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1 I.E.S.JavierGarcía Téllez
AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Son llamados amplificadores operacionales porque podemos encontrar circuitos montados
a base de estos amplificadores que realizan operaciones matemáticas, como por ejemplo
sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores... etc.
La figura muestra el símbolo electrónico típico de un amplificador operacional. En este ejemplo,
los pines 4 y 11 son de alimentación. Un amplificador operacional se puede alimentar con
tensión sencilla o con tensión simétrica. La tensión sencilla consiste en alimentar con dos
cables, uno el positivo y el otro masa. La tensión simétrica consiste en alimentar el circuito con
tres cables, uno el positivo, otro el de masa y otro el negativo, con la misma tensión que el
positivo pero negativa.
La diferencia entre usar un tipo o el otro de alimentación está en lo que queramos obtener en la
salida: si en la salida queremos obtener tensiones positivas y negativas tendremos que usar la
alimentación simétrica, si solo queremos obtener tensiones positivas podemos usar alimentación
simple. También tendrás que tener en cuenta que ni las entradas ni las salidas del operacional
podrán sobrepasar los límites marcados por la alimentación, es decir, si alimentas a 12 V no
esperes obtener 15 voltios a la salida.
Los pines 2 y 3 son las entradas,y el 1 es la salida. A la hora de analizar circuitos con
amplificadores operacionales se dice que la corriente por las entradas inversoras y no
inversora del operacional es cero.
Observamos en el símbolo que una de las entradas tiene el signo + y en la otra el signo -. A la
que tiene el signo + se le llama entrada no inversora,y a la que tiene el signo - entrada
inversora. Elfuncionamiento del amplificador operacional depende del resto del circuito. De
momento, lo único que puedo decir es que el amplificador operacional "lee" la tensión en la
entrada no inversora, "le resta" la tensión de la entrada inversora, el resultado lo multiplica por
un número muy grande y eso lo saca por la salida.
Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación
2 I.E.S.JavierGarcía Téllez
TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES
- INVERSOR
Este es el circuito de ganancia constante más ampliamente usado. La tensión de salida se
obtiene al multiplicar la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entre
Rf y R, resultando invertida esta señalrespecto a la entrada.
- NO INVERSOR
En este caso la tensión de entrada es aplicada en la terminal no inversora obteniéndose así una
tensión de salida proporcional a la tensión de entrada. Nótese que la fase de vo respecto a vi es
la misma.
- DIFERENCIAL
El caso más general de configuración es una combinación de los dos modos anteriores. Es decir,
permitir entrada tanto por la puerta inversora como por la no - inversora. La señalde salida será
proporcional a la diferencia entre las entradas, y estará en fase con las señales aplicadas.
Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación
3 I.E.S.JavierGarcía Téllez
- SUMADOR
Es probable que el más utilizado de los circuitos sea el amplificador sumador; en éste, la salida
está dada por una combinación lineal de cada una de las entradas. Mediante este circuito es
posible sumar algebraicamente los voltajes de cada una de las entradas,multiplicado por un
factor de ganancia constante dado por Rf / Rk.
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4 I.E.S.JavierGarcía Téllez
AMPLIFICADOR INTEGRADOR
Para conseguir un dispositivo integrador intercambiamos la resistencia y el condensador
de un circuito diferenciador según el esquema siguiente.
Integrando en ambos miembros el resultado es:
La intensidad I que "atraviesa" el condensador será la misma que la intensidad I que atraviesa la
resistencia R ya que al ser V=0 la intensidad hacia ese terminal V-es nula. Por ello, I=Vi/R
sustituyendo en la expresión de Vo tendremos...
Expresión que nos indica que la señal de salida de este circuito es proporcional a la integral de
la señal de entrada. En el caso particular en el cual Vi(t) fuera constante en el tiempo ese
término saldría de la integral y la expresión tomaría la forma
Expresión que muestra que la salida sería una recta con una determinada pendiente. Esta
característica es muy útil, por ejemplo, para utilizar estos dispositivos en el diseño de
generadores de señales. Así podemos conseguir una señal triangular de salida como respuesta a
una señal cuadrada de entrada.
El circuito integrador es un circuito con un amplificador operacional que realiza la
operación matemática de integración. El circuito actúa como un elemento de
almacenamiento que produce una salida de tensión que es proporcional a la integral en el
tiempo de la tensión de entrada.
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5 I.E.S.JavierGarcía Téllez
AMPLIFICADOR DERIVADOR
Un derivador es un circuito en el que la señal de salida es proporcional a la derivada en el
tiempo de la señal de entrada. En otras palabras: La salida es proporcional a la velocidad de
variación de la señal de la entrada.
