Fundamentos de los amplificadores operacionales

En este tutorial, aprenderá sobre los amplificadores operacionales en general, sus características, algunas aplicaciones y los conceptos básicos de los amplificadores operacionales importantes.

Los amplificadores operacionales o simplemente amplificadores operacionales son uno de los componentes electrónicos más frecuentes y ampliamente utilizados. Son los componentes principales de los circuitos analógicos y se utilizan en una amplia gama de instrumentos de consumo, industriales y científicos.

Introducción

Un amplificador operacional, comúnmente conocido como amplificador operacional, es un amplificador de voltaje diferencial de dos entradas y una sola salida caracterizado por alta ganancia, alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.

Los amplificadores operacionales se llaman así porque tienen su origen en los ordenadores analógicos y se utilizaban principalmente para realizar operaciones matemáticas.

Dependiendo del circuito de retroalimentación y la polarización, el amplificador operacional también puede realizar operaciones de cálculo como suma, resta, multiplicación, división, negación y, curiosamente, diferenciación e integración.

Hoy en día, los amplificadores operacionales son muy populares como bloques de construcción para circuitos electrónicos. Los amplificadores operacionales se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluida la amplificación de señales de CA y CC, filtros, osciladores, reguladores de voltaje y comparadores, así como en la mayoría de los dispositivos industriales y de consumo.

Los amplificadores operacionales son altamente independientes de los cambios de temperatura y las variaciones de fabricación, lo que los hace ideales como bloques de construcción para circuitos electrónicos.

El circuito básico del amplificador operacional se muestra en la figura anterior. Un amplificador operacional tiene una etapa de entrada para un amplificador diferencial y una etapa de salida para un seguidor de emisor. Un circuito práctico de amplificador operacional es mucho más complejo que el circuito básico de amplificador operacional descrito anteriormente.

Los transistores Q1 y Q2 forman un amplificador diferencial, y el voltaje de entrada diferencial se aplica a los terminales base de Q1 y Q2. El transistor Q3 actúa como seguidor del emisor y proporciona una baja impedancia de salida.

Circuito amplificador operacional básico V_fuera se da como sigue,

V_fuera =V_CC -V_Rc – V_BE3

VOUT = VCC – IC2RC – VBE

Donde: V_Rc es el voltaje a través de la resistencia R._C y V_BE3 es el voltaje base-emisor del transistor Q3.

Supongamos que los transistores Q1 y Q2 son transistores coincidentes, es decir, V son iguales_Necesario Ganancia de corriente igual al nivel. Si los terminales base de ambos transistores están conectados a tierra, la corriente del emisor I_E1 Y yo estoy_E2 es igual a I_E1 Y yo estoy_E2 Resistencia común de flujo RE. La corriente del emisor viene dada por la siguiente ecuación:

Yo_E1 Tecla + I_E2 =V_re /R (R)_E

Si las bases Q1 y Q2 están conectadas a tierra,

0 – V_Necesario -V_re +V_EE = 0

es decir, V_re =V_EE – V_Necesario

Por lo tanto,_E1 Tecla + I_E2 = (V_EE – V_Necesario/R_E

Cuando se aplica un voltaje positivo al terminal de entrada no inversor, el voltaje de entrada tira de la base de Q1 hacia arriba y su pin emisor sigue la señal de entrada. Dado que los emisores de Q1 y Q2 están conectados entre sí, el emisor de Q2 también es atraído hacia arriba por la entrada positiva del terminal no inversor.

Debido a que la base de Q2 está conectada a tierra, el voltaje positivo de su emisor reduce el voltaje base-emisor V_BE2 . Disminución de V_BE2 Causas de la corriente del emisor I_E2 Disminuyó, y como resultado,_C2 también ha disminuido.

La entrada positiva en el pin #3 da una salida positiva, de ahí el nombre de terminal de entrada no inversora.

