Configuraciones basicas del amplificador operacional Clase 5

1. Clase
10-Noviembre-2014

2.  Anteriormente se trataron las características relevantes de un amplificador operacional,
con base a lo que seria un dispositivo ideal.
 Los amplificadores operacionales en la práctica tienen comportamientos muy semejantes
a lo descrito; solo que para operar como se ha explicado es necesario acoplar sus
terminales, resistencias de valores calculados para configurar algunas de las formas de
operar.

3.  Se pueden conectar según dos configuraciones básicas: inversora y no inversora; casi
todos los demás circuitos con amplificadores operacionales están basados, de alguna
manera, en estas dos configuraciones.

4.  Amplificador Operacional Inversor
 La figura ilustra la primera configuración básica del Op Amp, el amplificador inversor.
Amplificador Operacional Inversor

5.  Amplificador Operacional Inversor
 En este circuito la entrada no inversora + está conectada a tierra, y la señal por
amplificar (llamémosle 푉1) se amplifica a la entrada inversora − a través de 푅1, con
retroalimentación desde la salida a través de 푅푓, al aplicar las propiedades anteriormente
establecidas del Op Amp ideal, las características distintivas de este circuito se pueden
analizar como sigue.

6.  La ganancia de este amplificador es:
 퐴푉 =
푉표
푉1
= −
푅푓
푅1
………………(1)
 La ecuación (1) se refiere a la ganancia de lazo cerrado, también representada por 퐴퐶퐿. El
signo negativo de la expresión (1) indica el cambio de fase entre la señal de salida y la de
entrada. En esta expresión se puede ver que el voltaje de salida esta proporción directa a
la relación que existe entre la resistencia de realimentación 푅푓 y la resistencia de entrada
푅1.

7.  푉표 = −
푅푓
푅1
푉1 ………………(2)
 Por esta razón, a este amplificador también se le conoce como multiplicador inversor de
ganancia constante.
 En un Op Amp existe también la ganancia en lazo abierto 퐴푂퐿 , que es la razón del voltaje
de salida entre el voltaje de entrada sin realimentación externa.

8.  A la razón de la ganancia en lazo abierto entre la ganancia en lazo cerrado se le conoce
como ganancia de lazo 퐴퐿
 푨푳 =
푨푶푳
푨푪푳
… … … … … … . . (ퟑ)

9.  Calcula el voltaje de salida del circuito amplificador mostrado en la figura, si el voltaje de
entrada es de 1.5 V

10.  Solución
 Datos
 푉푖 = 1.5 푉, 푅1 = 100Ω, 푅푓 = 400Ω, 푉표 =?
 Planteamiento
 Se trata de un amplificador inversor cuyo voltaje de salida se calcula directamente con la
ecuación (2)

11.  Solución
 Desarrollo
 Al aplicar la ecuación (2) se tiene:
 푉표 = −
푅푓
푅1
푉1 = −
400Ω
100Ω
1.5푉 ⟹ 푉표 = −6푉

12.  El amplificador inversor real tiene propiedades adicionales con relación al amplificador
inversor ideal. La ganancia se puede variar ajustando el valor de 푅1, o bien el de 푅2. Si 푅푓
varia desde cero hasta infinito, la ganancia varia también desde cero hasta infinito, puesto
que es directamente proporcional a 푅푓.
 La impedancia de entrada es igual a 푅1 entonces 푉1 푦 푅1 únicamente determinan la
corriente 퐼푖 , por lo que a corriente que circula por 푅푓 es siempre 퐼푖 , para cualquier valor
de dicha 푅푓.

