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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ
MATERIA:
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
TRABAJO:
AMPLIFICADORES BÁSICOS
INTEGRANTES:
ALQUISIRES ROMERO FRANCISCO
BALOÉS GIJÓN MIRIAM
FIGUEROA FUENTES JOSÉ MICHEL
SIBAJA JIMÉNEZ REYNALDO
CARRERA:
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SEMESTRE: VII GRUPO: C
DOCENTE:
ING. MARIO ENRIQUEZ NICOLÁS
SALINA CRUZ OAXACA, OCTUBRE DEL 2014.
UNIDAD II. AMPLIFICADORES OPERACIONALES CON
RETROALIMENTACIÓN NEGATIVA.
2.2. AMPLIFICADORES BÁSICOS.
El amplificador operacional goza de gran popularidad porque su costo es bajo y es
fácil de utilizar. Permite construir circuitos útiles sin necesidad de conocer la
complejidad de la circuitería interna. Los primeros amplificadores operacionales
servían para construir circuitos capaces de sumar, restar, multiplicar e incluso
resolver ecuaciones diferenciales.
Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su
tiempo: la válvula de vacío. El amplificador, que era un sistema formado
antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para
convertirse en un componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado
por completo el panorama del diseño de circuitos lineales.
Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos
amplificadores básicos: las configuraciones inversora y no inversora. Casi todos
los demás circuitos con amplificadores operacionales están basados, de alguna
forma, en estas dos configuraciones básicas. Además, existen variaciones
estrechamente relacionadas de estos dos circuitos, más otro circuito básico que es
una combinación de los dos primeros: el amplificador diferencial.
2.2.1. AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE VOLTAJE.
El circuito de la figura 3-7 se denomina seguidor de voltaje; pero también se
conoce como seguidor de fuente, amplificador de ganancia unitaria o amplificador
de aislamiento.
El voltaje de entrada, Ei, se aplica directamente a la entrada (+). Ya que el voltaje
entre las terminales (+) y (-) del amplificador operacional puede considerarse 0:
Observe que el voltaje de salida iguala al voltaje de entrada, tanto en magnitud
como en signo. Por lo tanto, como el nombre del circuito lo indica, el voltaje de
salida sigue al voltaje de entrada o de fuente. La ganancia del voltaje es 1 (o la
unidad), como se puede ver en:
En que se emplea el seguidor de voltaje.
El seguidor de voltaje se utiliza debido a que su resistencia de entrada es alta
(varios megaohms). Por lo tanto, extrae una corriente despreciable de la fuente de
señal. Por ejemplo, en la figura 3-9(a) la fuente de señal tiene, en circuito abierto,
un voltaje, Egen, de 1.0 v. La resistencia interna del generador es de 90 kΩ. El
voltaje Ei de la fuente de alimentación es el voltaje de entrada al amplificador y es
igual a Egen. Así:
Ahora se considerará la misma fuente de señal conectada con un amplificador
inversor cuya ganancia es -1 [ver la figura 3-9(b)]. La resistencia de entrada a un
amplificador inversor es Ri. Esto provoca que el voltaje del generador, Egen se
divida entre Rint y Ri. Aplicando la ley de división de voltaje, se encuentra el voltaje
terminal del generador Ei.
Por lo tanto, este 0.1 v es lo que se convierte en voltaje de entrada del
amplificador inversor. Si el amplificador inversor tiene una ganancia de sólo -1, el
voltaje de salida Vo es -0.1 V.
Es la configuración en bucle cerrado más importante en circuitos con
operacionales, y sus aplicaciones más comunes pueden ser: amplificador no
inversor, amplificador inversor, sumador diferencial, diferenciador, integrador, filtros
activos, etc.
2.2.2. AMPLIFICADOR INVERSOR.
Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada,
en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la
ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en
la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no
inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de
entrada negativo, se llama de realimentación.
