¿Qué son los amplificadores operacionales?
Los amplificadores operacionales son los componentes básicos de Circuitos electrónicos analógicos . Son dispositivos lineales con todas las propiedades de un amplificador de CC. Podemos usar resistencias o condensadores externos para el amplificador operacional de muchas formas diferentes para hacerlos diferentes formas de amplificación, como amplificador inversor, amplificador no inversor, seguidor de voltaje, comparador, amplificador diferencial, amplificador sumador, integrador, etc.Los OPAMP pueden ser individuales, duales, cuádruples, etc. Los OPAMP como CA3130, CA3140, TL0 71, LM311, etc. tienen un rendimiento excelente con una corriente y voltaje de entrada muy bajos. El amplificador operacional ideal tiene tres terminales importantes además de otros terminales. Los terminales de entrada son entrada inversora y entrada no inversora. El tercer terminal es la salida que puede hundirse y generar corriente y voltaje. La señal de salida es la ganancia de los amplificadores multiplicada por el valor de la señal de entrada.
5 personajes ideales de un amplificador operacional:
1. Ganancia de lazo abierto
La ganancia de bucle abierto es la ganancia del amplificador operacional sin una retroalimentación positiva o negativa. Un amplificador operacional ideal debe tener una ganancia de bucle abierto infinito, pero normalmente oscila entre 20.000 y 2.00.000.
2. Impedancia de entrada
Es la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada. Debe ser infinito sin ninguna fuga de corriente desde el suministro a las entradas. Pero habrá algunas fugas de corriente de pico amperio en la mayoría de los amplificadores operacionales.
3. Impedancia de salida
El amplificador operacional ideal debe tener impedancia de salida cero sin ninguna resistencia interna. Para que pueda suministrar la corriente completa a la carga conectada a la salida.
4. Ancho de banda
El amplificador operacional ideal debe tener una respuesta de frecuencia infinita para que pueda amplificar cualquier frecuencia, desde señales de CC hasta las frecuencias de CA más altas. Pero la mayoría de los amplificadores operacionales tienen un ancho de banda limitado.
5. Compensación
La salida del amplificador operacional debe ser cero cuando la diferencia de voltaje entre las entradas es cero. Pero en la mayoría de los amplificadores operacionales, la salida no será cero cuando esté apagada, sino que habrá un voltaje de un minuto.
Configuración del pin OPAMP:
En un amplificador operacional típico habrá 8 pines. Estos son
Pin1 - Desplazamiento nulo
Pin2 - Entrada inversora INV
Pin3 - Entrada no inversora No INV
Pin4 - Tierra - Suministro negativo
Pin5 - Desplazamiento nulo
Pin6 - Salida
Pin7 - Suministro positivo
Pin8 - Estroboscópico
4 tipos de ganancia en OPAMP:
Ganancia de voltaje: entrada y salida de voltaje
Ganancia de corriente: entrada y salida de corriente
Transconductancia: entrada de tensión y salida de corriente
Resistencia trans: entrada y salida de tensión
Funcionamiento de un amplificador operacional:
Aquí usamos un amplificador operacional de LM358. Por lo general, se debe proporcionar una entrada no inversora a una polarización y la entrada inversora es el amplificador real conectado a una retroalimentación de resistencia de 60k desde la salida a la entrada. Y un resistor de 10k se conecta en serie con un condensador y se le da al circuito un suministro de onda sinusoidal de 1V, ahora veremos cómo la ganancia será gobernada por R2 / R1 = 60k / 10k = 6 ganancia, entonces la salida es 6V . Si cambiamos la ganancia en 40, entonces la salida es 4V de onda sinusoidal.
Video sobre el funcionamiento del amplificador operacional
Normalmente, es un amplificador de fuente de alimentación dual, que se configura fácilmente para una sola fuente de alimentación mediante el uso de una red resistente. En esto, el resistor R3 y R4 colocan un voltaje de la mitad del voltaje de suministro a través de la entrada no inversora, lo que hace que el voltaje de salida también sea la mitad del voltaje de suministro, formando una especie de resistencia al voltaje de polarización. R3 y R4 pueden tener cualquier valor de 1k a 100k pero en todos los casos deberían ser iguales. Se ha agregado un condensador adicional de 1 F a la entrada no inversora para reducir el ruido causado por la configuración. Se requiere el uso de condensadores de acoplamiento para entrada y salida para esta configuración.
3 aplicaciones OPAMP:
1. Amplificación
La señal de salida amplificada del amplificador operacional es la diferencia entre las dos señales de entrada.
