¿Para qué se utilizan los amplificadores operacionales?

En este tutorial, aprenderá sobre las diferentes aplicaciones de los amplificadores operacionales. Un amplificador operacional es uno de los circuitos analógicos básicos con una amplia gama de implementaciones. En este artículo, aprenderá algunas de las aplicaciones de amplificadores operacionales importantes pero más utilizadas.

Comparador de amplificadores operacionales

Un comparador en electrónica es una configuración de circuito que compara dos voltajes (o corrientes) e indica cuál es mayor. Por lo tanto, las entradas al comparador deben ser inherentemente diferentes. El comparador se puede configurar fácilmente utilizando el amplificador operacional porque el amplificador operacional tiene una entrada diferencial balanceada con alta ganancia.

Teóricamente, un amplificador operacional en una configuración de bucle abierto (sin retroalimentación) se puede utilizar como comparador. Si la tensión de entrada del terminal no inversor V es₊ es mayor que la tensión en el terminal de entrada inversor V_–, la salida del amplificador operacional está saturada en el extremo positivo. Cuando el voltaje de entrada no inversor cae por debajo del voltaje de entrada inversor, la salida del amplificador operacional cambia a un nivel de saturación negativo. Los circuitos comparadores se utilizan más ampliamente en convertidores analógicos a digitales (ADC) y osciladores.

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Comparador inversor de amplificador operacional

En el comparador inversor, la tensión de entrada V_Y se aplica al terminal de entrada inversor del amplificador operacional, y el terminal de entrada no inversor se conecta al voltaje de referencia a través de la resistencia R₁ y R₂Voltaje de entrada V_Y Menor que la tensión de referencia V_referencia, la salida del amplificador operacional permanece saturada positivamente. Cuando V_Y Cuando se excede el voltaje de referencia, la salida del amplificador operacional cambia a un nivel de saturación negativo, y V_Y Menos de V_referenciaEl circuito de un comparador que utiliza un amplificador operacional se muestra en la siguiente figura.

Al seleccionar el valor de la resistencia R,₁ y R₂, tensión de referencia V_referencia y utilice un comparador para comparar el voltaje de entrada con el voltaje de referencia correspondiente.

V_fuera = +V_suelo; V_Y < V_referencia

= -V_suelo; V_Y > V_referencia

Las formas de onda de entrada y salida del comparador inversor de amplificador operacional se muestran en la siguiente figura.

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Amplificador operacional Comparador no inversor

En el caso de un comparador no inversor de un amplificador operacional, la tensión de entrada V_Y se aplica al terminal de entrada no inversor y la tensión de referencia V se aplica a la tensión de referencia V_referenciaestá conectado al terminal de entrada inversor. Voltaje de entrada V_Y es mayor que la tensión de referencia V_referencia, la salida del amplificador operacional está saturada positivamente. De hecho, la diferencia (V_Y-V_referencia) será un valor positivo. Debido a que no hay retroalimentación a la entrada del amplificador operacional, la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional es infinita. Por lo tanto, la salida oscila a +Vsat, que es el valor máximo posible. Cuando el voltaje de entrada cae por debajo del voltaje de referencia, la salida cambia a un voltaje de saturación negativo.

V_fuera = +V_suelo ; V_Y > V_referencia

= -V_suelo ; V_Y < V_referencia

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Amplificador operacional Amplificador logarítmico

El amplificador operacional se puede configurar para que funcione como un amplificador logarítmico o simplemente como un amplificador logarítmico. El amplificador de registro tiene una configuración de circuito no lineal y la salida es K Multiplique por el valor logarítmico del voltaje de entrada aplicado. Los amplificadores logarítmicos se utilizan en cálculos como la multiplicación y división de señales, los cálculos de potencia y raíz, la compresión y despresurización de señales y el control de procesos en aplicaciones industriales. Dado que la corriente del colector del BJT está relacionada logarítmicamente con el voltaje base-emisor, se puede construir un amplificador logarítmico utilizando un transistor de unión bipolar para proporcionar retroalimentación al amplificador operacional.

El circuito de un amplificador logarítmico fundamental que utiliza un amplificador operacional se muestra en la figura anterior. Un requisito previo para el funcionamiento de un amplificador logarítmico es que la tensión de entrada sea siempre positiva. Vis_fuera =-V_Necesario.

