Módulo 4 - Lectura 1 fundamentos de electronica basica PDF

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Pdf, sobre la materia de fundamentos de elctronica basica que explica los diferentes temas de la carrera. Pdf, sobre la materia fundamentos de elctronica...

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El amplificador operacional

Introducción

El amplicador operacional

Referencias

Lección 1 de 3

Introducción

El concepto del amplificador operacional surgió hacia 1947, como un dispositivo construido con tubos de vacío,  como parte de las primeras computadoras analógicas dentro de las cuales ejecutaban operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.). De allí el nombre por el cual se lo conoce. El primer amplificador operacional monolítico construido como circuito integrado fue desarrollado en 1964, en la empresa Fairchild Semiconductor, por el ingeniero electricista estadounidense Robert John Widlar. [Este amplificador] llevó el número de modelo μA702.1A. A este le siguió el μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde, sería sustituido por el popular μA741 (1968), desarrollado por David Fullagar y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar. Este se convirtió en estándar de la industria electrónica.

Los diseños varían entre cada fabricante y producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

Amplificador diferencial

– Es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

Amplificador de tensión

–

Proporciona ganancia de tensión.

Amplificador de salida

–

Proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Este también proporciona una ganancia adicional.

El dispositivo posee dos entradas: una entrada no inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como V+ y otra inversora (–) sometida a una tensión V-. En forma ideal, el dispositivo amplifica solamente la diferencia de tensión en las entradas, conocida como tensión de entrada diferencial. (González Vallejo, 2021, https://bit.ly/3ltEoMg)

Presentación del caso Imagina que eres el referente técnico de una empresa que ofrece servicio de instalación de redes y acceso a Internet en el país. El área de Recursos Humanos te ha solicitado que ofrezcas una inducción a nuevos empleados. La Gerencia General ha decidido que todos los empleados posean un nivel básico de conocimientos en comunicaciones para poder manejar mejor el negocio y los objetivos de la empresa. Parte de la inducción consiste en explicar los conceptos más básicos de los circuitos electrónicos.

C O NT I N U A R

Lección 2 de 3

El amplificador operacional

Recordando los conceptos desarrollados en la última parte del módulo anterior, ahora analizaremos las implementaciones de transistores más comúnmente usadas para generar amplificación controlada de tensión o corriente.

Los amplificadores operacionales pueden entenderse como elementos electrónicos activos y lineales creados para obtener una función de transferencia pretendida. Estos están constituidos por un arreglo de componentes electrónicos y poseen dos entradas y una salida. La salida se plantea como la diferencia de las dos entradas; está amplificada por un factor de ganancia G, según la siguiente ecuación:

V out = G·(V + – V-)

Estos dispositivos se identifican fácilmente por estar dispuestos de modo que, “en cada momento se puede acceder a los terminales, en los que es

posible vincular los otros dispositivos externos que permiten al diseñador modificar la respuesta y transferencia del dispositivo” (García, 2010, https://bit.ly/3hEsaPR).

Figura 1: Implementación diferencial de amplificadores operacionales

Fuente: García, 2010, https://bit.ly/3hEsaPR

Un amplificador operacional (A.O. también op-amp) es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que obtenga excursiones tanto por arriba como por debajo de masa o punto de referencia que se considere. (García, 2010,https://bit.ly/3hEsaPR)

El diagrama esquemático de un amplificador operacional es el siguiente:

Figura 2: Amplificador operacional ideal

Fuente: García, 2010, https://bit.ly/3hEsaPR

Un amplificador operacional se caracteriza por “su respuesta en frecuencia, cambio de fase y alta ganancia”. Estas características “se establecen por la realimentación introducida externamente”. Normalmente, debido a su diseño, un amplificador operacional “presenta una alta impedancia (Z) de entrada y muy baja de salida” (García, 2010,https://bit.ly/3hEsaPR).

En la imagen más arriba, vemos dos terminales de alimentación bipolar (+Ve y -Ve), una entrada no inversora (+V), una entrada inversora (-V) y un terminal de salida (Vout), (ocasionalmente puede existir un terminal de bypass).

