Definición de Amplificador Operacional, Configuración Básica de un sumador según un Amplificador Operacional, Configuración Básica de un Restador según un Amplificador Operacional, Configuración Básica de un Inversor según un Amplificador Operacional, Con
Introducción:
El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito
general el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una
frecuencia definida por el fabricante; tiene además limites de señal que van
desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también
definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales caracterizan por
su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105
equivalentes a 100 dB.
El A.O. es un amplificador de alta
ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes
positivas y negativas, la cual permite que tenga excursiones tanto por arriba
como por debajo tierra (o el punto de referencia que se considere).
El nombre de amplificador operacional
proviene de una de las utilidades básicas de este, como lo son realizar
operaciones matemáticas en computadores analógos.
1. Definición de Amplificador Operacional.
Un “amp
op” es un amplificador diferencial que puede ser modelado por el circuito de
dos puertas que aparece en la siguiente figura (1). Lo que lo caracteriza como
un amplificador operacional es su elevada ganancia de voltaje una A de 100000 o
superior. Por lo tanto, sólo se requieren aproximadamente 50 mV en vi para producir v0 = 5
V.
Figura No. 1
En
la figura (2) aparece el símbolo correspondiente a un amplificador operacional.
A diferencia del modelo, el amplificador operacional no está en realidad
conectado a tierra. Sin embargo, sí está conectado a una fuente de voltaje
positivo y negativo, estableciendo en efecto una “tierra” aproximadamente a
mitad entre los suministros. Estos son típicamente de +15 V y –15 V, puro
pueden ser de +5 V y –5V. Los terminales “más” y “menos” a la entrada del
amplificador operacional indican la polaridad de vi que hace positivo a v0.
Figura No. 2
Las conexiones de la
fuente de energía con frecuencia no aparecen en los símbolos de los amplificadores
operacionales. Los voltajes exactos de funcionamiento no son importantes para
la operación de los amplificadores operacionales, en tanto el voltaje de señal
no exceda de los suministrados.
Un amplificador
operacional ideal tendría ganancia infinita y ninguna corriente de entrada, y
la salida v0 no sería afectada por ninguna carga. Estas propiedades
pueden resumirse como
A = ¥, Rentr.= ¥, Rsal..=
0
Un
“amp op” ideal tiene otras propiedades, tales como un ancho de banda infinito,
un intervalo de voltajes infinito a la entrada y la salida. Pero la propiedad
más importante para simplificar las ideas de diseño es A = ¥. En la práctica esto no puede
lograrse, pero el análisis basado en un modelo con ganancia infinita conduce a
un acuerdo excelente en cuanto a la actuación real en la mayoría de los casos.
El Amplificador
Operacional ideal se caracteriza por:
1.
Resistencia de entrada, (Ren), tiende a infinito.
2.
Resistencia de salida, (Ro), tiende a cero.
3.
Ganancia de tensión de lazo abierto, (A), tiende a
infinito.
4.
Ancho de banda (BW), tiende a infinito.
5.
Vo = 0, cuando V+ = V-,
Ya que la resistencia de entrada, Ren, es infinita,
la corriente en cada entrada , inversora y no inversora, es cero. Además el
hecho de que la ganancia de lazo abierto sea infinita hace que la tensión entre
las dos terminales sea cero, como es muestra a continuación:
V+ - V-
= Vo
A
V+ - V- = 0
V+ = V-
2. Configuración Básica de un sumador según
un
Amplificador Operacional.
Es probable que el más útil de los circuitos
de “amp-op” utilizados en computadoras analógicas sea el circuito amplificador sumador.
La figura (3) muestra un circuito sumador de tres entradas, el cual brinda un
medio para sumar (añadir) algebraicamente voltajes de tres entradas, cada uno
multiplicado por un factor de ganancia constante.
Figura No. 3
Amplificador Sumador
Si se utiliza el circuito equivalente virtual, el
voltaje de salida puede expresarse en términos de entrada como:
Vo = (Rf/R1)V1 + (RF/R2)V2 + (Rf/R3)V3
|
En otras palabras, cada entrada añade un voltaje a la salida
conforme se obtiene de un circuito de ganancia constante inversor. Si se
emplean más entradas, ellas añaden componentes adicionales a la salida.
Un ejemplo
del amplificador sumador es el circuito que aparece en la figura (4).
Figura No. 4
Este circuito puede usarse para
combinar o mezclar señales de audio. Las fuentes V1, V2 y V3 determinan las
corrientes i1,i2 e i3 a través de sus respectivas resistencias a tierra (se
trata de una tierra “virtual” establecida por el corto virtual del amp-op).