La fórmula: Velocidad de cambio = ∆ Vent / ∆ t , donde ∆ = cambio
TIPOS DE ENTRADAS
Señal de entrada es una tensión fija:
La velocidad de variación de la señal de entrada es y por consiguiente la salida también será
cero.
-Señal de entrada es una onda cuadrada
Cada vez que la señal cambia de nivel hay un brusca variación en la señalde entrada (se pasa de
un nivel de tensión a otro en un tiempo muy corto). En la salida se observan unos picos, tanto en
el sentido positivo como negativo.
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6 I.E.S.JavierGarcía Téllez
-Señal de entrada es unA onda triangular
La señal de salida es cuadrada, ejemplo: En el caso de la onda cuadrada de 3 voltios de
amplitud: Velocidad de cambio = (3V-0V) / (0.005s – 0s) = 600 voltios/s
Si el tiempo fuera menor la velocidad de cambio aumentaría. La salida de cada salto está
invertida debido a que la entrada está conectada a la patita inversora del amplificador
operacional. Cuando la señal de entrada es sinusoidal, la salida del derivador es como se
muestra en el siguiente gráfico.
Aquí Vsal = -VP cos wt (negativo pues el derivador es también inversor)
Como VP = A Vent w, entonces Vsal = – A Vent w cos wt ó Vsal = – A Vent 2 pi f cos wt
De la última fórmula se puede ver que un derivador es proporcional a la frecuencia de la señal
de entrada. La mayor velocidad se da cuando la señal cruza el eje horizontal con un ángulo
pronunciado. Si hubiese ruido a la entrada, éste normalmente sería de una frecuencia más alta
comparado con la señal a derivar, esto causaría que pequeños valores de ruido aparezcan a la
salida mucho más grandes.
Para evitar esto se coloca en la entrada una resistencia R1 (en serie con el capacitor C) y un
condensador C1 se agrega en paralelo con la resistencia de realimentación (R) para reducir la
tendencia a oscilar del circuito.
El circuito derivador realiza la operación matemática de derivación, de modo que la salida
de este circuito es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras
palabras, la salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de entrada.
Para que la señal ingrese totalmente al amplificador operacional la resistencia de entrada
debe ser muy grande con respecto a la resistencia de la fuente.
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7 I.E.S.JavierGarcía Téllez
AMPLIFICADOR PROPORCIONAL O INVERSOR
Es el modo de configuración más importante en los circuitos con amplificadores operacionales,
denominado inversor por estar desfasada la señalde salida 180° con relación a la de entrada,
característica fundamental de este circuito. El circuito representa el esquema de un amplificador
inversor típico que nos servirá para observar el efecto de la impedancia Z2 de realimentación
sobre el comportamiento del amplificador operacional.
La conexión de Z2 entre el terminal de salida Vo y el terminal VN equivale a conectar en
paralelo con la impedancia de entrada del AOP (Zi) una impedancia de valor Z’ = Z2/Ao y dado
que Ao >> 1 el valor de Z’ prácticamente será cero. Por otra parte,si la impedancia de entrada
total es Zi’ = Zi ║Z’ y dado que Z’ ≈ 0, entonces Zi’ ≈ 0, lo que indica que la tensión de entrada
diferencial (Vd) es próxima a cero, y como VP está conectado a masa,el potencial del terminal
inversor también es prácticamente el de masa. Este efecto lo describimos diciendo que en la
entrada del AOP existe un cortocircuito virtual (masa virtual), indicando con el término virtual
que aunque esté incluida la impedancia Z2 para mantener la tensión diferencial igual a cero, en
realidad no circula corriente a través de este cortocircuito.
Se representa un amplificador inversor que utilizaremos para analizar y obtener la ganancia del
amplificador operacional. Como se ha citado anteriormente, por el cortocircuito no circula
corriente (masa virtual), y el punto que une las resistencias R1 y R2 se comportará como si
estuviese conectado a masa.
Una vez finalizado el análisis de este circuito se puede ver claramente que la tensión de
salida es proporcional a la tensión de entrada, siendo el factor de proporcionalidad una
constante que definimos con las resistencias R1 y R2. Este simple diseño de amplificador
operacional puede atenuar o amplificar las señalesaplicadas a nuestra entrada, el nombre
de inversor viene dado por el signo negativo presente en la fórmula, es decir, el montaje
invierte la fase de la señal de entrada.
Finalmente podemos destacar la presencia de una R3, cuya misión es la de compensar los
posibles efectos no deseados debidos a imperfeccionesen el funcionamiento de los
amplificadores operacionales reales,en concreto lo que se busca es disminuir el efecto de
unas intensidades de polarización residuales presentes en las entradas del amplificador
operacional.