En todo A.O. podemos decir que:
Por tanto si:
Con lo cual las corrientes I1 e I2:
Como quedamos que Vx=0 quedará:
Al ser Ix=0, entonces: I1=I2 y por lo tanto:
Al final tenemos:
Fórmula que nos indica que la tensión de salida Vo es la tensión de entrada Vi
multiplicada por una ganancia R2/R1. El signo negativo de la expresión indica la
inversión de fase entre la entrada y la salida.
- Impedancia de entrada:
- Impedancia de salida:
2.2.3. AMPLIFICADOR NO INVERSOR.
Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce
por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en
fase con la señal de entrada y amplificada. El análisis matemático será igual que
en el montaje inversor.
Consideramos:
Teniendo en cuenta que: Vy=Vi y Vx=Vi tenemos:
En este caso la ganancia será:
Como se ve la ganancia de éste amplificador no puede ser menor que 1. Como en
el caso del amplificador inversor R3 es igual a la combinada en paralelo de R2 y
R1.
2.2.4. AMPLIFICADOR DIFERENCIADOR.
Un diferenciador basado en un amplificador operacional simula la diferenciación
matemática, la cual es un proceso de determinar la razón de cambio instantánea
de una función. Los diferenciadores prácticos pueden incluir un resistor en serie
con el comparador para reducir el ruido de alta frecuencia.
DIFERENCIADOR IDEAL.
En la figura siguiente se muestra un diferenciador ideal. Observe cómo difiere la
colocación del capacitor y resistor de aquella utilizada en el integrador. El
capacitor ahora es el elemento de entrada y el resistor es el elemento de
realimentación. Un diferenciador produce una salida que es proporcional a la
razón de cambio del voltaje de entrada.
Figura de Diferenciador basado en un amplificador operacional.
Para ver cómo funciona el diferenciador, aplíquese un voltaje de rampa que tiende
a un valor positivo a la entrada. En este caso, IC =Ient y el voltaje a través del
capacitor es igual a Vent en todo momento (VC =Vent) debido al tierra virtual en la
entrada inversora. Según la fórmula básica, VC = (IC/C)t, la corriente en el
capacitor es:
Figura de un diferenciador con una entrada rampa
Como la corriente en la entrada inversora es despreciable, IR = IC. Ambas
corrientes son constantes porque la pendiente del voltaje en el capacitor (VC/t) es
constante. El voltaje de salida también es constante e igual al voltaje a través de
Rf, porque un lado del resistor de realimentación siempre está a 0 V (tierra virtual)
La salida es negativa cuando la entrada es una rampa que tiende a un valor
positivo, y es positiva cuando la entrada es una rampa que tiende a un valor
negativo, como se ilustra en la figura siguiente.
Durante la pendiente positiva de la entrada, el capacitor se carga con fuente de
entrada y la corriente constante fluye a través del resistor de realimentación en la
dirección mostrada. Durante la pendiente negativa de la entrada, la corriente fluye
en la dirección opuesta porque el capacitor se está descargando.
EL DIFERENCIADOR PRÁCTICO
El diferenciador ideal utiliza un capacitor en serie con la entrada inversora.
Debido a que el capacitor tiene una muy baja impedancia a altas frecuencias, la
combinación de Rf y C forma un amplificador de muy alta ganancia a altas
frecuencias. Esto quiere decir que un circuito diferenciador tiende a ser ruidoso
porque el ruido eléctrico se compone principalmente de altas frecuencias. La
solución a este problema es simplemente agregar un resistor, Rent, en serie con el
capacitor para que actúe como un filtro pasobajas con el fin de reducir la ganancia
en altas frecuencias.
La figura siguiente muestra un diferenciador práctico. También se puede utilizar un
resistor para compensar el efecto de la polarización en la entrada no inversora.
2.2.5 AMPLIFICADORES SUMADORES
El amplificador sumador es una aplicación de la configuración de amplificador
operacional Inversor.
