Amplificador operacional | Fundamentos de Op Amp y aplicaciones

Amplificador operacional | Fundamentos de Op Amp y aplicaciones

 

Introducción

Un amplificador operacional comúnmente conocido como op-amp es un amplificador de voltaje diferencial de salida única de dos entradas que se caracteriza por alta ganancia, alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.

El amplificador operacional se llama así porque tiene su origen en computadoras analógicas, y se utilizó principalmente para realizar operaciones matemáticas. Dependiendo de su circuito de realimentación y polarización, se puede hacer un amplificador operacional para sumar, restar, multiplicar, dividir, negar y, curiosamente, incluso realizar operaciones de cálculo como diferenciación e integración.

Hoy en día, los op-amps son bloques de construcción muy populares en los circuitos electrónicos. Los amplificadores operacionales se utilizan para una variedad de aplicaciones tales como la amplificación de señales de CA y CC, filtros, osciladores, reguladores de voltaje, comparadores y en la mayoría de los dispositivos de consumo e industriales. Los amplificadores operacionales muestran poca dependencia de los cambios de temperatura o las variaciones de fabricación, lo que los convierte en bloques de construcción ideales en los circuitos electrónicos.

El circuito básico de un amplificador operacional es como se muestra en la figura anterior. Un amplificador operacional tiene una etapa de entrada de amplificador diferencial y una etapa de salida de seguidor de emisor. Los circuitos prácticos de op-amp son mucho más complicados que el circuito de op-amp básico mostrado anteriormente.

Los transistores Q1 y Q2 forman un amplificador diferencial, donde la diferencia de voltaje de entrada se aplica a los terminales base de Q1 y Q2. El transistor Q3 funciona como un seguidor de emisor y proporciona baja impedancia de salida.

La salida del circuito de amplificador operacional básico VOUT se da como,

VOUT = VCC-VRC-VBE3

VOUT = VCC-IC2RC-VBE

Donde, VRC es el voltaje a través de la resistencia RC y VBE3 es la tensión base-emisor del transistor Q3.

Suponga que los transistores Q1 y Q2 son transistores coincidentes, es decir, tienen los mismos niveles de VBE y las mismas ganancias de corriente. Si ambos terminales de base de transistores están conectados a tierra, las corrientes de emisor IE1 e IE2 son iguales y tanto IE1 como IE2 fluyen a través de la resistencia común RE. La corriente del emisor viene dada por la relación,

IE1 + IE2 = VRE/RE

Si las bases Q1 y Q2 están conectadas a tierra,

0-VBE-VRE + VEE = 0

ie VRE = VEE-VBE

Por lo tanto, IE1 + IE2 = (VEE-VBE)/RE

Cuando se aplica un voltaje positivo al terminal de entrada no inversor, la base de Q1 se eleva por la tensión de entrada y su terminal de emisor sigue la señal de entrada. Dado que los emisores Q1 y Q2 están conectados entre sí, el emisor de Q2 también se detiene por la entrada positiva en el terminal no inversor. La base de Q2 está conectada a tierra, por lo que la tensión positiva en su emisor provoca una reducción en su voltaje de base-emisor VBE2. La reducción en VBE2 hace que el emisor IE2 actual disminuya y, en consecuencia, IC2 también se reduzca.

Se puede observar que una entrada positiva en el pin # 3 da una salida positiva, de ahí el nombre de terminal de entrada no inversora.

Op-Amp Symbol

Nota:

1. Si se aplica una señal de entrada a cualquiera de los terminales de entrada al otro terminal de entrada conectado a tierra, la operación se denomina “single-ended”.

En una sola operación, se aplica una sola entrada, impulsa ambos los transistores debido a la conexión del emisor común. La salida obtenida es impulsada por ambos colectores.

2. Si se aplican dos señales de entrada a los dos terminales de entrada, la operación se denomina “doble extremo”.

En el funcionamiento de doble extremo, la diferencia de las entradas aplicadas a los dos terminales de entrada controla los transistores y la salida obtenida es impulsada por ambos colectores.

