Curso de electrónica básica No. 2.16 – El amplificador operacional
Introducción
Hola amigos, sean bienvenidos a este nuevo artículo sobre el capítulo 2.16 del curso de electrónica básica, esta vez con el tema de componentes pasivos, ya hablando del amplificador operacional, entonces no siendo más vamos por ello.
Resumen
En este artículo analizaré todo acerca del amplificador operacional, como es su apariencia, cómo es su simbología, su parte ideal y real, cuáles son sus funciones matemáticas y para qué nos sirve en electrónica. Ya que este componente activo es muy completo en la electrónica sobre todo para aplicaciones analógicas.
Es por eso que acá destacaré todo lo más relevante, así entenderemos con más detalle el amplificador operacional.
Contenido
Curso de electrónica básica No. 2.16 – El amplificador operacional
Características básicas del amplificador operacional
Tipos de amplificador operacional
Apariencia y estructura externa
Principios de operación del amplificador operacional
Comprobación matemática del lazo de realimentación sencillo (no inversor)
Comprobación matemática del lazo de realimentación sencillo (inversor)
Los otros sistemas realimentados de amplificadores operacionales
Amplificador operacional en modo integrador
Amplificador operacional en modo derivador
Más información acerca del amplificador operacional
Curvas del amplificador operacional
Parámetros de los amplificadores operacionales
Puesta a punto del experimento
Aspectos prácticos preliminares
Comprobación del funcionamiento
Muestra del vídeo experimental
Aplicaciones del amplificador operacional
Conclusiones sobre el amplificador operacional
Definición
El amplificador operacional simplemente es un arreglo de transistores dentro de un empaquetado de circuito integrado, donde este posee dos entradas diferenciales y una salida y es alimentado por dos rieles de voltaje.
Dicho amplificador operacional, es capaz de otorgar una amplificación de cualquier ganancia que se desee, y puede ser ajustada de acuerdo a las necesidades por medio de sus diferentes configuraciones que veremos más adelante en este artículo.
El mismo posee una ganancia muy elevada idealmente infinita.
Características básicas del amplificador operacional
Lo más básico que posee el amplificador operacional, se puede subdividir por medio de dos formas de comportamiento que viene siendo los siguientes.
Modelo ideal
En esta parte se distinguen estos puntos.
- Presentan una ganancia infinita (Ao=∞).
- La impedancia de entrada es infinita (Rin=∞). Es decir que su resistencia de entrada sea para cualquier tipo de señal es infinita y no afecta en nada el circuito.
- La impedancia de salida es cero (Ro=0). El voltaje de salida es puro y puede trabajar bajo cualquier corriente que sea necesaria.
- Ancho de banda es infinito (BW=∞).
- Si Vin=0, Vo=0.
Modelo real
- Debido a la construcción interna del amplificador operacional, su ganancia no es infinita, pero si es muy alta, aun así.
- La impedancia de entrada no es infinita, sin embargo, también es muy alta.
- La resistencia de salida no es cero, dependiendo del modelo, es decir, de su tipo de amplificador operacional o referencia, cambia su valor.
- También depende del modelo para su ancho de banda.
- Existe un pequeño voltaje que se puede presentar en la entrada para antes hacer que su salida cambie de estado.
Dato histórico
El primer amplificador operacional comercial que apareció en la historia fue el uA709 en 1960 por la empresa Fairchild Semiconductor.
Simbología
En su simbología, el operacional se muestra de esta manera, la estructura fundamental del amplificador operacional es simplemente dos entradas de voltaje, una positiva y otra negativa, y una salida común, obviamente su alimentación para su funcionamiento.
Acá en esta figura vemos su simbología.
Figura : Símbolo del amplificador operacional.
Tipos de amplificador operacional
El amplificador operacional en realidad se clasifica en varios tipos de acuerdo a su funcionamiento, pueden encontrarse amplificadores operacionales que trabajen con sonido, con ondas de corriente o de voltaje alterno, amplificación de señales ya sé analógicas o digitales, y para eliminar la impedancia y amplificar las señales de diversos sensores cómo es por ejemplo de temperatura.
Existen también unos que actúan solo como comparadores.
Apariencia y estructura externa
Existen diferentes formas de extinguir el amplificador operacional basado en su forma física, ya una mirada más detallada, nos dirá que clase de amplificador operacional es.
Los más comunes son los encapsulados de trought hole o de inserción en pcb, cómo son circuitos integrados de 8 y 14 pines.