Cada corriente es proporcional a su correspondiente voltaje, por ejemplo, i1 =
V1/(1KW). Aplicando la LKC, la corriente i4 que pasa por el resistor de
realimentación de 3KW es la suma de estas corrientes:
I4 = i1 + i2 + i3 = (V1 + V2 + V3)/1KW.
Pero Vo = 3KW
* i4. Por lo tanto,
Vo = -3 (V1 + V2 + V3).
El voltaje de salida es la
suma de los voltajes de entrada a los que se agrega alguna ganancia.
3. Configuración Básica de un Restador según un
Amplificador Operacional.
Algunas aplicaciones requieren que se
amplifique la “diferencia” entre dos voltajes. Este es el caso de un sistema de
control en el que el comparador tom a la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de retroalimentación.
Otro ejemplo es el que se encuentra en las aplicaciones de biomedicina, en las
que se realiza una medición de la diferencia de voltaje entre dos puntos del
cuerpo del paciente. En Estos casos la configuración diferencial del amp-op que
aparece en la figura (5) es la requerida. Si se pone a tierra V1, entonces V2
contempla una configuración inversora. Si se pone a tierra V1 (por medio de un
divisor de voltaje), verá una configuración no inversora. Un análisis basado en
el método de la superposición nos da el resultado:
Vo = (R2/R1)(V1-V2).
Figura No. 5
Amplificador en Configuración
Diferencial
El punto de importancia en este caso es que la salida depende solamente
de la “diferencia” entre los voltajes de entrada. Si estos voltajes se mueven
juntos arriba y abajo, no hay efecto que se observe a la salida. Esto se
denomina rechazo
por modo común.
4. Configuración Básica de un Inversor
según un
Amplificador Operacional.
Un
amplificador con ganancia infinita no es muy útil en si. La utilidad de los
“amp op” procede de incluirlos en otros elementos que determinan la respuesta
del circuito. En la figura (6) se utiliza un amplificador operacional junto con
dos resistores para integrar un amplificador con ganancia –3.
Figura No. 6
En
todas las aplicaciones lineales del “amp op” la salida ésta conectada de alguna
forma al terminal “menos” de entrada, por conducto de R2 en este
caso. Esto da como resultado una realimentación negativa. En estas condiciones
el amplificador actúa logrando que el voltaje de entrada v1 se hace
negativo, llevando al terminal “menos” ligeramente debajo de “tierra”. Entonces
vi se hace positivo, volviendo a v0 también positivo; lo
bastante positivo para elevar el terminal “menos” de forma que Vi es cero de
nuevo. Debido a que la ganancia (ideal) es infinita, ni siquiera un pequeño
voltaje puede mantenerse en Vi.
Esto tiene la mayor importancia para
comprender un circuito con amplificador operacional: el voltaje entre los dos terminales de
entrada del amplificador es cero. Esto es un logro nada trivial
porque se obtiene sin sacar ninguna corriente a la entrada del “amp op”. Por
ejemplo, en el circuito de la figura (6) se podrían tener cero volts de tierra
a la unión de R1 y R2, poniendo simplemente en corto y a tierra dicha junta.
Pero esto sacaría corriente a través del corto, perturbándose así la operación
del circuito. El amplificador operacional no toma corriente (idealmente) por
sus terminales de entrada.
La esencia de la operación del “amp op”
se capta mediante un elemento imaginario llamado cortocircuito virtual. Este
elemento tiene la propiedad de contar
al mismo tiempo con cero volts a través del mismo y cero corriente a lo largo
del mismo. (Véase figura 7).
Figura No. 7
5. Configuración Básica de un Comparador
según un
Amplificador Operacional.
Un comparador analiza una señal de voltaje en una entrada respecto a un
voltaje de referencia en la otra entrada. El amplificador operacional de
propósito general se utiliza como sustituto de los CI diseñados específicamente
para aplicaciones de comparación.
Desafortunadamente, el voltaje de salida del amplificador operacional
no cambia con mucha velocidad. Además sus salida cambia, entre los límites
fijados por los voltajes de saturación, +Vsat y - Vsat,
alrededor de ± 13 V. Por tanto, su
salida no puede alimentar dispositivos, como los CI de lógica digital TTL, que
requieren niveles de voltaje entre 0 y +5 V.
Tanto el amplificador operacional de propósito general como el
comparador no operan con propiedad si hay ruido en cualquier entrada. Para
resolver este problema, se aprenderá como con agregar retroalimentación
positiva se resuelve el problema de ruido. Obsérvese que la retroalimentación
positiva no elimina el ruido; pero, hace que el amplificador operacional
responda menos a él.
