Amplificadores Operacionales , o amplificadores operacionales , ya que son más comúnmente llamados, son uno de los bloques de construcción básicos de Circuitos electrónicos analógicos.
Los amplificadores operacionales son dispositivos lineales que tienen todas las propiedades requeridas para una amplificación de CC casi ideal y, por lo tanto, se usan ampliamente en el acondicionamiento de señales, el filtrado o para realizar operaciones matemáticas como sumar, restar, integración y diferenciación.
Un amplificador operacional , o amplificador operacional para abreviar, es fundamentalmente un dispositivo amplificador de voltaje diseñado para ser utilizado con componentes de retroalimentación externos, como resistencias y condensadores, entre sus terminales de salida y entrada. Estos componentes de realimentación determinan la función o "operación" resultante del amplificador y, en virtud de las diferentes configuraciones de realimentación, ya sean resistivas, capacitivas o ambas, el amplificador puede realizar una variedad de diferentes operaciones, dando lugar a su nombre de "Amplificador operacional".
Un amplificador operacional es básicamente un dispositivo de tres terminales que consta de dos entradas de alta impedancia. Una de las entradas se denomina Entrada de inversión , marcada con un signo negativo o "menos", ( - ). La otra entrada se denomina Entrada no inversora , marcada con un signo positivo o "más" ( + ).
Un tercer terminal representa el puerto de salida de los amplificadores operacionales, que puede hundir y generar una tensión o una corriente. En un amplificador operacional lineal, la señal de salida es el factor de amplificación, conocido como la ganancia ( A ) de los amplificadores multiplicada por el valor de la señal de entrada y dependiendo de la naturaleza de estas señales de entrada y salida, puede haber cuatro clasificaciones diferentes de operacionales ganancia del amplificador.
- Voltaje - Voltaje "in" y Voltaje "out"
- Corriente - Corriente "in" y Corriente "out"
- Transconductancia - Voltaje “in” y “out” actual
- Transresistencia - Corriente "in" y voltaje "out"
Dado que la mayoría de los circuitos que tratan con amplificadores operacionales son amplificadores de voltaje, limitaremos los tutoriales en esta sección solo a amplificadores de voltaje, (Vin y Vout).
La señal de voltaje de salida de un amplificador operacional es la diferencia entre las señales que se aplican a sus dos entradas individuales. En otras palabras, una señal de salida de amplificadores operacionales es la diferencia entre las dos señales de entrada, ya que la etapa de entrada de un Amplificador operacional es, de hecho, un amplificador diferencial, como se muestra a continuación.
Amplificador diferencial
El circuito a continuación muestra una forma generalizada de un amplificador diferencial con dos entradas marcadas V1 y V2 . Los dos transistores idénticos TR1 y TR2 están polarizados en el mismo punto de operación con sus emisores conectados entre sí y devueltos al riel común, -Vee a través de la resistencia Re .
Amplificador diferencial
El circuito opera desde una fuente de alimentación doble + Vcc y -Vee que garantiza una alimentación constante. El voltaje que aparece en la salida, Vout del amplificador, es la diferencia entre las dos señales de entrada, ya que las dos entradas base están en desfase entre sí.
Así que a medida que aumenta la polarización directa del transistor, TR1 , se reduce la polarización directa del transistor TR2 y viceversa. Luego, si los dos transistores se combinan perfectamente, la corriente que fluye a través de la resistencia del emisor común, Re permanecerá constante.
Al igual que la señal de entrada, la señal de salida también está balanceada y dado que los voltajes del colector oscilan en direcciones opuestas (antifase) o en la misma dirección (en fase), la señal de voltaje de salida, tomada de entre los dos colectores es, asumiendo que Un circuito perfectamente equilibrado, la diferencia de cero entre los dos voltajes del colector.
Esto se conoce como el Modo Común de Operación con la ganancia de modo común del amplificador siendo la ganancia de salida cuando la entrada es cero.
Los amplificadores operacionales también tienen una salida (aunque existen con una salida diferencial adicional) de baja impedancia que se refiere a un terminal de tierra común y debería ignorar cualquier señal de modo común, es decir, si se aplica una señal idéntica tanto a la inversión como a la Las entradas que no se invierten no deberían cambiar la salida.
Sin embargo, en los amplificadores reales siempre hay alguna variación y la relación del cambio a la tensión de salida con respecto al cambio en la tensión de entrada del modo común se denomina Relación de rechazo del modo común o CMRR para abreviar.