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Amplificadores Operacionales

  • 1. Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación 1 I.E.S.JavierGarcía Téllez AMPLIFICADOR OPERACIONAL Son llamados amplificadores operacionales porque podemos encontrar circuitos montados a base de estos amplificadores que realizan operaciones matemáticas, como por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores... etc. La figura muestra el símbolo electrónico típico de un amplificador operacional. En este ejemplo, los pines 4 y 11 son de alimentación. Un amplificador operacional se puede alimentar con tensión sencilla o con tensión simétrica. La tensión sencilla consiste en alimentar con dos cables, uno el positivo y el otro masa. La tensión simétrica consiste en alimentar el circuito con tres cables, uno el positivo, otro el de masa y otro el negativo, con la misma tensión que el positivo pero negativa. La diferencia entre usar un tipo o el otro de alimentación está en lo que queramos obtener en la salida: si en la salida queremos obtener tensiones positivas y negativas tendremos que usar la alimentación simétrica, si solo queremos obtener tensiones positivas podemos usar alimentación simple. También tendrás que tener en cuenta que ni las entradas ni las salidas del operacional podrán sobrepasar los límites marcados por la alimentación, es decir, si alimentas a 12 V no esperes obtener 15 voltios a la salida. Los pines 2 y 3 son las entradas,y el 1 es la salida. A la hora de analizar circuitos con amplificadores operacionales se dice que la corriente por las entradas inversoras y no inversora del operacional es cero. Observamos en el símbolo que una de las entradas tiene el signo + y en la otra el signo -. A la que tiene el signo + se le llama entrada no inversora,y a la que tiene el signo - entrada inversora. Elfuncionamiento del amplificador operacional depende del resto del circuito. De momento, lo único que puedo decir es que el amplificador operacional "lee" la tensión en la entrada no inversora, "le resta" la tensión de la entrada inversora, el resultado lo multiplica por un número muy grande y eso lo saca por la salida.
  • 2. Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación 2 I.E.S.JavierGarcía Téllez TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES - INVERSOR Este es el circuito de ganancia constante más ampliamente usado. La tensión de salida se obtiene al multiplicar la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entre Rf y R, resultando invertida esta señalrespecto a la entrada. - NO INVERSOR En este caso la tensión de entrada es aplicada en la terminal no inversora obteniéndose así una tensión de salida proporcional a la tensión de entrada. Nótese que la fase de vo respecto a vi es la misma. - DIFERENCIAL El caso más general de configuración es una combinación de los dos modos anteriores. Es decir, permitir entrada tanto por la puerta inversora como por la no - inversora. La señalde salida será proporcional a la diferencia entre las entradas, y estará en fase con las señales aplicadas.
  • 3. Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación 3 I.E.S.JavierGarcía Téllez - SUMADOR Es probable que el más utilizado de los circuitos sea el amplificador sumador; en éste, la salida está dada por una combinación lineal de cada una de las entradas. Mediante este circuito es posible sumar algebraicamente los voltajes de cada una de las entradas,multiplicado por un factor de ganancia constante dado por Rf / Rk.
  • 4. Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación 4 I.E.S.JavierGarcía Téllez AMPLIFICADOR INTEGRADOR Para conseguir un dispositivo integrador intercambiamos la resistencia y el condensador de un circuito diferenciador según el esquema siguiente. Integrando en ambos miembros el resultado es: La intensidad I que "atraviesa" el condensador será la misma que la intensidad I que atraviesa la resistencia R ya que al ser V=0 la intensidad hacia ese terminal V-es nula. Por ello, I=Vi/R sustituyendo en la expresión de Vo tendremos... Expresión que nos indica que la señal de salida de este circuito es proporcional a la integral de la señal de entrada. En el caso particular en el cual Vi(t) fuera constante en el tiempo ese término saldría de la integral y la expresión tomaría la forma Expresión que muestra que la salida sería una recta con una determinada pendiente. Esta característica es muy útil, por ejemplo, para utilizar estos dispositivos en el diseño de generadores de señales. Así podemos conseguir una señal triangular de salida como respuesta a una señal cuadrada de entrada. El circuito integrador es un circuito con un amplificador operacional que realiza la operación matemática de integración. El circuito actúa como un elemento de almacenamiento que produce una salida de tensión que es proporcional a la integral en el tiempo de la tensión de entrada.
