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Amplificador operacional diferencial


El amplificador diferencial amplifica la diferencia de voltaje presente en sus entradas inversoras y no inversoras.


Hasta el momento, solo hemos utilizado una de las entradas de amplificadores operacionales para conectarnos al amplificador, utilizando el terminal de entrada "inversor" o "no inversor" para amplificar una única señal de entrada con la otra entrada conectada a tierra.
Pero como un amplificador operacional estándar tiene dos entradas, inversión y no inversión, también podemos conectar señales a ambas entradas al mismo tiempo, produciendo otro tipo común de circuito amplificador operacional llamado Amplificador Diferencial .
Básicamente, como vimos en el primer tutorial sobre amplificadores operacionales, todos los amplificadores operacionales son “Amplificadores diferenciales” debido a su configuración de entrada. Pero al conectar una señal de voltaje en un terminal de entrada y otra señal de voltaje en el otro terminal de entrada, el voltaje de salida resultante será proporcional a la "Diferencia" entre las dos señales de voltaje de entrada de V 1 y V 2 .
Luego, los amplificadores diferenciales amplifican la diferencia entre dos voltajes que hacen de este tipo de circuito amplificador operacional un Subtractor, a diferencia de un amplificador sumador que suma o suma los voltajes de entrada. Este tipo de circuito amplificador operacional se conoce comúnmente como una configuración de amplificador diferencial y se muestra a continuación:

Amplificador diferencial

circuito amplificador diferencial
Al conectar cada entrada, a su vez, a tierra de 0v, podemos usar la superposición para resolver el voltaje de salida Vout . Entonces, la función de transferencia para un circuito de amplificador diferencial se da como:
función de transferencia del amplificador diferencial
Cuando las resistencias, R1 = R2 y R3 = R4, la función de transferencia anterior para el amplificador diferencial se puede simplificar a la siguiente expresión:

Ecuación de amplificador diferencial

ecuación de amplificador diferencial
Si todas las resistencias son todas del mismo valor óhmico, es decir: R1 = R2 = R3 = R4,entonces el circuito se convertirá en un Amplificador diferencial de ganancia de unidady la ganancia de voltaje del amplificador será exactamente una o unidad. Entonces, la expresión de salida sería simplemente Vout = V 2  - V 1 .
También tenga en cuenta que si la entrada V1 es más alta que la entrada V2, la suma de voltaje de salida será negativa, y si V2 es más alta que V1 , la suma de voltaje de salida será positiva.
El circuito del amplificador diferencial es un circuito de amplificador operacional muy útil y al agregar más resistencias en paralelo con las resistencias de entrada R1  y  R3 , el circuito resultante se puede hacer para “Agregar” o “Restar” los voltajes aplicados a sus respectivas entradas. Una de las maneras más comunes de hacer esto es conectar un "Puente Resistivo" comúnmente llamado Puente de Wheatstone a la entrada del amplificador como se muestra a continuación.

Amplificador diferencial de puente de Wheatstone

amplificador diferencial de puente de wheatstone
El circuito estándar del amplificador diferencial ahora se convierte en un comparador de voltaje diferencial al "comparar" un voltaje de entrada con el otro. Por ejemplo, al conectar una entrada a una referencia de voltaje fijo configurada en un tramo de la red de puente resistivo y la otra a un "Termistor" o un "Resistencia que depende de la luz", el circuito del amplificador se puede usar para detectar bajo o alto los niveles de temperatura o luz a medida que la tensión de salida se convierte en una función lineal de los cambios en el tramo activo del puente resistivo y esto se demuestra a continuación.

Amplificador diferencial de luz activada

amplificador diferencial de luz activada
Aquí, el circuito anterior actúa como un interruptor activado por luz que pone el relé de salida en "ON" u "OFF" cuando el nivel de luz detectado por la resistencia LDR excede o cae por debajo de algún valor preestablecido. Se aplica una referencia de voltaje fijo al terminal de entrada no inversor del amplificador operacional a través de la red divisora ​​de voltaje R1 - R2 .
El valor de voltaje en V 1 establece el punto de disparo de los amplificadores operacionales con un potenciómetro de realimentación, VR2 utilizado para configurar la histéresis de conmutación. Esa es la diferencia entre el nivel de luz para "ON" y el nivel de luz para "OFF".
La segunda pata del amplificador diferencial consiste en una resistencia estándar dependiente de la luz, también conocida como LDR, sensor fotorresistivo que cambia su valor resistivo (de ahí su nombre) con la cantidad de luz en su celda, ya que su valor resistivo es una función de la iluminación. .
El LDR puede ser cualquier tipo de célula fotoconductora de sulfuro de cadmio (cdS), como el NORP12 común, que tiene un rango de resistencia de aproximadamente 500Ω en la luz solar a aproximadamente 20kΩ o más en la oscuridad.
La célula fotoconductora NORP12 tiene una respuesta espectral similar a la del ojo humano, lo que la hace ideal para su uso en aplicaciones de control de iluminación. La resistencia de la fotocélula es proporcional al nivel de luz y disminuye al aumentar la intensidad de la luz, por lo tanto, el nivel de voltaje en V2 también cambiará por encima o por debajo del punto de conmutación que puede determinarse por la posición de VR1 .
Luego, al ajustar el disparo del nivel de luz o la posición de ajuste con el potenciómetro VR1 y la histéresis de conmutación con el potenciómetro, VR2 se puede hacer un interruptor de precisión sensible a la luz. Dependiendo de la aplicación, la salida del amplificador operacional puede cambiar la carga directamente, o usar un interruptor de transistor para controlar un relé o las lámparas mismas.
También es posible detectar la temperatura utilizando este tipo de configuración de circuito simple reemplazando la resistencia dependiente de la luz con un termistor. Al intercambiar las posiciones de VR1 y LDR , el circuito se puede usar para detectar luz u oscuridad, o calor o frío usando un termistor.
Una limitación importante de este tipo de diseño de amplificador es que sus impedancias de entrada son menores en comparación con otras configuraciones de amplificadores operacionales, por ejemplo, un amplificador que no invierte (entrada de un solo extremo).
Cada fuente de voltaje de entrada tiene que conducir la corriente a través de una resistencia de entrada, que tiene una impedancia general menor que la de la sola entrada de amplificadores operacionales. Esto puede ser bueno para una fuente de baja impedancia, como el circuito puente anterior, pero no tan bueno para una fuente de alta impedancia.
Una forma de superar este problema es agregar un amplificador de búfer de ganancia de Unity como el seguidor de voltaje que se vio en el tutorial anterior a cada resistencia de entrada. Esto nos proporciona un circuito amplificador diferencial con una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja, ya que consta de dos búferes no inversores y un amplificador diferencial. Esto forma la base para la mayoría de los "Amplificadores de instrumentación".