13.  Amplificador operacional no inversor
 La segunda configuración básica del Op Amp es el amplificador no inversor o
multiplicador, mostrado en la siguiente figura.
Amplificador Operacional
No Inversor

14.  En este circuito, el voltaje 푉푖 se aplica a la entrada no inversora + , y una fracción de la
señal de salida, 푉표 , se aplica a la entrada − a través del divisor de voltaje formado por
푅1 푦 푅푓.
 푉1 = 푉표
푅1
푅1+푅푓
… … … … … … … … (4)
 Por tanto el voltaje de salida es:
 푉표 =
푅1+푅푓
푅푖
푉1 … … … … … … … … … … … 5

15.  A partir de la ecuación (5), se puede obtener la relación de voltaje da salida respecto del
voltaje de entrada, lo que nos da una ganancia en
 퐴푣 =
푉표
푉푖
=
푅1+푅푓
푅푖
= 1 +
푅푓
푅1
… … … … (6)

16.  Calcula el voltaje de salida del circuito amplificador mostrado en la figura, si el voltaje es
de 1.5 V.

17.  Solución
 Datos 푉푖 = 1.5 푉, 푅1 = 100Ω, 푅푓 = 400Ω, 푉표 =?
 Planteamiento
 Se trata de un amplificador no inversor cuyo voltaje de salida se calcula directamente con
la ecuación (4).

18.  Solución
 Desarrollo
 Al aplicar la ecuación (5) se tiene
 푉표 =
푅1+푅푓
푅푖
푉1 =
100Ω+400Ω
100Ω
1.5푉 ; 푉표 = +7.5푉

19.  Amplificador Operacional como seguidor unitario
 Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia unitaria
mostrada en la figura
El Op Amp operando como un seguidor unitario

20.  Amplificador Operacional como seguidor unitario
 En este circuito la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito y 푅푓 es cero, y
la realimentación es de 100%. Entonces 푉표 es exactamente igual a 푉푖 . El circuito se conoce
como seguidor de emisor o seguidor unitario, puesto que la salida es una replica en fase
con ganancia unitaria del voltaje de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa
también es infinita.
 푉표 = 푉푖 … … … … … … … … … … … … … . . (7)

21.  Amplificador Operacional como seguidor unitario
 A partir de las configuraciones básicas del amplificador operacional se elaboran una serie
de circuitos de aplicación práctica como los que se explican a continuación.

22.  Amplificador Sumador
 En la configuración de un amplificador sumador se establece que el voltaje de salida es la
suma algebraica invertida de los voltajes de entrada multiplicados por un factor corrector,
que esta dado por la relación del resistor de retroalimentación 푅푓 respecto de la
resistencia, en la cual se aplica la señal de entrada. Lo anterior tiene su expresión
matemática siguiente:
 푉표 = − 푉1
푅푓
푅1
+ 푉2
푅푓
푅2
+ 푉3
푅푓
푅3
… … … … … … . . (8)

23.  Hay una ganancia global del circuito que esta dada por el valor de 푅푓 la cual, cuya forma
de conectar es hacia la terminal de entrada, hace que el sistema se comporte como el
amplificador inversor básico. A las ganancias individuales se les aplican
independientemente los factores de escala dados por los valores de 푅1, 푅2, 푅3., etcétera.
Del mismo modo 푅1, 푅2, 푅3 determinan las impedancias de entrada de los respectivos
canales usados para la aplicación de señales individuales. El circuito puede contar con
cualquier número de entradas, basta añadir resistencias de entrada adicionales en el
nodo suma.

24.  Calcula el voltaje de salida del circuito amplificador sumador mostrado en la figura, si los
voltajes de entrada son 푉1 = 1.5푉 푦 푉2 = 0.5푉 푦 푉3 = 1.8푉 y los resistores de los canales
de entrada son 푅1 = 100푘Ω, 푅2 = 220푘Ω 푦 푅3 = 450푘Ω. El resistor de retroalimentación
es 푅푓 = 1.2푀Ω.

25.  Solución
 Datos:
 푉1 = 1.5푉, 푉2 = 0.5푉, 푉3 = 1.8푉, 푅1 = 100푘Ω, 푅2 = 220푘Ω, 푅3 = 450푘Ω, 푅푓 = 1.2푀Ω
 Planteamiento
 Se trata de un amplificador sumador cuyo voltaje de salida se calcula directamente con la
ecuación (8)

26.  Desarrollo
 Al aplicar la ecuación (8) y sustituir los valores dados, se tiene:
 푉표 = − 푉1
푅푓
푅1
+ 푉2
푅푓
푅2
+ 푉3
푅푓
푅3
 푉표 = − 1.5푉
1.2푀Ω
100푘Ω
+ 0.5푉
1.2푀Ω
220푘Ω
1.8푉 + 1.8푉
1.2푀Ω
450푘Ω
 푉표 = −25.52푉

27.  Amplificador integrador
 Las configuraciones básicas vistas hasta ahora consisten en redes resistivas conectadas al
OP Amp; sin embargo, para realimentación de la salida hacia la entrada también se
emplean capacitores. Cuando se utiliza un capacitor en tales condiciones, esta
configuración constituye un amplificador integrador, como se muestra en la figura
siguiente.