La manera más simple de construir un comparador consiste en conectar un
amplificador operacional sin resistores de retroalimentación, como se ve en la
fig (a). Cuando la entrada inversora esta aterrizada, el más pequeño voltaje
(de fracciones de Milivolts) es suficiente para saturarlos. Si A es la ganancia
de voltaje diferencial del amp-op, el voltaje de entrada mínimo que produce saturación es:
a)
Amplificador operacional utilizado como
comparador.
b) Característica de transferencia de un
amplificador operacional.
6.
Configuración de un Generador de Onda Cuadrada:
La onda cuadrada es una forma de onda periódica, producida por un
oscilador (circuito generador de ondas). Los osciladores se aplican a los
generadores de tono para música electrónica, relojes para computadores o
marcadores de tiempo “timers”, portadoras para los sistemas de comunicación
para los circuitos de energía.
Podemos
modificar el disipador Schmitt para hacer un oscilador que genere una onda
cuadrada..
7.
Configuración de un Generador de Onda Sinusoidal:
La onda sinusoidal:
V(t) = Vm sen wt (a)
La cual se
representa en la figura (8). La amplitud de la senoidal es Vm, la cual es el
máximo valor que la función alcanza. La frecuencia en radianes o frecuencia
ondular, es w, medida en
radianes por segundo (rad/s).
Figura No.8
Función Senoidal
La senoidal es
una función periódica, definida en general por la propiedad:
n (r + T) = n (t) (b)
donde t es el
periodo. Esto es, la función pasa a través de un ciclo completo o periodo, a
partir del cual se repite cada T
segundos. En el caso da la senoidal, el periodo es:
T = 2p
w (c)
como se puede
ver a partir de (a) y (b). Así en 1 seg. La función pasa a través de 1/T
ciclos, o periodos. Su frecuencia es entonces:
f = 1 = w (d)
T 2p
ciclos por
segundo, o hertz (Hz). Este último término, es ahora la unidad estándar de la
frecuencia. La relación entre frecuencia y frecuencia en radianes se ve en (d)
que es
w
= 2pf (e)
Una expresión senoidal más general está dada
por
n(t)
= Vm sen(wt +f) (f)
donde f
es el ángulo de fase, o simplemente la fase. Para ser consistentes, puesto que wt
está en radianes, f debiera expresarse en radianes. Sin embargo, en
ingeniería eléctrica a menudo es conveniente especificar f
en grados.
El la figura (9) se muestra un trazo de (f)
mediante la línea contínua, a lo largo de un trazo de (a) en línea discontínua.
La curva en línea contínua desplazada f/w
segundos, o f radianes a la
izquierda. Por tanto, los puntos de la curva en línea continua, tales
como sus picos, ocurren en f rad o f/w
seg., antes que los puntos correspondientes de la línea discontinua.
Figura No. 9
Dos senoidales con
fases diferentes
A consecuencia de lo anterior, diremos que , Vm.sen(wt+f)
adelantada a Vm sen wt
en f rad. (o grados). En general la senoidal
n1 =
Vm sen (wt
+ a)
adelanta a la senoidal
n2 =
Vm2 sen (wt
+ b)
en a
- b.
Una expresión equivalente es es n2
se atrasa n1 en a - b.
Ejemplo:
n1
= 4 sen (2t + 30°)
y
n2 =
6 sen (2t - 12°)
Entonces n1
adelante a n2 (o n2 se atrase de n1)
en 30 – (-12) = 42°.
Hasta
ahora se han considerado funciones seno y no funciones coseno al definir
senoidales. No importa qué forma se utilice puesto que
Cos(wt - p/2
) = sen wt
(g)
O bien
Cos (wt + p/2
) = cos wt
(h)
La única
diferencia entre senos y cosenos es el ángulo de fase. Podemos podemos escribir
(f) como
n(t) =
Vm cos (wt
+ f
+ p/2).
8. Configuración Básicas de las compuertas
Lógicas según
transistor- transistor (TTL)
La compuerta original básica TTL fue una
mejora ligera sobre la compuerta DLT. Conforme progresó la tecnología TTL, se
agregaron mejoras adicionales al punto en que esta familia lógica llego a ser
el tipo de uso mas amplio en el diseño de sistemas digitales. Hay muchas
versiones de la compuerta básica TTL. Los nombres y características de cinco
versiones aparecen en la siguiente tabla, junto con sus valores de retardo, de propagación , disipación de potencia
y producto velocidad-potencia.
|
Nombre
|
Abreviatura
|
Retardo de propagación
(ns)
|
Disipación de potencia (mW)
|
Producto potencia-velocidad
(pj)
|
Monografías