  • 5. Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación 5 I.E.S.JavierGarcía Téllez AMPLIFICADOR DERIVADOR Un derivador es un circuito en el que la señal de salida es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras palabras: La salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de la entrada. La fórmula: Velocidad de cambio = ∆ Vent / ∆ t , donde ∆ = cambio TIPOS DE ENTRADAS Señal de entrada es una tensión fija: La velocidad de variación de la señal de entrada es y por consiguiente la salida también será cero. -Señal de entrada es una onda cuadrada Cada vez que la señal cambia de nivel hay un brusca variación en la señalde entrada (se pasa de un nivel de tensión a otro en un tiempo muy corto). En la salida se observan unos picos, tanto en el sentido positivo como negativo.
  • 6. Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación 6 I.E.S.JavierGarcía Téllez -Señal de entrada es unA onda triangular La señal de salida es cuadrada, ejemplo: En el caso de la onda cuadrada de 3 voltios de amplitud: Velocidad de cambio = (3V-0V) / (0.005s – 0s) = 600 voltios/s Si el tiempo fuera menor la velocidad de cambio aumentaría. La salida de cada salto está invertida debido a que la entrada está conectada a la patita inversora del amplificador operacional. Cuando la señal de entrada es sinusoidal, la salida del derivador es como se muestra en el siguiente gráfico. Aquí Vsal = -VP cos wt (negativo pues el derivador es también inversor) Como VP = A Vent w, entonces Vsal = – A Vent w cos wt ó Vsal = – A Vent 2 pi f cos wt De la última fórmula se puede ver que un derivador es proporcional a la frecuencia de la señal de entrada. La mayor velocidad se da cuando la señal cruza el eje horizontal con un ángulo pronunciado. Si hubiese ruido a la entrada, éste normalmente sería de una frecuencia más alta comparado con la señal a derivar, esto causaría que pequeños valores de ruido aparezcan a la salida mucho más grandes. Para evitar esto se coloca en la entrada una resistencia R1 (en serie con el capacitor C) y un condensador C1 se agrega en paralelo con la resistencia de realimentación (R) para reducir la tendencia a oscilar del circuito. El circuito derivador realiza la operación matemática de derivación, de modo que la salida de este circuito es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras palabras, la salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de entrada. Para que la señal ingrese totalmente al amplificador operacional la resistencia de entrada debe ser muy grande con respecto a la resistencia de la fuente.
  • 7. Alfonso Jara García Sistemade MedidayRegulación 7 I.E.S.JavierGarcía Téllez AMPLIFICADOR PROPORCIONAL O INVERSOR Es el modo de configuración más importante en los circuitos con amplificadores operacionales, denominado inversor por estar desfasada la señalde salida 180° con relación a la de entrada, característica fundamental de este circuito. El circuito representa el esquema de un amplificador inversor típico que nos servirá para observar el efecto de la impedancia Z2 de realimentación sobre el comportamiento del amplificador operacional. La conexión de Z2 entre el terminal de salida Vo y el terminal VN equivale a conectar en paralelo con la impedancia de entrada del AOP (Zi) una impedancia de valor Z’ = Z2/Ao y dado que Ao >> 1 el valor de Z’ prácticamente será cero. Por otra parte,si la impedancia de entrada total es Zi’ = Zi ║Z’ y dado que Z’ ≈ 0, entonces Zi’ ≈ 0, lo que indica que la tensión de entrada diferencial (Vd) es próxima a cero, y como VP está conectado a masa,el potencial del terminal inversor también es prácticamente el de masa. Este efecto lo describimos diciendo que en la entrada del AOP existe un cortocircuito virtual (masa virtual), indicando con el término virtual que aunque esté incluida la impedancia Z2 para mantener la tensión diferencial igual a cero, en realidad no circula corriente a través de este cortocircuito. Se representa un amplificador inversor que utilizaremos para analizar y obtener la ganancia del amplificador operacional. Como se ha citado anteriormente, por el cortocircuito no circula corriente (masa virtual), y el punto que une las resistencias R1 y R2 se comportará como si estuviese conectado a masa. Una vez finalizado el análisis de este circuito se puede ver claramente que la tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, siendo el factor de proporcionalidad una constante que definimos con las resistencias R1 y R2. Este simple diseño de amplificador operacional puede atenuar o amplificar las señalesaplicadas a nuestra entrada, el nombre de inversor viene dado por el signo negativo presente en la fórmula, es decir, el montaje invierte la fase de la señal de entrada. Finalmente podemos destacar la presencia de una R3, cuya misión es la de compensar los posibles efectos no deseados debidos a imperfeccionesen el funcionamiento de los amplificadores operacionales reales,en concreto lo que se busca es disminuir el efecto de unas intensidades de polarización residuales presentes en las entradas del amplificador operacional.