como tiene una masa virtual (entrada no inversora conectada directamente a masa), la salida respecto a la entrada está invertida. Y como cada entrada tiene una resistencia diferente, la salida será una suma ponderada de las tensiones de entrada. Por eso este tipo de amplificador operacional se dice sumador ponderado.

Los valores de corriente por cada entrada serán:

I1=V1÷ R1; I2=V2÷ R2; I3=V3÷ R3;...; IN=VN÷ RN;

De ahí:

Vo = -(I1 + I2 + I3 + .... + IN) x R2

Ejemplo: Supón un sumador de cuatro entradas como el del circuito anterior. Si las tensiones aplicadas a cada entrada son 100mV, 200mV, 300mv y 50mv respectivamente (niveles de continua), ¿Cual es la tensión de salida?

Vo = -(R2÷R1xV1 + R2÷R2x V2 + R2÷R3x V3+ R2÷R4x V4)

Vo = 10KΩ ÷ 1KΩ x 0,1V + 10KΩ ÷ 2,2KΩ x 0,2V + 10KΩ ÷ 4,7KΩ x 0,3V + 10KΩ ÷ 6,8KΩ x 0,05V =

1 + 0,90 + 0,6383 + 0,0735 =2,611V

Como puedes imaginar, los amplificadores operacionales en modo sumador se utilizan para realizar mezcla de señales (mezcladores).

Amplificador diferencial.
El amplificador diferencial de la figura siguiente es un amplificador en el cual la señal a amplificar es la diferencia entre las dos entradas.

amplificador diferencial

Se suele utilizar en transductores o captadores que proporcionan mucho nivel de ruido que, aplicado a las entradas en comun, no se amplificará por lo que no aparecerá a la salida.

fórmulas del amplificador diferencial

Por lo que queda demostrado que solo se amplifica la diferencia de potencial entre ambas señales de entrada o la parte de señal que haya diferencia entre V2 y V1, no apareciendo nada de lo común que exista entre V2 y V1.

Por ejemplo, calcula la tensión amplificada en el circuito anterior si V1=2V y V2= 2,5V.

Vo = 10KΩ ÷ 1KΩ x (2,5V - 2V) = 5V

En el siguiente capítulo seguiremos con los amplificadores operacionales y veremos los circuitos no lineales.

Gracias por estudiar en mirpas.com y espero volver a verte en siguientes cursos.