En el siguiente artículo, analizamos los principales parámetros del amplificador operacional y los circuitos de aplicación básicos del amplificador operacional relacionados con ecuaciones, para resolver los valores de sus componentes específicos.
Los amplificadores operacionales (amplificadores operacionales) son un tipo especializado de circuito integrado que incluye un amplificador de alta ganancia acoplado directamente con características de respuesta general ajustadas por una retroalimentación.
El amplificador operacional deriva su nombre del hecho de que puede ejecutar una amplia gama de cálculos matemáticos. Debido a su respuesta, un amplificador operacional también se conoce como circuito integrado lineal y es el componente central de muchos sistemas analógicos.
Un amplificador operacional presenta una ganancia extraordinariamente alta (posiblemente cercana al infinito), que se puede ajustar a través de una retroalimentación. La adición de capacitores o inductores a la red de retroalimentación puede generar una ganancia que cambia con la frecuencia, lo que afecta el estado operativo general del circuito integrado.
Como se muestra en la figura anterior, el amplificador operacional fundamental es un dispositivo de tres terminales que tiene dos entradas y una salida. Los terminales de entrada se clasifican como 'inversores' o 'no inversores'.
Parámetros del amplificador operacional
Cuando se suministra con voltajes de entrada iguales, la salida del amplificador operacional ideal, o 'amplificador operacional', es cero o '0 voltios'.
VIN 1 = VIN 2 da VOUT = 0
Los amplificadores operacionales prácticos tienen una entrada imperfectamente balanceada, lo que hace que fluyan corrientes de polarización desiguales a través de los terminales de entrada. Para equilibrar la salida del amplificador operacional, se debe proporcionar un voltaje de compensación de entrada entre los dos terminales de entrada.
1) Corriente de polarización de entrada
Cuando la salida está balanceada, o cuando V AFUERA = 0, la corriente de polarización de entrada (I B ) es igual a la mitad de las corrientes individuales totales que ingresan a las dos conexiones de entrada. A menudo es un número muy pequeño; por ejemplo, yo B = 100 nA es un valor normal.
2) Corriente de compensación de entrada
La diferencia entre cada corriente individual que llega a los terminales de entrada se conoce como corriente compensada de entrada (I este ). Una vez más, a menudo tiene un valor extremadamente bajo; por ejemplo, un valor común es I este = 10 nA.
3) Voltaje de compensación de entrada
Para mantener el amplificador operacional equilibrado, un voltaje de compensación de entrada V este debe aplicarse a través del terminal de entrada. Usualmente el valor de V este es = 1 mV.
valores de yo este y V este ambos pueden variar con la temperatura, y esta variación se conoce como I este deriva y V este deriva, respectivamente.
4) Tasa de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR)
La relación entre el cambio en el voltaje de compensación de entrada y el cambio correspondiente en el voltaje de la fuente de alimentación se conoce como relación de rechazo de la fuente de alimentación o PSRR. Esto suele estar en el rango de 10 a 20 uV/V.
Los parámetros adicionales para amplificadores operacionales que podrían mencionarse son:
5) Ganancia de bucle abierto/Ganancia de bucle cerrado
La ganancia de bucle abierto se refiere a la ganancia de un amplificador operacional sin un circuito de retroalimentación, mientras que la ganancia de bucle cerrado se refiere a la ganancia de un amplificador operacional con un circuito de retroalimentación. Generalmente se representa como A. d .
6) Relación de rechazo de modo común (CMRR)
Esta es la relación entre la señal de diferencia y la señal de modo común y sirve como medida del rendimiento de un amplificador diferencial. Usamos decibelios (dB) para expresar esta relación.
7) Velocidad de giro
La velocidad de respuesta es la velocidad a la que cambia el voltaje de salida de un amplificador en condiciones de señal grande. Se representa con la unidad V/us.
Circuitos de aplicación básicos de amplificadores operacionales
En los siguientes párrafos, aprenderemos acerca de varios circuitos básicos interesantes de amplificadores operacionales. Cada uno de los diseños básicos se explican con fórmulas para resolver los valores y características de sus componentes.
AMPLIFICADOR O BUFFER
El circuito para un amplificador inversor, o un inversor, se puede ver en la Figura 1, arriba. La ganancia del circuito viene dada por:
Apagado = - R2/R1
Tenga en cuenta que la ganancia es negativa, lo que indica que el circuito funciona como seguidor de voltaje inversor de fase, si las dos resistencias son iguales (es decir, R1 = R2). La salida sería idéntica a la entrada, con la polaridad invertida.