Los amplificadores operacionales en sí mismos tienen una ganancia de CC en bucle abierto muy alta y al aplicar alguna forma de retroalimentación negativa podemos producir un circuito amplificador operacional que tiene una característica de ganancia muy precisa que depende solo de la retroalimentación utilizada. Tenga en cuenta que el término "bucle abierto" significa que no hay componentes de realimentación utilizados alrededor del amplificador, por lo que la ruta o el bucle de retroalimentación está abierto.
Un amplificador operacional solo responde a la diferencia entre los voltajes en sus dos terminales de entrada, conocidos comúnmente como " Voltaje de entrada diferencial " y no a su potencial común. Luego, si se aplica el mismo potencial de voltaje a ambos terminales, la salida resultante será cero. Una ganancia de Amplificadores Operacionales se conoce comúnmente como Ganancia Diferencial de Bucle Abierto , y recibe el símbolo ( A o ).
Circuito equivalente de un amplificador operacional ideal
Op-amp Parámetro y Característica Idealizada
Ganancia de bucle abierto, (Avo)
- Infinito : la función principal de un amplificador operacional es amplificar la señal de entrada y cuanta más ganancia de lazo abierto tenga, mejor. La ganancia de bucle abierto es la ganancia del amplificador operacional sin retroalimentación positiva o negativa y, para tal amplificador, la ganancia será infinita, pero los valores reales típicos oscilan entre 20,000 y 200,000.
Impedancia de entrada, (Z IN )
- Infinito : la impedancia de entrada es la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada y se supone que es infinita para evitar que la corriente fluya desde la fuente a los circuitos de entrada de los amplificadores ( I IN = 0 ). Los op-amperios reales tienen corrientes de fuga de entrada desde unos pocos pico-amperios hasta unos pocos mili-amperios.
Impedancia de salida, (Z OUT )
- Cero : se supone que la impedancia de salida del amplificador operacional ideal es cero y actúa como una fuente de tensión interna perfecta sin resistencia interna, de modo que pueda suministrar tanta corriente como sea necesaria a la carga. Esta resistencia interna está efectivamente en serie con la carga, lo que reduce la tensión de salida disponible para la carga. Los op-amperios reales tienen impedancias de salida en el rango de 100-20k.
Ancho de banda, (BW)
- Infinito : un amplificador operacional ideal tiene una respuesta de frecuencia infinita y puede amplificar cualquier señal de frecuencia de CC a las frecuencias de CA más altas, por lo que se supone que tiene un ancho de banda infinito. Con los amplificadores operacionales reales, el ancho de banda está limitado por el producto Gain-Bandwidth (GB), que es igual a la frecuencia en la que la ganancia de los amplificadores se convierte en unidad.
Voltaje compensado, (V IO )
- Cero : la salida del amplificador será cero cuando la diferencia de voltaje entre las entradas inversora y no inversora sea cero, igual o cuando ambas entradas estén conectadas a tierra. Los op-amperios reales tienen cierta cantidad de voltaje de compensación de salida.
De estas características "idealizadas" anteriores, podemos ver que la resistencia de entrada es infinita, por lo que no fluye corriente en ninguno de los terminales de entrada (la "regla de corriente") y que el voltaje de compensación de entrada diferencial es cero (la "regla de voltaje"). Es importante recordar estas dos propiedades, ya que nos ayudarán a comprender el funcionamiento del Amplificador operacional con respecto al análisis y diseño de los circuitos de amplificadores operacionales.
Sin embargo, los amplificadores operacionales reales , como el uA741 comúnmente disponible , por ejemplo, no tienen ganancia o ancho de banda infinitos, pero tienen una "ganancia de bucle abierto" típica que se define como la amplificación de salida de los amplificadores sin ninguna señal de realimentación externa conectada a ella y para una señal típica. El amplificador operacional es de aproximadamente 100dB a CC (cero Hz). Esta ganancia de salida disminuye linealmente con la frecuencia hasta "Unity Gain" o 1, a aproximadamente 1MHz y esto se muestra en la siguiente curva de respuesta de ganancia de bucle abierto.
Curva de respuesta de frecuencia de bucle abierto
Desde esta curva de respuesta de frecuencia podemos ver que el producto de la ganancia contra la frecuencia es constante en cualquier punto a lo largo de la curva. También que la frecuencia de ganancia unitaria (0dB) también determina la ganancia del amplificador en cualquier punto a lo largo de la curva. Esta constante se conoce generalmente como el producto de ancho de banda de ganancia o GBP . Por lo tanto:
GBP = Ganancia x Ancho de banda = A x BW
Por ejemplo, del gráfico anterior, la ganancia del amplificador a 100 kHz se da como 20dB o 10, luego el producto de ancho de banda de ganancia se calcula como:
GBP = A x BW = 10 x 100,000Hz = 1,000,000 .