28. Configuración del amplificador integrador

29.  El capacitor realimentador en el amplificador integrador, se identifica por 퐶푓, y se coloca
en la red como se muestra en la figura siguiente. Este amplificador integrador entrega un
voltaje que en función del tiempo se expresa como
 푉표 푡 = −
1
푅퐶푓
푣1 푡 푑푡 … … … … … … … (9)

30. Configuración de un circuito integrador
sumador

31.  A este amplificador integrador se le aplican varias señales de entrada, uno de los usos
mas frecuentes que se le da en las computadoras analógicas, convirtiendo la ecuación (9)
en una suma de señales de entrada, integradas cada una de ellas y afectadas por un factor
modificador por la característica propia de cada entrada, como se muestra en la siguiente
ecuación:
 푉표 푡 = −
1
푅1퐶푓
푣1 푡 푑푡 +
1
푅2퐶푓
푣2 푡 푑푡 +
1
푅3퐶푓
푣3 푡 푑푡 … … … … … … … (10)

32.  Existen en el mercado diversas presentaciones para los amplificadores operacionales.
Una de las mas usadas es la que se presenta a continuación, que consiste en un
encapsulado tipo DIP en cuyo interior se tienen dos amplificadores, el cual se trata de un
circuito impreso o bien en un protoboard.
Amplificador
operacional de
Presentación Física Diagrama estructura interna del dispositivo

33.  Amplificador de más de una etapa
 Se dijo que la ganancia de voltaje de un amplificador se determina al comparar el voltaje
de salida 푉표 con el voltaje de entrada 푉푖 . Pero aun mas si el voltaje de salida de un
amplificador se aplica a la entrada de un segundo amplificador se tendrá una segunda
etapa de amplificación. De ahí que se habla de amplificadores multietapas, en los que
cada una de las etapas tiene su propia ganancia de voltaje 퐴푣푖, donde 푖 nos indica el
numero de la etapa correspondiente.

34.  Esto es, si se tiene un amplificador con tres etapas que se pueden identificar como 1, 2 푦 3
la ganancia total de este sistema será:
 퐴푣 = 퐴푣1퐴푣2퐴푣3 … … … … … … … … . . (11)
 Y
 퐴푣1 =
푉표1
푉푖1
, 퐴푣2 =
푉표2
푉푖2
, 퐴푣3 =
푉표3
푉푖3

35.  Esto es, si se tiene un amplificador con tres etapas que se pueden identificar como 1, 2 푦 3
la ganancia total de este sistema será:
 퐴푣 = 퐴푣1퐴푣2퐴푣3 … … … … … … … … . . (11)
 Y
 퐴푣1 =
푉표1
푉푖1
, 퐴푣2 =
푉표2
푉푖2
, 퐴푣3 =
푉표3
푉푖3

36.  Calcula el voltaje de salida 푉표 para el amplificador de la figura si 푉푖 = 10휇푉

37.  Solución
 Datos
 푉푖 = 10휇푉
 Desarrollo:
 Según la ecuación (11), la ganancia total de este circuito de dos etapas esta dada por:
 퐴푣 = 퐴푣1퐴푣2

38.  Donde de acuerdo con la ecuación (2) 푉표 = −
푅푓
푅1
푉1
 Para la primera etapa se tiene:
 푉표1 = −
100푘Ω
1푘Ω
10휇푉 = 1푚푉
 푉표2 = −
2푀Ω
10푘Ω
1푚푉 = 200푚푉
 Por lo tanto el voltaje de salida será 푉표 = 200 푚푉