En realidad, las resistencias pueden quitarse para obtener una ganancia unitaria y sustituirse por cables puente directos, como se muestra en la Fig. 2 a continuación.
Esto es posible porque R1 = R2 = 0 en este circuito. Por lo general, R3 se elimina del circuito seguidor de voltaje inversor.
La salida del amplificador operacional amplificará la señal de entrada si R1 es menor que R2. Por ejemplo, si R1 es 2,2 K y R1 es 22 K, la ganancia podría expresarse como:
Desactivado = - 22.000/2.200 = -10
El símbolo negativo denota inversión de fase. Las polaridades de entrada y salida están invertidas.
Al hacer que R1 sea más grande que R2, el mismo circuito también puede atenuar (disminuir la fuerza de) la señal de entrada. Por ejemplo, si R1 es 120 K y R2 es 47 K, la ganancia del circuito sería aproximadamente:
Desactivado = 47 000/120 000 = - 0,4
De nuevo, la polaridad de la salida es inversa a la de la entrada. Aunque el valor de R3 no es particularmente importante, debería ser aproximadamente igual a la combinación paralela de R1 y R2. Cual es:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Para demostrar esto, considere nuestro ejemplo anterior, donde R1 = 2.2 K y R2 = 22 K. El valor de R3 en esta situación debería ser aproximadamente:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 200 = 2000 Ω
Podemos elegir el valor de resistencia estándar más cercano para R3 porque el valor preciso no es necesario. En este caso se podría utilizar una resistencia de 1,8 K o de 2,2 K.
La inversión de fase creada por el circuito de la Fig. 2 puede no ser aceptable en varias situaciones. Para usar el amplificador operacional como un amplificador no inversor (o como un búfer simple), conéctelo como se ilustra en la Fig. 3 a continuación.
La ganancia en este circuito se expresa de la siguiente manera:
Apagado = 1 + R2/R1
La salida y la entrada tienen la misma polaridad y están en fase.
Tenga en cuenta que la ganancia debe ser siempre como mínimo 1 (unidad). No es posible atenuar (reducir) las señales utilizando un circuito no inversor.
La ganancia del circuito será comparativamente más fuerte si el valor de R2 es significativamente mayor que R1. Por ejemplo, si R1 = 10 K y R2 = 47 K, la ganancia del amplificador operacional será la siguiente:
Apagado = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48
Sin embargo, si R1 es significativamente mayor que R2, la ganancia solo será algo mayor que la unidad. Por ejemplo, si R1 = 100 K y R2 = 22 K, la ganancia sería:
Apagado = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22
En caso de que las dos resistencias sean idénticas (R1 = R2), la ganancia siempre sería 2. Para convencerse de esto, pruebe la ecuación de ganancia en algunos escenarios.
Una situación específica es cuando ambas resistencias se establecen en 0. En otras palabras, como se ve en la Fig. 4 a continuación, se utilizan conexiones directas en lugar de las resistencias.
La ganancia es exactamente uno en este caso. Esto se ajusta a la fórmula de ganancia:
Apagado = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
La entrada y la salida son idénticas. Las aplicaciones para este circuito seguidor de voltaje no inversor incluyen adaptación de impedancia, aislamiento y búfer.
ADDER (amplificador sumador)
Se podría agregar una cantidad de voltajes de entrada usando un amplificador operacional. Como se ilustra en la Fig. 5 a continuación, las señales de entrada V1, V2,... Vn se aplican al amplificador operacional a través de las resistencias R1, R2,... Rn.
Estas señales luego se combinan para producir la señal de salida, que es igual a la suma de las señales de entrada. La siguiente fórmula se puede utilizar para calcular el rendimiento real del amplificador operacional como sumador:
VSALIDA = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Ver el símbolo negativo. Esto significa que la salida se ha invertido (la polaridad está invertida). En otras palabras, este circuito es un sumador inversor.
El circuito se puede cambiar para que funcione como un sumador no inversor cambiando las conexiones a las entradas inversoras y no inversoras del amplificador operacional, como se ilustra en la Fig. 6 a continuación.
La ecuación de salida podría simplificarse suponiendo que todas las resistencias de entrada tienen valores idénticos.
VSALIDA = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
La figura 7 anterior muestra el circuito básico de un amplificador diferencial. Los valores de los componentes se establecen de modo que R1 = R2 y R3 = R4. Por lo tanto, el rendimiento del circuito se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
SALIDA = VIN 2 - VIN 1
Solo mientras el amplificador operacional pueda aceptar que las entradas 1 y 2 tengan impedancias diferentes (la entrada 1 tiene una impedancia de R1 y la entrada 2 tiene una impedancia de R1 más R3).