De manera similar, los amplificadores operacionales ganan a 1 kHz = 60dB o 1000, por lo tanto, el GBP se da como:
GBP = A x BW = 1,000 x 1,000Hz = 1,000,000 . ¡Lo mismo! .
La ganancia de voltaje ( A V ) del amplificador operacional se puede encontrar usando la siguiente fórmula:
y en Decibelios o ( dB ) se da como:
Amplificadores operacionales de ancho de banda
El ancho de banda del amplificador operacional es el rango de frecuencia en el que la ganancia de voltaje del amplificador está por encima del 70.7% o -3dB (donde 0dB es el máximo) de su valor de salida máximo como se muestra a continuación.
Aquí hemos usado la línea de 40dB como ejemplo. El -3dB o 70.7% del punto descendente Vmax de la curva de respuesta de frecuencia se da como 37dB . Si se cruza una línea hasta que se interseca con la curva de GBP principal, se obtiene un punto de frecuencia justo por encima de la línea de 10 kHz, de 12 a 15 kHz. Ahora podemos calcular esto con mayor precisión, ya que ya conocemos el GBP del amplificador, en este caso particular de 1MHz.
Amplificador Operacional Ejemplo No1.
Usando la fórmula 20 log (A) , podemos calcular el ancho de banda del amplificador como:
37 = 20 log (A) por lo tanto, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70.8
GBP ÷ A = Ancho de banda, por lo tanto, 1,000,000 ÷ 70.8 = 14,124Hz, o 14kHz
Luego, el ancho de banda del amplificador a una ganancia de 40dB se da como 14kHzcomo se predijo previamente en el gráfico.
Amplificador Operacional Ejemplo No2.
Si la ganancia del amplificador operacional se redujera a la mitad para decir 20dB en la curva de respuesta de frecuencia anterior, el punto de -3dB ahora estaría en 17dB. Esto le daría al amplificador operacional una ganancia general de 7.08, por lo tanto, A = 7.08 .
Si usamos la misma fórmula que la anterior, esta nueva ganancia nos daría un ancho de banda de aproximadamente 141.2 kHz , diez veces más que la frecuencia dada en el punto de 40dB. Por lo tanto, se puede ver que al reducir la "ganancia de bucle abierto" general de un amplificador operacional, se aumenta su ancho de banda y viceversa.
En otras palabras, el ancho de banda de un amplificador operacional es inversamente proporcional a su ganancia, ( A 1 / ∞ BW ). Además, este punto de frecuencia de esquina de -3dB se conoce generalmente como el "medio punto de potencia", ya que la potencia de salida del amplificador está a la mitad de su valor máximo como se muestra:
Resumen de amplificadores operacionales
Ahora sabemos que un amplificador operacional es un amplificador diferencial de CC de ganancia muy alta que utiliza una o más redes de retroalimentación externas para controlar su respuesta y características. Podemos conectar resistores o condensadores externos al amplificador operacional de diferentes maneras para formar circuitos básicos de "bloques de construcción", como amplificadores de inversión, no inversor, seguidor de voltaje, suma, diferencial, integrador y diferenciador.
Op-amp Symbol
Un amplificador operacional "ideal" o perfecto es un dispositivo con ciertas características especiales, como la ganancia infinita de bucle abierto A O , la resistencia de entrada infinita R IN , la resistencia de salida cero R OUT , el ancho de banda infinito de 0 a ∞y el offset cero (la salida es exactamente cero cuando la entrada es cero).
Hay una gran cantidad de IC de amplificadores operacionales disponibles para adaptarse a cada aplicación posible desde bipolar estándar, precisión, alta velocidad, bajo ruido, alto voltaje, etc., ya sea en configuración estándar o con transistores FET de empalme internos.
Los amplificadores operacionales están disponibles en paquetes IC de amplificadores operacionales simples, dobles o cuádruples dentro de un solo dispositivo. El amplificador operacional más comúnmente disponible y usado en kits y proyectos electrónicos básicos es el estándar de la industria μA-741 .
En el siguiente tutorial sobre amplificadores operacionales, usaremos retroalimentación negativa conectada alrededor del amplificador operacional para producir un circuito amplificador de bucle cerrado estándar llamado circuito de amplificador inversor que produce una señal de salida que es de 180 o "fuera de fase" con la entrada.