Amplificador instrumental

Los amplificadores de instrumentación (en amperios) son amplificadores diferenciales de muy alta ganancia que tienen una alta impedancia de entrada y una salida de terminación única. Los amplificadores de instrumentación se utilizan principalmente para amplificar señales diferenciales muy pequeñas de medidores de tensión, termopares o dispositivos de detección de corriente en sistemas de control de motores.
A diferencia de los amplificadores operacionales estándar en los que su ganancia de bucle cerrado está determinada por una retroalimentación resistiva externa conectada entre su terminal de salida y un terminal de entrada, ya sea positiva o negativa, los "amplificadores de instrumentación" tienen una resistencia de retroalimentación interna que está efectivamente aislada de sus terminales de entrada como la señal de entrada se aplica a través de dos entradas diferenciales, V1 y V2 .
El amplificador de instrumentación también tiene una muy buena relación de rechazo de modo común, CMRR (salida cero cuando V 1  =  V 2 ) muy por encima de 100dB a CC. A continuación se muestra un ejemplo típico de un amplificador de instrumentación de tres amplificadores operacionales con una alta impedancia de entrada (  Zin  ):

Amplificador de instrumentación de alta impedancia de entrada

amplificador instrumental
Los dos amplificadores no inversores forman una etapa de entrada diferencial que actúa como amplificadores de búfer con una ganancia de 1 + 2R2 / R1 para señales de entrada diferencial y ganancia unitaria para señales de entrada de modo común. Dado que los amplificadores A1 y A2 son amplificadores de retroalimentación negativa de circuito cerrado, podemos esperar que la tensión en Va sea ​​igual a la tensión de entrada V1 . Del mismo modo, la tensión en Vb es igual al valor en V2 .
Como los amplificadores operacionales no toman corriente en sus terminales de entrada (tierra virtual), la misma corriente debe fluir a través de la red de tres resistencias de R2 , R1 y R2 conectadas a través de las salidas del amplificador operacional. Esto significa que la tensión en el extremo superior de R1 será igual a V1 y la tensión en el extremo inferior de R1 será igual a V2 .
Esto produce una caída de voltaje en la resistencia R1 que es igual a la diferencia de voltaje entre las entradas V1 y V2 , el voltaje de entrada diferencial, porque el voltaje en la unión sumadora de cada amplificador, Va y Vb es igual al voltaje aplicado a sus entradas positivas .
Sin embargo, si se aplica un voltaje de modo común a las entradas de los amplificadores, los voltajes en cada lado de R1 serán iguales y no fluirá corriente a través de esta resistencia. Dado que no fluye corriente a través de R1 (ni, por lo tanto, a través de ambas resistencias R2 , los amplificadores A1 y A2 funcionarán como seguidores de ganancia unitaria (búferes). Dado que el voltaje de entrada en las salidas de los amplificadores A1 y A2 aparece de manera diferente en la red de tres resistencias , la ganancia diferencial del circuito se puede variar simplemente cambiando el valor de R1 .
La salida de voltaje del op-amp A3 diferencial que actúa como un sustractor, es simplemente la diferencia entre sus dos entradas (  V2 - V1  ) y que se amplifica por la ganancia de A3 que puede ser una unidad, (suponiendo que R3 = R4 ). Luego tenemos una expresión general para la ganancia de voltaje general del circuito del amplificador de instrumentación como:

Ecuación del amplificador de instrumentación

ecuación del amplificador de instrumentación
En el siguiente tutorial sobre amplificadores operacionales, examinaremos el efecto del voltaje de salida, Vout , cuando la resistencia de retroalimentación se reemplaza con una reactancia dependiente de la frecuencia en forma de una capacitancia. La adición de esta capacitancia de realimentación produce un circuito amplificador operacional no lineal llamado amplificador integrador.
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