Si se aplica la misma entrada a ambas entradas, la operación se denomina “modo común”. En la operación en modo común, la señal de entrada común en ambos terminales de entrada da como resultado señales opuestas en cada colector. Estas señales se cancelan, lo que resulta en una señal de salida cero. Prácticamente, las señales opuestas no se cancelan por completo y se produce una pequeña señal en la salida.

Amplificador diferencial usando transistores

Todos los amplificadores operacionales consisten en un amplificador diferencial en su etapa de entrada. Si se aplican dos señales de voltaje diferentes a los dos terminales de entrada del amplificador operacional, la señal de salida resultante es proporcional a la “diferencia” entre las dos señales. Por lo tanto, los amplificadores diferenciales amplifican la diferencia entre dos tensiones medidas con respecto a una referencia común. La etapa del amplificador diferencial de un amplificador operacional se muestra a continuación.

Los dos transistores Q1 y Q2 tienen características idénticas. Las dos señales de entrada Vi1 y Vi2 se aplican a los terminales base de Q1 y Q2, respectivamente. Tenga en cuenta que el amplificador diferencial tiene dos terminales de salida VO1 y VO2.

Idealmente, la tensión de salida es cero cuando ambas entradas son iguales. Cuando Vi1 es mayor que Vi2, el terminal de salida VO1 será positivo y VO2 será negativo. Cuando Vi2 es mayor que Vi1, el terminal de salida VO2 será positivo con respecto a VO1.

El VO de salida está dado por,

VO = AD (Vi1-Vi2)

Donde AD es la ganancia diferencial.

Un amplificador diferencial se puede configurar de cuatro formas diferentes:

  • Amplificador diferencial de salida balanceada de entrada dual.
  • Amplificador diferencial de salida desequilibrada de entrada dual.
  • Amplificador diferencial de salida balanceada de entrada única.
  • Amplificador diferencial de salida desequilibrada de entrada única.

Ganancia de modo común

Cuando se aplica la misma señal de voltaje de entrada a ambos terminales de entrada, se hace referencia a la operación como Operación de “modo común”. La señal de modo común suele ser una señal de interferencia o estática. La ganancia de modo común es el cambio de voltaje de salida debido a la entrada de modo común dividida por la tensión de entrada de modo común.

Mientras que un amplificador diferencial proporciona una gran amplificación de la diferencia de voltaje aplicada a ambas entradas, discrimina señales de entrada de modo común, es decir, se niega a amplificar las señales de modo común.

La capacidad de un amplificador diferencial para rechazar una señal de modo común se expresa en términos de su relación de rechazo de modo común (CMRR). Mayor valor de CMRR representa su mejor capacidad para rechazar señales de modo común. Por lo tanto, cualquier señal no deseada, tal como ruido o un arranque de interferencia, aparecería como común a ambos terminales de entrada y el efecto de esta señal en la salida sería cero. CMRR es la relación entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común del amplificador diferencial, es decir,

CMRR = AD/AC

Where, AD = VO/(Vi1-Vi2)

y AC = VO (CM)/Vi (CM)

Circuito equivalente de un Op-Amp ideal

El circuito equivalente de un op-amp ideal se muestra arriba. La tensión de entrada VDIFF es la diferencia de tensión (V1-V2). Zin es la impedancia de entrada y Zout es la impedancia de salida. El parámetro de ganancia A se llama ganancia de lazo abierto. Si un amplificador operacional no tiene ningún comentario de la salida a ninguna de las entradas, se dice que está operando en una configuración de bucle abierto.

Un amplificador operacional ideal muestra una ganancia infinita de bucle abierto, infinita impedancia de entrada, impedancia de salida cero, oscilación de voltaje infinito, ancho de banda infinito, velocidad de respuesta infinita y voltaje de compensación de entrada cero.