Figura : Empaquetado de inserción
También existen otros cuyo empaquetado es metálico para la protección de señales indeseadas del medio, como son para radiofrecuencia o también para amplificar voltajes sumamente pequeños.
Figura : Empaquetado metálico
Por último, vemos los que son de montaje superficial.
Figura : Empaquetado de montaje superficial.
Estructura interna
La estructura interna del amplificador operacional, este es un conjunto de varios transistores interconectados entre sí.
Empezando por una etapa de amplificación diferencial, luego con sus espejos de corriente, luego una parte de ganancia en corriente, y finalmente su acople de salida.
Figura : Estructura interna del amplificador operacional común.
Cabe menciona que esta estructura interna cambia de forma abrupta de acuerdo al tipo de amplificador operacional que se use, en algunos casos veremos la tecnología JFET o con Mosfets internos.
Funcionamiento
Ya hemos llegado a la parte crucial de este artículo sobre el amplificador operacional, y es viendo su funcionamiento en los circuitos electrónicos.
Principios de operación del amplificador operacional
Para ello definimos dos tipos de configuraciones, la primera es la operación en lazo abierto, y la segunda en lazo cerrado. De mucha importancia porque así tendremos las diferentes configuraciones básicas.
Operación en lazo abierto
Cuando hablamos de este tipo de operación en el amplificador operacional, nos referimos a que no hay una comunicación entre la entre la entrada y la salida es decir no hay un control automático en sí.
La ganancia de lazo abierto identificada como AO, suele ser igual o superior a 100,000.
Figura : Operación en lazo abierto del amplificador operacional.
Cómo podemos ver en la figura, existen dos formas de activarse este amplificador operacional en lazo abierto, la primera corresponde a modo no inversor, y la segunda como inversor.
Dichos nombres se deben al proceso que realiza con su señal de entrada.
Estas fórmulas describen su funcionamiento, el cual el voltaje de salida será igual a la ganancia por la diferencia de voltajes de la entrada.
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Operación en lazo cerrado
En esta parte, si se desea una monitorización del voltaje a la salida para variar su comportamiento con respecto a la entrada, se opta por un amplificador operacional en lazo cerrado, que es a su vez, un amplificador con realimentación.
Este feedback o realimentación, simplemente es tomar una pequeña muestra de la salida, para poder enviarla de nuevo a la entrada junto con la señal entrante.
Esta realimentación puede ser positiva o negativa, de acuerdo a como se pongan los componentes externos del amplificador operacional alrededor.
Figura : Sistema de realimentación en lazo cerrado.
A continuación, veremos algunos de los ejemplos de sistemas realimentados o de lazo cerrado con los amplificadores operacionales.
Comprobación matemática del lazo de realimentación sencillo (no inversor)
Lo primero que hay que reconocer en esta gráfica de a continuación, es que ya existe un lazo de realimentación identificados por las resistencias Rf y Rg.
Figura : Modelo no inversor del amplificador operacional.
Para analizar esta parte de acá, se tienen dos corrientes de las cuales es I1, qué será igual al voltaje de entrada sobre la resistencia RG.
Concepto de conexión virtual: Consiste en qué la entrada positiva del operacional, está conectada virtualmente a la entrada negativa de este mismo, por lo tanto, en este mismo punto negativo se pondrá el voltaje del punto positivo. A pesar de que idealmente la impedancia en esta parte es infinita.
Completando la malla de corrientes de la salida hacia tierra identificamos que la el voltaje de salida es igual al voltaje entrada más la corriente I2 Por la resistencia RF.
Cómo idealmente la entrada del operacional tiene una resistencia infinita no existe corriente que salga de ninguno de estos puntos hacia el bloque de realimentación, por lo tanto, la corriente I1 será igual a la corriente I2.
De toda esta manera, tendremos las siguientes ecuaciones.
Esta corriente se encuentra tomando la conexión virtual.
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Como los puntos son los mismo virtualmente, completamos el nodo de la siguiente forma.
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Como el punto de conexión virtual, idealmente tiene una impedancia infinita, decimos que las corrientes son completamente iguales.
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Una vez igualados los resultados.
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Además, obtenemos la ecuación de la ganancia en lazo cerrado de amplificador operacional en modo no inversor.
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Comprobación matemática del lazo de realimentación sencillo (inversor)
Para esta ocasión está el inversor, la matemática es diferente ya que aquí se usa el proceso que llaman comúnmente tierra virtual, lo cual yo llamé conexión virtual como lo había dicho anteriormente. El circuito es el siguiente.