Símbolos del amplificador operacional

Nota:

• Cuando se aplica una señal de entrada a un terminal de entrada y, a continuación, al otro terminal de entrada conectado a tierra, este comportamiento se denomina “de un solo extremo”.
• En el funcionamiento de un solo extremo, se aplica una sola entrada y ambos transistores son impulsados por una conexión de emisor común. Por lo tanto, la salida resultante es impulsada por ambos colectores.
• Cuando se aplican dos señales de entrada a dos terminales de entrada, el comportamiento se denomina “de doble extremo”.
• En la operación de doble extremo, la diferencia entre las entradas aplicadas a los dos terminales de entrada impulsa el transistor, y la salida resultante es impulsada por ambos colectores.
• Si se aplica la misma entrada a ambas entradas, el comportamiento se denomina “modo común”. En el funcionamiento en modo común, se introduce una señal de entrada común en ambos terminales de entrada, de modo que cada colector produce la señal opuesta.
• Estas señales se cancelan y la señal de salida se pone a cero. En la práctica, las señales opuestas no se anulan completamente entre sí, y se emite una pequeña señal.

Amplificador diferencial basado en transistores

Todos los amplificadores operacionales constan de un amplificador diferencial en la etapa de entrada. Si se aplican dos señales de voltaje diferentes a los dos terminales de entrada de un amplificador operacional, la señal de salida resultante es proporcional a la “diferencia” entre las dos señales.

Por lo tanto, el amplificador diferencial amplifica la diferencia entre los dos voltajes medidos contra una referencia común. La etapa de amplificación diferencial del amplificador operacional se muestra en la siguiente figura.

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. El amplificador diferencial tiene dos terminales de salida, V_O1 y V_O2 .

Idealmente, si ambas entradas son iguales, el voltaje de salida es cero. Si Vi1 es mayor que Vi2, entonces el puerto de salida V_O1 será positivo, y V será V_O2 será negativo. Cuando V_i2 Mayor que V_i1, Terminal de salida V_O2 es positiva con respecto a V._O1.

Salida V_O El

V_O = A_D (V_i1 – V_i2)

Aquí_D es la ganancia diferencial.

El amplificador diferencial se puede configurar de cuatro maneras:

• Amplificador diferencial de salida balanceada de doble entrada
• Amplificador diferencial de salida no balanceada de doble entrada
• Amplificador diferencial de salida balanceada de una sola entrada
• Amplificador diferencial de salida no balanceada de una sola entrada

Ganancia de modo común

Cuando se aplica la misma señal de voltaje de entrada a ambos terminales de entrada, la operación se denomina operación de “modo común”. Las señales de modo común suelen ser señales de interferencia o estáticas.

La ganancia de modo común es el cambio en el voltaje de salida debido a la entrada de modo común dividida por el voltaje de entrada de modo común.

El amplificador diferencial amplifica en gran medida el voltaje diferencial aplicado a ambas entradas, pero distingue entre 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 señales de modo común se expresa como la relación de rechazo de modo común (CMRR).

Cuanto mayor sea el valor de CMRR, mayor será la capacidad de rechazar señales de modo común.Representa alto. Por lo tanto, las señales no deseadas, como el ruido y las captaciones de interferencia, parecen ser comunes a ambos terminales de entrada, y el efecto de esta señal en la salida es cero.

CMRR es la relación entre la ganancia diferencial y la ganancia de modo común del amplificador diferencial, es decir, la siguiente ecuación:

CMRR = A_D /Ser_C

Aquí_D =V_O / (V_i1 – V_i2)

y A_C =V_O(CM) A/V_i(CM)

Circuito equivalente a amplificador operacional ideal

El circuito equivalente de un amplificador operacional ideal se muestra arriba. Voltaje de entrada V_Diferencial es la tensión diferencial (V₁-V₂). Z_Y es la impedancia de entrada, Z_fuera es la impedancia de salida.

El parámetro de ganancia A se denomina ganancia de bucle abierto. Se dice que la conversión inversa de la salida FE a una de las entradas del amplificador operacional funciona en una configuración de bucle abierto.