Características del amplificador operacional

Impedancia de entrada (Zin)

Un amplificador operacional ideal tiene una impedancia de entrada infinita para evitar cualquier flujo de corriente desde el suministro al circuito del amplificador operacional. Pero cuando el op-amp se utiliza en aplicaciones lineales, se proporciona alguna forma de retroalimentación negativa externamente. Debido a este feedback negativo, la impedancia de entrada se convierte en

Zin = (1 + AOL β) Zi

Donde, Zin es la impedancia de entrada sin comentarios

AOL es la ganancia de lazo abierto

β es el factor de realimentación (1 para seguidor de voltaje)

La impedancia de las fuentes de señal conectadas a la entrada de un amplificador operacional debe ser mucho menor que la impedancia de entrada del amplificador para evitar la pérdida de señal.

Impedancia de salida (Zout)

Un op-amp ideal tiene una impedancia de salida cero. Esto significa que la tensión de salida es independiente de la corriente de salida. Por lo tanto, un amplificador operacional ideal puede actuar como una fuente de tensión interna perfecta con cero resistencia interna, de modo que la corriente máxima pueda ser conducida a la carga.

Prácticamente, la impedancia de salida del amplificador operacional se ve afectada la retroalimentación negativa y está dada por,

Zout = Zo/(1 + AOL β)

Donde,

Zo es la impedancia de salida del op-amp sin comentarios

AOL es la ganancia de lazo abierto

β es el factor de retroalimentación

Load impedances connected at the output of el amplificador operacional debe ser mucho más grande que la impedancia de salida del circuito, para evitar cualquier pérdida significativa de salida como una caída de voltaje en Zout.

Ganancia de bucle abierto (AVO)

Ganancia de bucle abierto de una operación amplificador se define como la ganancia del amplificador operacional cuando no hay retroalimentación de la salida a cualquiera de sus entradas. Para un amplificador operacional ideal, la ganancia será infinitamente teórica, pero el rango de valores prácticos es de 20,000 a 200,000.

Ancho de banda (BW)

Un amplificador operacional ideal puede amplificar cualquier señal de frecuencia desde CC a las frecuencias AC más altas, por lo tanto, tiene una respuesta de frecuencia infinita. Por lo tanto, el ancho de banda de un amplificador operacional ideal debe ser infinito. En circuitos prácticos, el ancho de banda del amplificador operacional está limitado por el producto de ganancia de ancho de banda (GB).

CMRR (Ratio de rechazo de modo común)

CMRR se define como la capacidad de un op-amp para rechazar la señal de entrada de modo común. CMRR es una medida importante de un amplificador operacional. Un op-amp ideal tendrá CMRR infinito. En circuitos prácticos, CMRR viene dado por

CMRR = 20 log10 (AD/| AC |) dB

Donde, AD es la ganancia diferencial y AC es la ganancia de modo común del amplificador operacional.

Voltaje de compensación (ViO)

El voltaje de compensación de entrada define el voltaje de CC diferencial requerido entre los terminales de entrada para hacer que la salida tenga cero voltios con respecto a tierra. Un amplificador operacional ideal tendrá un voltaje de compensación cero, mientras que los amplificadores operacionales prácticos mostrarán un desplazamiento pequeño.

Tasa slew

La velocidad slew se define como el cambio máximo de voltaje de salida por unidad de tiempo y se expresa como voltios por segundo. Un amplificador operacional ideal tendrá una velocidad de respuesta infinita. En los op-amps prácticos, la velocidad de respuesta está intrínsecamente limitada por las pequeñas corrientes internas del amplificador operacional y también por las capacidades internas diseñadas para compensar las oscilaciones de alta frecuencia.

Op-Amp Characteristic Table

Op-amp Frequency Response

La ganancia de lazo abierto AOL no es constante para todas las frecuencias. Los amplificadores operacionales reales tienen una ganancia en lazo abierto dependiente de la frecuencia. La curva de respuesta de frecuencia de un amplificador operacional práctico se muestra a continuación.