Figura 9: Modelo inversor del amplificador operacional.
Para análisis matemáticamente este modelo se opta por el mismo concepto de conexión virtual, pero esta vez hacia tierra, de tal modo que se dan las siguientes ecuaciones.
Acá completamos la maya desde la entrada de voltaje hasta la conocida conexión virtual hacia tierra.
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Desde el mismo punto de la conexión de tierra virtual hacia la salida del voltaje, esta se toma como negativa, devido a que la corriente sigue el mismo sentido, desde la supuesta conexión de tierra virtual hacia la salida.
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Como dicha conexión virtual idelalmente tiene una impedancia infinita, la corriente que recorre el primer circuito es completamente igual al segundo.
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Igualamos y transponemos términos.
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Finalmente con esto sacamos la fórmula de la ganacia en lazo cerrado.
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Los otros sistemas realimentados de amplificadores operacionales
Aparte de los amplificadores operacionales en modo sumador, restador e incluso de instrumentación, también existen algunos un poco más especiales como son los derivadores y los integradores. Aparte de estos hay otros como son los logarítmicos, pero esos serán descritos en otros artículos.
Amplificador operacional en modo integrador
Para que el amplificador operacional esté en modo integrador, se puede usar el siguiente circuito.
Figura 10: Amplificador operacional en modo integrador.
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Amplificador operacional en modo derivador
En este caso el circuito siguiente cumple la condición de amplificador operacional en modo derivador.
Figura 11: Amplificador operacional en modo derivador.
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Más información acerca del amplificador operacional
Curvas del amplificador operacional
Como todo componente existe un comportamiento ante la polarización u operación que se describe mediante curvas.
Estas son las siguientes.
Curvas de voltaje
Para el amplificador operacional real el voltaje de entrada con respecto al voltaje de salida corresponde a la gráfica de siguiente, como no estamos hablando de una ganancia infinita, es de esperarse que, al aumentar el voltaje de entrada en milivoltios, el voltaje de salida vaya incrementándose linealmente hasta llegar a su saturación, que corresponde un valor muy cercano a su voltaje de alimentación.
En el caso de la gráfica al aumentar un milivoltio, el operacional se satura; antes de un milivoltio se dice que el amplificador operacional está en la región lineal.
Figura 12: Curva de voltaje del amplificador operacional.
Curvas de frecuencia
Para este caso de acuerdo al tipo de amplificador operacional la ganancia de acuerdo a su frecuencia se muestra en esta gráfica donde la ganancia en lazo abierto se mantiene por encima de los 100.000 pero a medida que esta frecuencia aumenta dicha ganancia disminuye considerablemente.
Si utilizamos un amplificador operacional de alta velocidad y frecuencia podríamos mejorar este parámetro de respuesta.
Figura 13: Curvas de frecuencia del amplificador operacional.
Parámetros de los amplificadores operacionales
Por último, existen unos parámetros que se deben tener en cuenta al momento de usar amplificadores operacionales.
- Corriente de polarización de entrada IB.
- Frecuencia de transición fT.
- Offset de voltaje VIO.
- Rapidez de respuesta SR o slew rate.
Limitaciones y dificultades
Para las limitaciones de este amplificador operacional, son algunas de las que puedo mencionar, está la respuesta en frecuencia, la respuesta de voltaje de entrada con respecto a la de salida y la temperatura de disipación o de operación.
Estos son algunos de los ejemplos de los cuales el amplificador operacional tiene dificultad; obviamente hay otras más, pero son más específicas de acuerdo a sus modelos.
Vídeo teórico
Puesta a punto del experimento
Objetivos
Muestra del vídeo experimental
Aplicaciones del amplificador operacional
Ya había explicado anteriormente los tipos de amplificadores operacionales que hay, indirectamente expliqué que se unan para amplificación de señales de audio, alternas, digitales, mezcladores entre otras utilidades.
Conclusiones sobre el amplificador operacional
- Este componente es al santo grial después del transistor para la electrónica, ya que permitió considerablemente disminuir el tamaño de muchos circuitos con amplificadores.
- Dependiendo de la clasificación de estos amplificadores existe una tarea específica.
- Se pueden usar en muchísimas aplicaciones de la electrónica, como buffers, seguidores de voltaje, mezcladores, filtros e inclusive osciladores.
Referencias
- Electrónica Moderna de Cekit.
- Unicrom.com.
- Wikipedia.
- Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos –Louis Nashelsky y Robert L. Boylestad.