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

Características de los amplificadores operacionales

Impedancia de entrada (Z_Y)

Un amplificador operacional ideal tiene una impedancia de entrada infinita para evitar que la corriente fluya desde la fuente de alimentación hasta el circuito del amplificador operacional. Sin embargo, cuando se utiliza un amplificador operacional en una aplicación lineal, se proporciona algún tipo de retroalimentación negativa externamente. Debido a esta retroalimentación negativa, la impedancia de entrada viene dada por:

Z_Y = (1 + A_OL β)Z_Yo

Dónde: Z_Y es la impedancia de entrada sin retroalimentación.

Ser_OL es la ganancia de bucle abierto

β es el factor de retroalimentación (1 para los seguidores de voltaje)

La impedancia de la fuente de señal conectada a la entrada del amplificador operacional debe ser muy pequeña que la impedancia de entrada del amplificador para evitar la pérdida de señal.

Impedancia de salida (Zout)

Un amplificador operacional ideal tiene impedancia de salida cero. Esto significa que el voltaje de salida es independiente de la corriente de salida. Por lo tanto, un amplificador operacional ideal puede actuar como una fuente de voltaje interna completa con cero resistencia interna y conducir la corriente máxima a la carga.

En la práctica, la impedancia de salida del amplificador operacional se ve afectada por la retroalimentación negativa y viene dada por:

Zout = Zo / (1 + AOL β)

Dónde

Zo es la impedancia de salida del amplificador operacional sin retroalimentación.

Ganancia de bucle abierto de AOL

β es el factor de retroalimentación

La impedancia de carga conectada a la salida del amplificador operacional debe ser mucho mayor que la impedancia de salida del circuito para evitar una pérdida significativa de salida debido a caídas de voltaje en Zout.

Ganancia de bucle abierto (AVO)

La ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional se define como la ganancia de un amplificador operacional cuando no hay retroalimentación de la salida a ninguna de las entradas. Para un amplificador operacional ideal, la ganancia sería teóricamente infinita, pero los valores prácticos oscilarían entre 20.000 y 200.000.

Ancho de banda (BW)

El amplificador operacional ideal puede amplificar cualquier señal de frecuencia, desde CC hasta la frecuencia de CA más alta, lo que da como resultado una respuesta de frecuencia infinita. Por lo tanto, el ancho de banda de un amplificador operacional ideal debe ser infinito.

En un circuito del mundo real, el ancho de banda de un amplificador operacional está limitado por el producto de ganancia-ancho de banda (GB).

CMRR (Relación de rechazo de modo común)

CMRR se define como la capacidad de un amplificador operacional para rechazar señales de entrada de modo común. El CMRR es una medida importante de un amplificador operacional. El CMRR de un amplificador operacional ideal es infinito. En un circuito del mundo real, el CMRR viene dado por:

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

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

Voltaje de compensación (V_Io)

El voltaje de compensación de entrada define el voltaje de CC diferencial a través de los terminales de entrada necesarios para llevar la salida a cero voltios en relación con la tierra. Un amplificador operacional ideal tiene un voltaje de compensación de cero, pero un amplificador operacional real exhibe un pequeño desplazamiento.

Mató

La velocidad de respuesta se define como el cambio máximo en el voltaje de salida por unidad de tiempo y se expresa en voltios por segundo.

Un amplificador operacional ideal tendría una velocidad de respuesta infinita. En un amplificador operacional real, la velocidad de respuesta está inherentemente limitada por la pequeña corriente de accionamiento interna del amplificador operacional y la capacitancia interna diseñada para compensar las oscilaciones de alta frecuencia.

Tabla de características del amplificador operacional

Respuesta en frecuencia de un amplificador operacional

Ganancia de bucle abierto A_OL no es constante en todas las frecuencias. Un amplificador operacional real tiene una ganancia de bucle abierto dependiente de la frecuencia. La curva de respuesta de frecuencia de un amplificador operacional real es la siguiente:

A partir de la curva anterior, podemos ver que el producto de la ganancia y la frecuencia es constante en cualquier punto a lo largo de la curva. Esta constante se denomina producto de ganancia-ancho de banda (GB). Además, la ganancia del amplificador en cualquier punto a lo largo de la curva está determinada por la frecuencia de ganancia unitaria (0 dB).