De la curva de arriba, podemos notar que el producto de ganancia y frecuencia es constante en cualquier punto a lo largo de la curva. Esta constante se conoce como el producto Gain-Bandwidth (GB). Además, la ganancia del amplificador en cualquier punto a lo largo de la curva está determinada por la frecuencia de ganancia de unidad (0 dB).

Ancho de banda del amplificador operacional

El ancho de banda del amplificador operacional es definido como el rango de frecuencia sobre el cual la ganancia de voltaje del amplificador es superior a-3dB (máximo es 0dB) de su valor máximo de salida.

In la figura anterior, el-3dB del AV (máximo) se muestra como 37dB. La línea de 37 dB se cruza con la curva a poco más de 10 kHz de frecuencia. Esta frecuencia se puede calcular con mayor precisión si se conoce el producto GB del amplificador. Se puede observar que la ganancia de bucle abierto disminuye a medida que aumenta la frecuencia de la señal de entrada. La frecuencia se traza en escala logarítmica y la ganancia disminuye linealmente a medida que la frecuencia aumenta logarítmicamente. Se sabe que la tasa de caída de la ganancia en el amplificador operacional es de 20 dB por década.

Aplicaciones Op-Amp

Los amplificadores operacionales son bloques de construcción populares en los circuitos electrónicos y encuentran aplicaciones en la mayoría de los sistemas electrónicos de consumo e industriales. Los amplificadores operacionales se pueden configurar para que funcionen como diferentes tipos de amplificadores de señal, como inversión, no inversión, diferencial, sumatoria, etc., y se utilizan para realizar operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación, división y también diferenciación e integración..

Los amplificadores operacionales se pueden usar en la construcción de filtros activos, proporcionando funciones de paso alto, paso bajo, paso de banda, rechazo de banda y retardo. La alta impedancia de entrada y la ganancia de un amplificador operacional permiten el cálculo directo de los valores de los elementos, permite la implementación precisa de cualquier topología de filtro deseada con poca preocupación por los efectos de carga de las etapas en el filtro o de las etapas posteriores.

Un amplificador operacional puede, si es necesario, ser forzado a actuar como un comparador. La diferencia más pequeña entre los voltajes de entrada se amplificará considerablemente.

Los amplificadores operacionales se usan en la construcción de osciladores, como un oscilador de puente Wein. Los amplificadores operacionales también se usan en circuitos no lineales, como amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos.

Los amplificadores operacionales encuentran aplicaciones como fuentes de tensión, fuentes de corriente y sumideros de corriente, y también como DC y amp; Voltímetros AC. Los amplificadores operacionales también se utilizan en circuitos de procesamiento de señal como rectificadores de precisión, circuitos de sujeción y circuitos de muestreo y retención.

Resumen de Op-Amp

Un amplificador operacional es muy alto ganar amplificador diferencial DC La mayoría de los amplificadores operacionales requieren una fuente de alimentación tanto positiva como negativa para funcionar. Los amplificadores operacionales pueden configurarse a través de una o más retroalimentaciones externas y polarizaciones de voltaje para obtener las respuestas y características deseadas.

La construcción básica de op-amp es de un dispositivo de tres terminales, excluidas las conexiones de potencia. Los amplificadores operacionales detectan la diferencia entre las señales de voltaje aplicadas en sus terminales de entrada y luego la amplifican mediante una ganancia predeterminada. Esta ganancia a menudo se denomina ganancia de “lazo abierto”. Cerrar el circuito abierto conectando un componente resistivo o reactivo entre la salida y un terminal de entrada del amplificador operacional reduce enormemente y controla esta ganancia de bucle abierto.

Un amplificador operacional ideal tiene infinito bucle abierto ganancia, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero, ancho de banda infinito, velocidad de respuesta infinita y compensación de cero. Un op-amp práctico exhibe alta ganancia de lazo abierto, alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Debido a sus usos versátiles, los amplificadores operacionales se usan junto con resistencias y condensadores para construir circuitos funcionales tales como amplificadores de tipo Invertir, No invertir, Seguir voltaje, Sumar, Restar, Integrar y Diferenciar.

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