AMPLIFICADOR SUMADOR CON GANANCIA UNITARIA
Un amplificador sumador tiene dos o más entradas y su voltaje de salida es
proporcional al negativo de la suma algebraica de sus voltajes de entrada. En la
figura 13-20 se muestra un amplificador sumador de dos entradas, aunque se
puede utilizar cualquier número. La operación del circuito y derivación de las
expresiones de salida son como sigue. Se aplican dos voltajes, VENT1 y VENT2 a
las entradas y producen las corrientes I1 e I2, como se muestra. Utilizando los
conceptos de impedancia de entrada infinita y tierra virtual, se puede determinar
que la entrada inversora (-) del amplificador operacional es aproximadamente de 0
V y que no fluye corriente a través de él. Esto significa que ambas corrientes de
entrada I1 e I2 se combinan en un punto de suma, A, y forman la corriente total
(IT), la cual circula a través de Rf, como se indica en la figura 13-20.
La ecuación siguiente muestra que el voltaje de salida tiene la misma magnitud
que la suma de los dos voltajes de entrada pero con signo negativo, lo que indica
inversión.
IT = I1 + I2
Como VSAL=-ITRF, los siguientes pasos aplican:
Si los tres resistores son iguales (R1 =R2 = Rf = R), entonces
En la siguiente ecuación se da una expresión general para un amplificador
sumador de ganancia unitaria con n entradas, como muestra la figura siguiente
donde todos los resistores son del mismo valor.
VSAL =-(VENT1 +VENT2 + VENT3 +… + VENTn)
AMPLIFICADOR SUMADOR CON GANANCIA MAYOR QUE LA UNIDAD
Cuando Rf es más grande que los resistores de entrada, la ganancia del
amplificador es Rf /R, donde R es el valor de cada resistor de entrada de valor
igual. La expresión general para la salida es
Como se puede ver, el voltaje de salida tiene la misma magnitud que la suma de
todos los voltajes de entrada multiplicada por una constante determinada por la
relación -(Rf/R).
Determine el voltaje de salida para el amplificador sumador de la siguiente figura
2.2.6. AMPLIFICADOR DERIVADOR.
En la salida (V0) se obtiene la derivada de la señal de entrada (Vi), respecto al
tiempo, multiplicada por una constante.
El circuito se basa en un inversor, en el que R1 se ha sustituido por un
condensador.
Este dispositivo nos permite obtener la derivada de la señal de entrada. En el caso
general la tensión de entrada variará con el tiempo Vi= Vi (t). La principal
diferencia que se observa en este circuito es la presencia de un condensador de
capacidad constante C. Como se sabe la carga Q que almacena un condensador
es proporcional a su capacidad C y a la diferencia de potencial V a la que estén
sometidos las armaduras de éste (Q=CV). Es fácil entender que si la tensión varía
con el tiempo y la capacidad del condensador es constante, la carga que éste
almacena también variará con el tiempo, Q= Q (t).
Está claro también que el primer miembro de esta igualdad representa el concepto
de intensidad I= (dV/dt) (C). Además la diferencia de potencial en los extremos del
condensador es Vi ya que una de sus armaduras tiene un potencial Vi y la otra,
tiene un potencial cero ya que V-=0 al ser V+=0.
La señal de salida Vo se obtiene sabiendo que V0= -IR, sustituyendo los valores
obtenidos queda:
Como se puede ver en esta expresión Vo es proporcional a la derivada con
respecto al tiempo de la señal de entrada. La constante de proporcionalidad RC es
la conocida constante de tiempo. Para la utilización de este dispositivo debemos
"vaciar" previamente el condensador de toda carga, para ello producimos un
cortocircuito entre sus armaduras. A continuación, deshaciendo ese cortocircuito,
dejamos que el sistema evolucione durante el tiempo deseado obteniendo su
derivada a la salida.
Con este dispositivo se pueden hacer muchas combinaciones, así, por ejemplo,
podemos conseguir un circuito que obtenga la derivada de una señal determinada
y además le sume una segunda señal, con el esquema siguiente.
2.2.7. AMPLIFICADOR INTEGRADOR.
La salida es el producto de una constante por la integral de la señal de entrada.
Para conseguir un dispositivo integrador intercambiamos la resistencia y el
condensador de un circuito diferenciador según el esquema siguiente.
Como ya vimos antes I=(C) (dVc/dt) despejando dVC será
Integrando en ambos miembros
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.