SUMA/SUSTRATOR
La Figura 8 anterior muestra la configuración de un circuito sumador/restador de amplificador operacional. En el caso de que R1 y R2 tengan los mismos valores y R3 y R4 también tengan los mismos valores, entonces:
SALIDA = (V3 + V4) - (V1 - V2)
En otras palabras, Vout = V3 + V4 es el total de las entradas V3 y V4 mientras que es la resta de las entradas V1 y V2. Los valores para R1, R2, R3 y R4 se seleccionan para que coincidan con las características del amplificador operacional. R5 debe ser igual a R3 y R4, y R6 debe ser igual a R1 y R2.
MULTIPLICADOR
Las operaciones simples de multiplicación se pueden realizar con el circuito que se ve en la Fig. 9 anterior. Tenga en cuenta que este es el mismo circuito que en la Fig. 1. Para lograr una ganancia consistente (y posteriormente una multiplicación del voltaje de entrada en la relación R2/R1) y resultados precisos, las resistencias de precisión con los valores prescritos para R1 y R2 debería ser usado. En particular, la fase de salida es invertida por este circuito. El voltaje en la salida será igual a:
VOUT = - (VIN x Apagado)
donde Av es la ganancia, determinada por R1 y R2. VOUT y VIN son los voltajes de salida y entrada, respectivamente.
Como se ve en la Fig. 10 anterior, la constante de multiplicación se puede alterar si R2 es una resistencia variable (potenciómetro). Alrededor del eje de control puede montar un dial de calibración con marcas para varias ganancias comunes. La constante de multiplicación se puede leer directamente desde este dial utilizando una lectura calibrada.
INTEGRADOR
Un amplificador operacional funcionará, como mínimo, teóricamente como un integrador cuando la entrada inversora se acopla con la salida a través de un condensador.
Como se indica en la Fig. 11 anterior, se debe conectar una resistencia en paralelo a través de este capacitor para mantener la estabilidad de CC. Este circuito implementa la siguiente relación para integrar la señal de entrada:
El valor de R2 debe seleccionarse para que coincida con los parámetros del amplificador operacional, de modo que:
SALIDA = R2/R1 x VIN
DIFERENCIADOR
El circuito amplificador operacional diferenciador incluye un capacitor en la línea de entrada que se conecta a la entrada inversora y una resistencia que conecta esta entrada a la salida. Sin embargo, este circuito tiene límites claros, por lo tanto, una configuración preferible sería poner en paralelo la resistencia y el capacitor como se ilustra en la Fig. 12 anterior.
La siguiente ecuación determina qué tan bien funciona este circuito:
VSALIDA = - (R2 x C1) dVIN/dt
AMPLIFICADORES DE REGISTRO
El circuito fundamental (Fig. 13 arriba) emplea un transistor NPN y un amplificador operacional para generar una salida proporcional al registro de la entrada:
VSALIDA = (- k log 10 ) VIE/VIE O
El circuito 'invertido', que funciona como un amplificador antilogaritmo fundamental, se representa en el diagrama inferior. Por lo general, el condensador tiene un valor bajo (por ejemplo, 20 pF).
AMPLIFICADOR DE SONIDO
Un amplificador operacional es esencialmente un amplificador de CC, pero también se puede utilizar para aplicaciones de CA. En la Figura 14 anterior se muestra un amplificador de audio sencillo.
MEZCLADOR DE SONIDO
En este circuito se muestra una modificación del amplificador de audio (Fig. 15 arriba). Puede ver cómo se parece al circuito sumador en la Fig. 5. Las diferentes señales de entrada se combinan o fusionan. El potenciómetro de entrada de cada señal de entrada permite el ajuste de nivel. El usuario puede así ajustar las proporciones relativas de las diferentes señales de entrada en la salida.
DIVISOR DE SEÑAL
El circuito divisor de señal que se ve en la Fig. 16 anterior es justo lo contrario de un mezclador. Una sola señal de salida se divide en varias salidas idénticas que alimentan varias entradas. Las múltiples líneas de señal se separan entre sí mediante este circuito. Para ajustar el nivel requerido, cada línea de salida incluye un potenciómetro separado.
CONVERTIDOR DE VOLTAJE A CORRIENTE
El circuito presentado en la Fig. 17 anterior hará que la impedancia de carga R2 y R1 experimenten el mismo flujo de corriente.