El diagrama que se muestra arriba es la conexión simple del amplificador operacional. Si ambas entradas reciben el mismo voltaje, el amplificador operacional tomará la diferencia entre los dos voltajes y será 0. El amplificador operacional multiplicará esto con su ganancia 1,000,000 para que el voltaje de salida sea 0. Cuando 2 voltios es dado a una entrada y 1 voltio en la otra, entonces el amplificador operacional tomará su diferencia y se multiplicará por la ganancia. Eso es 1 voltio x 1,000,000. Pero esta ganancia es muy alta, por lo que para reducir la ganancia, la retroalimentación de la salida a la entrada generalmente se realiza a través de una resistencia.
Amplificador inversor:
El circuito que se muestra arriba es un amplificador inversor con la entrada no inversora conectada a tierra. Dos resistencias R1 y R2 están conectadas en el circuito de tal manera que R1 alimenta la señal de entrada mientras R2 devuelve la salida a la entrada inversora. Aquí, cuando la señal de entrada es positiva, la salida será negativa y viceversa. El cambio de voltaje en la salida en relación con la entrada depende de la relación de las resistencias R1 y R2. R1 se selecciona como 1K y R2 como 10K. Si la entrada recibe 1 voltio, habrá 1 mA de corriente a través de R1 y la salida tendrá que convertirse en - 10 voltios para suministrar 1 mA de corriente a través de R2 y mantener el voltaje cero en la entrada inversora. Por lo tanto, la ganancia de voltaje es R2 / R1. Eso es 10K / 1K = 10
Amplificador no inversor:
El circuito que se muestra arriba es un amplificador no inversor. Aquí la entrada no inversora recibe la señal mientras que la entrada inversora está conectada entre R2 y R1. Cuando la señal de entrada se mueve ya sea positiva o negativa, la salida estará en fase y mantendrá el voltaje en la entrada inversora igual que el de la entrada no inversora. La ganancia de voltaje en este caso será siempre superior a 1, por lo que (1 + R2 / R1).
2. Seguidor de voltaje
El circuito de arriba es un seguidor de voltaje. Aquí proporciona alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida. Cuando cambia el voltaje de entrada, la salida y la entrada inversora cambiarán igualmente.
3. Comparador
El amplificador operacional compara el voltaje aplicado en una entrada con el voltaje aplicado en la otra entrada. Cualquier diferencia entre los voltajes, si es pequeña, hace que el amplificador operacional se sature. Cuando los voltajes suministrados a ambas entradas son de la misma magnitud y la misma polaridad, entonces la salida del amplificador operacional es de 0 voltios.
Un comparador produce voltajes de salida limitados que pueden interactuar fácilmente con la lógica digital, aunque es necesario verificar la compatibilidad.
Video sobre amplificador operacional como diagrama de circuito comparador
Aquí tenemos un amplificador operacional utilizado como comparador con los terminales inversores y no inversores y conectado un divisor de potencial y un medidor y un voltímetro en la salida y LED a La salida. La fórmula básica para el comparador es que cuando '+' es más que '-' entonces la salida es alta (uno), de lo contrario la salida es cero. Cuando el voltaje en la entrada negativa está por debajo del voltaje de referencia, la salida es alta y cuando la entrada negativa supera el voltaje en el positivo, la salida baja.
3 Requisitos para OPAMP:
1. Anulación de compensación
La mayor parte del OPAMP tiene un voltaje de compensación en la salida, incluso si los voltajes de entrada son los mismos. Para hacer la salida a voltaje cero, se utiliza el método de anulación de compensación. En la mayoría de los amplificadores operacionales hay una pequeña compensación debido a su propiedad inherente y resulta de los desajustes en la disposición de polarización de entrada. Por lo tanto, hay disponible un pequeño voltaje de salida en la salida de algunos amplificadores operacionales, incluso si la señal de entrada es cero. Este inconveniente se puede rectificar proporcionando una pequeña tensión de compensación a las entradas. Esto se conoce como voltaje de compensación de entrada. Para eliminar o anular la compensación, la mayoría de los amplificadores operacionales tienen dos pines para habilitar la anulación de compensación. Para esto, un Pot o Preset con un valor típico de 100K debe conectarse entre los pines 1 y 5 con su Wiper al suelo. Al ajustar el valor predeterminado, la salida se puede establecer en voltaje cero.
2. Compensación estroboscópica o de fase
Los amplificadores operacionales pueden volverse inestables a veces y, para hacerlos estables para todas las bandas de frecuencia, generalmente se conecta un Cap entre su pin 8 y pin1 de Strobe. Por lo general, se agrega un condensador de disco de 47pF para compensación de fase para que el OpAmp permanezca estable. Esto es más importante si el OpAmp se utiliza como un amplificador sensible.