Dado que el terminal colector del transistor se mantiene en tierra virtual y el terminal base también está conectado a tierra, la relación voltaje-corriente se convierte en una relación de diodos, dada por:

Yo_E = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1]

Dónde

Yo_S = Corriente de saturación

k = Constante de Boltzmann

T = temperatura absoluta (en K)

Desde entonces, he estado_E = I_C Para transistores de base con conexión a tierra,

Yo_C = I_S. [e^q(Vbe)/kT – 1]

(Estoy_C/Yo_S) = [e^q(Vbe)/kT – 1]

(Estoy_C/Yo_S) + 1 = [e^q(Vbe)/kT]

(Estoy_C+I_S)/I_S = e^q(Vbe)/kT

e^q(Vbe)/kT = (I_C/Yo_SDesde entonces, he estado_C >> yo_S

Si tomamos el logaritmo neperiano a ambos lados de la ecuación anterior, obtenemos:

V_Necesario = (kT/q) ln[I_C/I_S]

Corriente del colector I_C =V_Y/R₁ y V_fuera = -V_Necesario

Por lo tanto

V_fuera = -(kT/q) ln[V_in/R₁.I_S]

Por lo tanto, la salida del circuito es proporcional al logaritmo del voltaje de entrada. Sin embargo, la salida depende de la corriente de saturación, que varía de un transistor a otro, y también depende de la temperatura. Al agregar circuitos de compensación, la salida se puede estabilizar contra estas variaciones.

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Amplificador inverso o amplificador exponencial

Un amplificador antiamplificativo o exponencial (o simplemente un amplificador logarítmico) es una configuración de circuito de amplificador operacional cuya salida es proporcional al valor exponencial o logarítmico de la entrada. Un verdadero amplificador se comporta exactamente de la manera opuesta a un amplificador logarítmico. Los amplificadores antilogarítmicos y los amplificadores logarítmicos se utilizan para realizar cálculos analógicos en la señal de entrada. El siguiente diagrama muestra un circuito amplificador logarítmico que utiliza un amplificador operacional.

Al intercambiar las posiciones del transistor y la resistencia, el amplificador logarítmico se puede utilizar como amplificador logarítmicoTenga en cuenta que puede hacer que funcione. El voltaje base-colector del transistor se mantiene en el potencial de tierra debido al concepto de tierra virtual. Corriente I_E El transistor viene dado por:

Yo_E = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1]

Para los transistores de base con conexión a tierra,_E = I_C.Por lo tanto

Yo_C = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1]

Aquí, yo_S = corriente de saturación del transistor,

V_fuera = I_C. R₁

V_fuera = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1]. R₁

Además, para el circuito V anterior,_Y = -V_Necesario.Por lo tanto

V_fuera =R₁.Yo_S.[e^q(-V_in)/kT – 1]

También existe el problema de que la salida del amplificador de número exacto se vuelve inestable debido a la fluctuación de I._S Compatible con una variedad de transistores y dependencia de la temperatura. Al agregar circuitos de compensación, la salida se puede estabilizar contra tales variaciones.

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Convertidor de corriente-tensión

El convertidor de corriente/voltaje de un amplificador operacional, también conocido como amplificador de transimpedancia, es un circuito t que convierte el cambio en la corriente de entrada en el voltaje de salida correspondiente. Los circuitos de conversión de corriente a voltaje se usan más comúnmente para amplificar la salida de corriente de fotodiodos, fotodetectores, acelerómetros y otros dispositivos sensores a un nivel de voltaje prominente y utilizable.

Un circuito simple de conversión de corriente a voltaje tiene una resistencia de retroalimentación con un gran valor de resistencia. La ganancia del amplificador depende de esta resistencia. Dependiendo de la aplicación, los convertidores de corriente/tensión pueden construirse de diferentes maneras. Todas las configuraciones convierten la salida de corriente de bajo nivel del dispositivo sensor a un nivel de voltaje crítico. La ganancia y el ancho de banda del circuito dependen del tipo de sensor.

En la figura anterior se muestra un circuito convertidor básico de corriente a voltaje. El elemento sensor, en este caso, es un fotodiodo y está conectado al terminal de entrada inversor, y el terminal de entrada no inversor está conectado a tierra. Esto da como resultado una carga de baja impedancia en el fotodiodo y mantiene bajo el voltaje a través del fotodiodo. Debido a la alta ganancia del amplificador operacional, la corriente del fotodiodo Ip se mantiene igual a la corriente de retroalimentación que fluye a través de la resistencia R_fDado que el fotodiodo no tiene polarización externa, el voltaje de compensación de entrada por el fotodiodo es muy bajo. Esto da como resultado una gran ganancia de salida sin un voltaje de compensación de salida.