El valor de esta corriente sería proporcional al voltaje de la señal de entrada e independiente de la carga.
Sin embargo, debido a la alta resistencia de entrada proporcionada por el terminal no inversor, la corriente será de un valor relativamente bajo. Esta corriente tiene un valor que es directamente proporcional a VIN/R1.
CONVERTIDOR DE CORRIENTE A VOLTAJE
Si el voltaje de salida es igual a IIN x R2 y se usa el diseño (Fig. 18 arriba), la corriente de la señal de entrada puede fluir directamente a través de la resistencia de retroalimentación R2.
En otras palabras, la corriente de entrada se transforma en un voltaje de salida proporcional.
El circuito de polarización creado en la entrada inversora establece un límite inferior en el flujo de corriente, lo que evita que pase corriente a través de R2. Para eliminar el 'ruido', se puede agregar un capacitor a este circuito como se ilustra en la figura.
FUENTE ACTUAL
La figura 19 anterior muestra cómo se puede usar un amplificador operacional como fuente de corriente. Los valores de resistencia se pueden calcular usando las siguientes ecuaciones:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
La corriente de salida se puede evaluar utilizando la siguiente fórmula:
Salida = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRADOR
Puede adaptar un amplificador operacional para usarlo como multivibrador. La figura 20 anterior muestra dos circuitos fundamentales. El diseño en la parte superior izquierda es un multivibrador de funcionamiento libre (astable), cuya frecuencia está controlada por:
En el diagrama inferior derecho se puede ver un circuito multivibrador monoestable que se puede activar mediante una entrada de pulso de onda cuadrada. Los valores de los componentes proporcionados son para un amplificador operacional CA741.
GENERADOR DE ONDA CUADRADA
La Fig. 21 anterior muestra un circuito generador de ondas cuadradas funcional centrado alrededor de un amplificador operacional. Este circuito generador de onda cuadrada podría ser el más sencillo. Solo se necesitan tres resistencias externas y un condensador además del propio amplificador operacional.
Los dos elementos principales que determinan la constante de tiempo del circuito (frecuencia de salida) son la resistencia R1 y el capacitor C1. Sin embargo, la conexión de retroalimentación positiva basada en R2 y R3 también tiene un impacto en la frecuencia de salida. Aunque las ecuaciones suelen ser algo complicadas, se pueden simplificar para relaciones R3/R2 particulares. Por ilustracion:
Si R3/R2 ≈ 1.0 entonces F ≈ 0.5/(R1/C1)
o,
Si R3/R2 ≈ 10 entonces F ≈ 5/(R1/C1)
El método más práctico es emplear una de estas relaciones estándar y cambiar los valores de R1 y C1 para lograr la frecuencia requerida. Para R2 y R3, pueden emplearse valores convencionales. Por ejemplo, la relación R3/R2 será 10 si R2 = 10K y R3 = 100K, así:
F = 5/(R1/C1)
En la mayoría de los casos, ya seremos conscientes de la frecuencia requerida, y solo necesitaremos elegir los valores de los componentes adecuados. El método más simple es elegir primero un valor de C1 que parezca razonable y luego reorganizar la ecuación para encontrar R1:
R1 = 5/(F x C1)
Veamos un ejemplo típico de frecuencia de 1200 Hz que estamos buscando. Si C1 está conectado a un condensador de 0,22 uF, entonces R1 debería tener el valor que se muestra en la siguiente fórmula:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Se puede emplear una resistencia típica de 18K en la mayoría de las aplicaciones. Se puede agregar un potenciómetro en serie con R1 para aumentar la utilidad y adaptabilidad de este circuito, como se ilustra en la Fig. 22 a continuación. Esto hace posible ajustar manualmente la frecuencia de salida.
Para este circuito, se utilizan los mismos cálculos, sin embargo, el valor de R1 se cambia para que coincida con la combinación en serie de la resistencia fija R1a y el valor ajustado del potenciómetro R1b:
R1 = R1a + R1b
La resistencia fija se inserta para garantizar que el valor de R1 nunca caiga a cero. El rango de frecuencias de salida está determinado por el valor fijo de R1a y la resistencia más alta de R1b.
GENERADOR DE ANCHO DE IMPULSO VARIABLE
Una onda cuadrada es totalmente simétrica. El ciclo de trabajo de la señal de onda cuadrada se define como la relación entre el tiempo de alto nivel y el tiempo total del ciclo. Las ondas cuadradas tienen un ciclo de trabajo de 1:2 por definición.