3. Realimentación
Como sabe, el Op-Amp tiene un nivel de amplificación muy alto, por lo general alrededor de 1,000,00 veces. Suponga que el amplificador operacional tiene una ganancia de 10,000, entonces el amplificador operacional amplificará la diferencia de voltaje en su entrada no inversora (V +) y entrada inversora (V-). Entonces el voltaje de salida V out es
10,000 x (V + - V-)
En el diagrama, la señal se aplica a la entrada no inversora y en la entrada inversora se conecta a la salida. Entonces V + = V in y V- = Vout. Por lo tanto, Vout = 10,000 x (Vin - Vout). Por tanto, el voltaje de salida es casi igual al voltaje de entrada.
Ahora veamos cómo funciona la retroalimentación. Simplemente agregando una resistencia entre la entrada inversora y la salida reducirá la ganancia considerablemente. Al llevar una fracción del voltaje de salida a la entrada inversora se puede reducir considerablemente la amplificación.
Según la ecuación anterior, V out = 10,000 x (V + - V-). Pero aquí se agrega una resistencia de retroalimentación. Entonces, aquí V + es Vin y V- es R1.R1 + R2 x V out. Por lo tanto, V out es 10,000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Entonces V out = R1 + R2.R1x Vin
Retroalimentación negativa:
Aquí la salida del amplificador operacional está conectada a su entrada inversora (-), por lo que la salida se retroalimenta a la entrada para alcanzar un equilibrio. Por lo tanto, la señal de entrada en la entrada no inversora (+) se reflejará en la salida. El amplificador operacional con retroalimentación negativa conducirá su salida al nivel necesario y, por lo tanto, la diferencia de voltaje entre sus entradas inversoras y no inversoras será casi cero.
Retroalimentación positiva:
Aquí, el voltaje de salida se retroalimenta a la entrada No inversora (+). La señal de entrada se alimenta a la entrada inversora. En el diseño de retroalimentación positiva, si la entrada inversora está conectada a tierra, entonces el voltaje de salida del amplificador operacional dependerá de la magnitud y polaridad del voltaje en la entrada no inversora. Cuando el voltaje de entrada es positivo, entonces la salida del amplificador operacional será positiva y este voltaje positivo se alimentará a la entrada no inversora, lo que dará como resultado una salida totalmente positiva. Si el voltaje de entrada es negativo, entonces la condición se revertirá.
Una aplicación de amplificadores operacionales: preamplificador de audio
Filtros y preamplificadores:
Los amplificadores de potencia vendrán después de los preamplificadores y antes de los altavoces. Los reproductores de CD y DVD modernos no necesitan preamplificadores. Necesitan control de volumen y selectores de fuente. Usando controles de conmutación y volumen pasivo podemos evitar los preamplificadores.
Tengamos un breve acerca de los amplificadores de potencia de audio.
El amplificador de potencia es un componente que puede impulsar los altavoces convirtiendo la señal de bajo nivel en una señal grande. El trabajo de los amplificadores de potencia es producir voltaje y corriente relativamente altos. Comúnmente, el rango de ganancia de voltaje está entre 20 y 30. Los amplificadores de potencia tienen una resistencia de salida muy baja.
Especificaciones del amplificador de potencia de audio
- Potencia máxima de salida:
El voltaje de salida es independiente de la carga, tanto para señales pequeñas como grandes. El voltaje dado aplicado a la carga causa el doble de corriente. Por lo tanto, se entregará el doble de potencia. La potencia nominal es la potencia de onda sinusoidal media continua, de modo que la potencia se puede medir empleando una onda sinusoidal cuyo voltaje RMS se mide a largo plazo.
- Respuesta frecuente:
La respuesta de frecuencia debe extender la banda de audio completa de 20 Hz a 20 KHz. La tolerancia a la respuesta de frecuencia es ± 3db. La forma convencional de especificar el ancho de banda es un amplificador en 3db desde el nominal 0db.
- Ruido:
Los amplificadores de potencia deben producir un bajo nivel de ruido cuando los amplificadores de potencia se utilizan con altas frecuencias. El parámetro de ruido puede estar ponderado o no ponderado. El ruido no ponderado se especificará en un ancho de banda de 20 KHz. En función de la sensibilidad del oído, se tendrá en cuenta la especificación de ruido ponderado. La medición de ruido ponderado tiende a atenuar el ruido a frecuencias más altas, por lo que la medición de ruido ponderado es bastante mejor que la medición de ruido no ponderado.
- Distorsión:
La distorsión armónica total es la distorsión común generalmente especificada a diferentes frecuencias. Esto se especificará a un nivel de potencia que se proporciona con la impedancia de carga de activación del amplificador de potencia.