Según la función de transferencia que analizamos anteriormente,

este amplificador solo responde a la diferencia de tensión existente a la entrada y no a la tensión de alimentación común. Es decir, la misión de un amplificador operacional es amplificar la diferencia de tensión entre las señales de entrada respecto de masa. (García, 2010,https://bit.ly/3hEsaPR)

A modo de ejemplo, digamos que el mismo resultado obtendremos aplicando una entrada de 1mV en +Vin y 1,001mV en la entrada -Vin, que aplicando 6V en +Vin y 6.001V en –Vin.

Ganancia en lazo abierto Cuando no existe ningún lazo de realimentación entre la salida y cualquiera de las dos entradas, si colocamos una determinada señal en la entrada, la ganancia de lazo abierto será la relación entre la tensión de salida Vs y la tensión colocada en la entrada Ve que tiene el amplificador operacional. Veamos la figura de este modelo:

Figura 3: Ganancia en lazo abierto

Fuente: García, 2010, https://bit.ly/3hEsaPR

Por lo tanto, la ganancia en lazo abierto queda definida de la siguiente manera:

AV = Vs / Ve

Donde:

AV = ganancia de tensión Vs = tensión de salida Ve = tensión de entrada

Si hablamos de un modelo de amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. No obstante, cuando el amplificador es real, su ganancia oscila entre 20,000 y 200,000 [según el modelo de amplificador elegido]. Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, donde lo que se desea es, saber cuál de las dos entradas tiene mayor tensión, de ahí su nombre, amplificador diferencial.

La señal de salida Vs del amplificador diferencial ideal debería ser:

Vs = Av (V1 – V2).

Pero, en la realidad, la salida depende de la tensión diferencial entre terminales de entrada (Vd) y el nivel medio llamado señal en modo común (Vc), o sea:

Vd = V1 -V2;  y   Vc = 1/2 (V1 + V2).

(García, 2010,https://bit.ly/3hEsaPR)

Ganancia de lazo cerrado Los amplificadores operacionales [reales] tienen una ganancia de tensión muy alta (típicamente 105), sin embargo, esta ganancia varía con la frecuencia de la señal. La forma de compensar esto es controlar la ganancia de tensión que tiene el amplificador operacional, utilizando elementos externos para realimentar una parte de señal de la salida a la entrada, que hará que el circuito sea mucho más estable.

Con la realimentación, la ganancia de lazo cerrado, depende de los elementos empleados en la realimentación y no de la ganancia básica de tensión del amplificador operacional, por lo que, para modificar la ganancia modificaremos los valores de R1 y R2. (García, 2010, https://bit.ly/3hEsaPR)

Figura 4: Ganancia de lazo cerrado

Fuente: García, 2010, https://bit.ly/3hEsaPR

Como veremos en el resto del módulo,

los circuitos con amplificadores operacionales, resistencias y condensadores los podemos configurar para mapear sobre un circuito diversas operaciones analógicas, como sumas, restas, comparar, integrar, filtrar y, por supuesto, amplificar.

La ganancia de lazo cerrado la calcularemos usando la siguiente fórmula:

V= – Vo / Vin.

El signo negativo indica que la señal de salida será invertida respecto a la entrada (se confirma que una señal positiva aplicada a la entrada produce una tensión negativa a la salida y viceversa). (García, 2010, https://bit.ly/3hEsaPR)

C O NT I N U A R

Lección 3 de 3

Referencias

García, V. (2010). El amplificador operacional [entrada de blog]. Recuperado de https://www.diarioelectronicohoy.com/blog/el-amplificador-operacional

González Vallejo, Y. L. (2021). Guía

de

amplificadores operacionales [apuntes de

actividades cátedra].

académicas:

Recuperado de

https://www.coltenaz.edu.co/subidas/Profesor%20Leonel%20%20guia%203.%20Amplificadores%20Operacionales-%202%20periodo.pdf

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