Con solo dos componentes más, el generador de ondas cuadradas de la sección anterior puede transformarse en un generador de ondas rectangulares. La Fig. 23 anterior muestra el circuito actualizado.
El diodo D1 restringe el paso de corriente a través de R4 en semiciclos negativos. R1 y C1 componen la constante de tiempo como se expresa en la siguiente ecuación:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Sin embargo, en semiciclos positivos, se permite que el diodo conduzca, y la combinación en paralelo de R1 y R4 junto con C1 define la constante de tiempo, como se muestra en el siguiente cálculo:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
La duración total del ciclo es solo el total de las dos constantes de tiempo de medio ciclo:
Tt = T1 + T2
La frecuencia de salida es la inversa de la constante de tiempo total de todo el ciclo:
F = 1/Tt
Aquí el ciclo de trabajo no será igual a 1:2 porque la constante de tiempo para las secciones de nivel alto y bajo del ciclo será diferente. Como resultado, se producirán formas de onda asimétricas. Es posible hacer que R1 o R4 sean ajustables, o incluso ambos, pero tenga en cuenta que hacerlo cambiaría tanto la frecuencia de salida como el ciclo de trabajo.
OSCILADOR DE ONDA SINusoidal
La onda sinusoidal, que se muestra en la figura 24 a continuación, es la más básica de todas las señales de CA.
No hay absolutamente ningún contenido armónico en esta señal extremadamente pura. Solo hay una frecuencia fundamental en una onda sinusoidal. En realidad, crear una onda sinusoidal completamente pura y sin distorsiones es bastante difícil. Afortunadamente, usando un circuito oscilador construido alrededor de un amplificador operacional, podemos acercarnos bastante a una forma de onda óptima.
La Fig. 25 anterior muestra un circuito oscilador de onda sinusoidal convencional que incorpora un amplificador operacional. Un circuito de doble T que sirve como filtro de rechazo de banda (o muesca) sirve como red de retroalimentación. El condensador C1 y las resistencias R1 y R2 forman una T. C2, C3, R3 y R4 forman la otra T. El esquema lo tiene invertido. Los valores de los componentes deben tener las siguientes relaciones para que este circuito funcione correctamente:
La siguiente fórmula determina la frecuencia de salida:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Al cambiar el valor de R4, el ajuste de la red de retroalimentación twin-T podría modificarse un poco. Por lo general, esto podría ser un pequeño potenciómetro de ajuste. El potenciómetro se ajusta a su resistencia más alta y luego se reduce gradualmente hasta que el circuito flota al borde de la oscilación. La onda sinusoidal de salida puede corromperse si la resistencia se ajusta demasiado baja.
SCHMITT TRIGGER
Técnicamente hablando, un disparador Schmitt puede denominarse un comparador regenerativo. Su función principal es transformar un voltaje de entrada que está cambiando lentamente en una señal de salida, a un voltaje de entrada particular.
Para decirlo de otra manera, tiene una propiedad de 'contragolpe' llamada histéresis que funciona como un 'disparador' de voltaje. El amplificador operacional se convierte en el bloque de construcción básico para la operación del disparador Schmitt (ver Fig. 26 arriba). Los siguientes factores determinan la tensión de disparo o disparo:
EN viaje = (V afuera x R1) / (-R1 + R2)
En este tipo de circuito, la histéresis es el doble del voltaje de disparo.
En la Fig. 27 a continuación, se representa otro circuito disparador Schmitt. En este circuito, se dice que la salida se 'dispara' cuando la entrada de CC alcanza aproximadamente una quinta parte del voltaje de suministro.
El voltaje de suministro puede estar entre 6 y 15 voltios, por lo tanto, dependiendo del voltaje de suministro elegido, el gatillo puede configurarse para operar entre 1,2 y 3 voltios. Si es necesario, el punto de activación real también podría alterarse modificando el valor de R4.
La salida será la misma que la tensión de alimentación tan pronto como se active. Si la salida está conectada a una bombilla incandescente o LED (a través de una resistencia de balasto en serie), la lámpara (o LED) se iluminará una vez que el voltaje de entrada alcance el valor de activación, lo que indica que se ha alcanzado este nivel de voltaje preciso en la entrada.
Terminando
Entonces, estos fueron algunos circuitos básicos de amplificadores operacionales con sus parámetros explicados. Espero que haya entendido todas las características y fórmulas relacionadas con un amplificador operacional.
Si tiene algún otro diseño de circuito de amplificador operacional básico que cree que debe incluirse en el artículo anterior, no dude en mencionarlo a través de sus comentarios a continuación.