Ancho de banda del amplificador operacional

El ancho de banda de un amplificador operacional se define como el rango de frecuencia en el que la ganancia de voltaje del amplificador excede el valor máximo de salida de -3 dB (hasta 0 dB).

En la figura anterior, -3 dB de AV (máx.) se muestra como 37 dB. La línea de 37 dB interseca la curva a una frecuencia ligeramente superior a la frecuencia de 10 kHz. Esta frecuencia se puede calcular con mayor precisión si se conoce el producto GB del amplificador.

Tenga en cuenta que la ganancia de bucle abierto disminuye a medida que aumenta la frecuencia de la señal de entrada. Las frecuencias se representan en una escala logarítmica y la ganancia disminuye linealmente a medida que la frecuencia aumenta logarítmicamente.

Se sabe que la tasa de caída de ganancia de un amplificador operacional es de 20 dB por década.

¿Para qué se utilizan los amplificadores operacionales?

• Los amplificadores operacionales son componentes comunes de los circuitos electrónicos y se encuentran en la mayoría de los sistemas electrónicos industriales y de consumo.
• Los amplificadores operacionales se pueden configurar para que actúen como varios tipos de amplificadores de señal, como inversores, no inversores, diferenciales y aditivos, y también se utilizan para realizar operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración.
• El amplificador operacional se puede utilizar para construir un filtro activo y proporciona funciones de paso alto, paso bajo, paso de banda, rechazo de banda y retardo.
• La alta impedancia de entrada y la ganancia del amplificador operacional facilitan el cálculo de los valores de los elementos, lo que permite una implementación precisa de cualquier topología de filtro con poca preocupación por los efectos de las cargas en la etapa y después de la etapa.
• El amplificador operacional se puede utilizar como comparador si se desea. La diferencia más pequeña entre los voltajes de entrada se amplifica considerablemente.
• Los amplificadores operacionales se utilizan para construir osciladores como el oscilador Wayne Bridge. Los amplificadores operacionales también se utilizan en circuitos no lineales, como amplificadores logarítmicos y antinuméricos.
• Los amplificadores operacionales tienen aplicaciones como fuentes de voltaje, fuentes de corriente y sumideros de corriente, así como voltímetros de CC y CA. Los amplificadores operacionales también se utilizan en circuitos de procesamiento de señales, como rectificadores de precisión, circuitos de pinza y circuitos de muestreo y retención.

Descripción general de los amplificadores operacionales

• El amplificador operacional es un amplificador diferencial de CC de muy alta ganancia. La mayoría de los amplificadores operacionales requieren fuentes de alimentación positivas y negativas para funcionar.
• El amplificador operacional se puede configurar a través de una o más polarizaciones externas de retroalimentación y voltaje para lograr la respuesta y las características deseadas.
• La estructura básica del amplificador operacional es un dispositivo de tres terminales, excepto por la conexión de alimentación. El amplificador operacional detecta la diferencia en la señal de voltaje aplicada a los terminales de entrada y la amplifica con una ganancia predeterminada. Esta ganancia a menudo se conoce como ganancia de “bucle abierto”.
• Cerrar el bucle abierto conectando un componente resistivo o reactivo entre la salida y un terminal de entrada del amplificador operacional reduce y controla significativamente esta ganancia de bucle abierto.
• Un amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita de bucle abierto, una impedancia de entrada infinita, una impedancia de salida cero, un ancho de banda infinito, una velocidad de respuesta infinita y un desplazamiento cero.
• Un amplificador operacional práctico exhibe una alta ganancia de bucle abierto, una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.
• Debido a su versatilidad, los amplificadores operacionales se utilizan junto con resistencias y condensadores para construir circuitos funcionales como amplificadores inversores, no inversores, de seguimiento de voltaje, de adición, resta, de integración y diferenciados.