El voltaje de salida del circuito anterior se puede dar de la siguiente manera:

V_fuera =-I_P. R_f

La ecuación anterior solo es cierta para los convertidores de corriente a voltaje de ganancia de CC y baja frecuencia. A altas ganancias, se aplica un voltaje de compensación de entrada a la entrada no inversora del amplificador operacional, lo que da como resultado un voltaje de compensación de salida. Para minimizar estos efectos, los convertidores de corriente a voltaje generalmente se diseñan con FET con voltajes de compensación de entrada muy bajos en las entradas del amplificador operacional.

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Inversor amplificador operacional

Un amplificador operacional inversor (inversor) invierte y amplifica la señal de entrada. Si hay una señal positiva en la entrada del amplificador inversor, se emite una señal negativa en la salida, y viceversa. La señal de onda sinusoidal de CA en la entrada produce 180^o Una señal sinusoidal desfasada en la salida.

El diagrama anterior muestra el circuito de un amplificador inversor típico que utiliza un amplificador operacional. Este circuito utiliza una conexión de retroalimentación negativa a través de la resistencia R_fLa señal de entrada se aplica al terminal de entrada inversor y el terminal de entrada no inversor está conectado a tierra.

Dado que la corriente de entrada al amplificador operacional es idealmente cero, la corriente I debida al voltaje de entrada fluye a través de la resistencia R₁ y R_fLos voltajes de entrada y salida se pueden calcular utilizando la siguiente ecuación:

V_Y = I.R₁

V_fuera = -I.R_f

Por lo tanto, la ganancia de bucle cerrado del circuito A_CLson

Ser_CL =V_fuera/V_Y = – (I.R_f/I.R₁) = -R_f/R₁

Voltaje de entrada V_Y Por lo tanto, se amplifica por -R_f/R₁ Si la resistencia de ambas resistencias es R₁ y R_fes igual, el voltaje de salida es

V_fuera =-V_Y

Dichos circuitos se conocen como búferes inversores, o simplemente inversores.

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Amplificador operacional Amplificador no inversor

Un amplificador no inversor es una configuración de circuito amplificador operacional que produce una señal de salida amplificada que está en fase con la señal de entrada aplicada. Un amplificador no inversor utiliza una conexión de retroalimentación negativa, pero en lugar de suministrar toda la señal de salida a la entrada, solo una parte del voltaje de la señal de salida se devuelve al terminal de entrada inversor del amplificador operacional como entrada.

La figura anterior muestra un amplificador no inversor típico. La señal de entrada se aplica al terminal de entrada no inversor y la salida se alimenta al terminal de entrada inversor a través de una red de resistencia-divisor.

Cuando la señal de entrada positiva se encuentra en un terminal de entrada no inversor, el voltaje de salida se desplaza de modo que el terminal de entrada inversor sea igual al voltaje de entrada aplicado. Por lo tanto, se genera un voltaje de retroalimentación a través de la resistencia R₂,

V_R2 =V_Y = I₂R₂

Aquí, yo₂ es la corriente que fluye a través de la unión de la resistencia R.₁ y R₂.

V_fuera = I₂ (Conde₁ + Tecla R₂)

A partir de la fórmula anterior de V,_Y y V_fuera, la ganancia de tensión en bucle cerrado del amplificador no inversor se puede calcular de la siguiente manera:

Ser_CL =V_fuera/V_Y

= I₂ (Conde₁ + Tecla R₂) / I₂R₂

= (R₁ + Tecla R₂/R₂

Ser_CL = 1 + (R₁/R₂)

La ecuación de ganancia anterior es positiva, lo que indica que la salida estará en fase con la señal de entrada aplicada. La ganancia de voltaje de bucle cerrado del amplificador no inversor es la resistencia R.Está determinado por la relación₁ y R₂ Se utiliza en circuitos.

Un práctico amplificador no inversor tiene una resistencia en serie con la fuente de voltaje de entrada para mantener la corriente de entrada igual en ambos terminales de entrada.

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Resumen de la aplicación del amplificador operacional

Este artículo proporciona una descripción general de una amplia gama de aplicaciones de amplificadores operacionales. Los amplificadores operacionales se pueden utilizar para realizar diversas operaciones matemáticas, como suma, resta y multiplicación, junto con operaciones de cálculo, como diferenciación e integración. Los amplificadores operacionales se utilizan en una variedad de aplicaciones en la mayoría de los dispositivos industriales y de consumo, incluida la amplificación de señales de CA y CC, filtros, osciladores, reguladores de voltaje y comparadores. Hoy en día, los amplificadores operacionales son un componente muy popular en los circuitos electrónicos analógicos.

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