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Instituto Tecnológico de Culiacán

Electrónica Analógica

Ingeniería mecatrónica

Prof: Ing. Cesar Ortiz Franco

Unidad 4: Amplificadores Operacionales

Estudiante: Meza Talamantes José Alfredo

Aula UA19

Horario: 8:00-9:00

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Índice

Amplificador operacional

4.1 Amplificador operacional ideal 6

4.2 Esquema interno 7

4.3 Parámetros y características eléctricas 8

4.3.1 Relacion de rechazo en modo común 11

4.3.2 Tension de offset 11

4.3.3 Corriente de polarización 12

4.3.4 Tierra virtual 13

4.4 Circuitos básicos 13 4.4.1 Inversor 13

4.4.2 No inversor 14

4.4.3 Comparador 14

4.4.4 Sumador 14

4.4.5 Restador 14

4.4.6 Integrador y diferencial 15

4.5 Circuito convertidor 16

4.5.1 De voltaje a corriente 16

4.5.2 De corriente a voltaje 17

4.5.3 De voltaje a frecuencia 17

4.5.4De frecuencia a voltaje 18

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Amplificadores operacionales

La mayor parte del control y medida de los procesos industriales se realiza mediante circuitos electrónicos, siendo el amplificador operacional (Amp. Op.) un módulo básico de dichos circuitos de control. Aunque cada vez más, el procesado de la información y la toma de decisiones del sistema se realiza con circuitos digitales o sistemas basados en microprocesadores, la conversión de las variables medidas (temperatura, presión, velocidad, etc.) en variables eléctricas: corriente o tensión (en los sensores), o la conversión inversa (en los actuadores analógicos),

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requiere de circuitos analógicos, donde el amplificador operacional juega un papel fundamental.

4.1 El amplificador operacional ideal

Podemos decir que el amplificador operacional es DIFERENCIAL ya que la salida depende de la diferencia de tensión en sus entradas. A es una constante para cada amplificador y sus valores son muy altos (>200000 para Amplificadores reales). En lazo abierto significa que es la ganancia del propio dispositivo sin conectar a nada.

Propiedades del amplificador operacional ideal

1. La ganancia en lazo abierto A es infinita.

2. Las resistencias que se ven desde cada uno de los terminales de entrada son infinitas o, lo que es lo mismo, las intensidades de entrada I- e I+ son nulas.

3. La impedancia de carga de un circuito conectado en cascada con el OP no influye en la tensión de salida: V fZ 0 ≠ L ( ).

4. Es un amplificador de corriente continua y alterna.

5. Es capaz de amplificar la señal de entrada independientemente de su frecuencia. .

Los OP se suelen utilizar con realimentación ya que esto hace que podamos controlar su ganancia. Como veremos la ganancia en lazo cerrado no dependa nada más que del circuito externo aplicado. Según como sea este circuito tendremos varias configuraciones de amplificador.

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4.2 Esquema interno amplificador operacional

4.3 Parámetros y características eléctricas

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ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS

Amplificadores operacionales comunes

LM741

Este dispositivo es un amplificador de propósito general bastante conocido y de uso muy extendido. Sus parámetros son bastante regulares, no teniendo ninguno que sea el mejor respecto a los de los demás, pero en conjunto presenta una alta impedancia de entrada, pequeños offset (de corriente y de voltaje) en la entrada y buenos parámetros.

LM725

Este amplificador es un modelo bastante similar al LM741, pero que mejora bastantes de sus parámetros. Tiene unos valores para la corriente y el voltaje de offset de entrada menores, su corriente de polarización también es menor y su CMRR más elevado. Sin embargo, la impedancia de entrada de este dispositivo es inferior a la que presenta el LM741.

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LF411

Este dispositivo posee excelentes parámetros. Tiene uno offset de entrada y una corriente de polarización de valores muy bajos. Además su impedancia de entrada es la más elevada de todas (junto con el MAX430). Es uno de los amplificadores operacionales de National Semiconductors para aplicaciones de máxima precisión.

OPA124

Este chip es el que presenta los valores más bajos de corriente offset de entrada y de corriente de polarización de entrada. Posee una impedancia de entrada elevadísima, la cual se presenta como una resistencia en paralelo con un condensador. Es uno de los mejores amplificadores operacionales que he analizado.

NE5533

Este chip es el que posee (a nivel general) peores prestaciones de todos los amplificadores que se encuentran en el estudio. Su impedancia de entrada es la menos alta de todas y su corriente de polarización la más elevada. Es un amplificador para aplicaciones en las que no se requiera de alta precisión.

NE/SE5532

Este dispositivo está diseñado a partir de dos amplificadores operacionales con alta ganancia que se colocan de manera opuesta para presentar compensación en los parámetros. También está pensado para que pueda operar en un rango amplio de voltajes de alimentación. Posee el bandwith (ancho de banda) más alto de todos los amplificadores que se han analizado.

NE/SE5514

Este dispositivo se presenta como un amplificador operacional para aplicaciones con altas exigencias. Presenta una corriente de polarización bastante baja y unas corrientes y voltajes de offset con valores también bajos. La impedancia de entrada de este dispositivo es una de las más altas de todos

los amplificadores que he analizado y por ello este dispositivo es apropiado cuando trabajemos con un elemento que disponga de una impedancia de salida muy elevada.

NE/SE5230

Este amplificador operacional presenta una característica diferenciadora respecto al resto de amplificadores y que no está mostrada en la tabla, la cual consiste ven que está especialmente diseñado para trabajar con voltajes de alimentación muy bajos. De este modo este operacional se puede alimentar con ±18V o con ±1,5V.

Otros amplificadores, con tensiones de alimentación tan bajas no pueden funcionar correctamente, por lo tanto este dispositivo es ideal cuando haya que utilizar un amplificador operacional en una placa en la cual se quiera utilizar un

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mismo voltaje (por ejemplo niveles TTL) para alimentar toda la circuitería. Sus parámetros son en general buenos presentando pequeños valores de offset a la entrada.

NE/SE532

Este chip posee buenos parámetros, pero dos de ellos destacan sobre los demás. Es el amplificador con mayor rango de voltaje de entrada ±16 V y también es el que posee mayor límite en la corriente de salida. Este amplificador puede atacar cargas con un valor de corriente casi el doble a la de otros amplificadores.

MAX430

Este amplificador presenta unos parámetros que le acercan a los de los amplificadores de instrumentación. Esta diseñado para presentar una alta precisión.

Posee el valor de offset de entrada más bajo de todos los amplificadores y también los valores más altos de rechazo al modo común CMRR y al voltaje de alimentación PSRR. También cabe destacar que posee la impedancia de entrada más alta de todos los amplificadores, y me hace pensar que aunque el fabricante presenta este dispositivo como un amplificador operacional, su estructura tal vez esté compuesta por tres operacionales como los amplificadores de instrumentación.

MXL1001

El fabricante presenta a este dispositivo como un amplificador operacional de precisión. Posee muy buenos parámetros y cabe destacar que es el dispositivo con uno de los mayores rangos de voltaje de entrada (±14 V). Me ha llamado la atención que en la documentación técnica de este sensor, el fabricante aporta una imagen ampliada del diseño PCB que posee el amplificador operacional internamente y señala sobre el dibujo los diferentes lugares desde donde surgen los pines hacia el exterior del chip

4.3.1 Relación de rechazo en modo común

La relación de rechazo de modo común de un amplificador diferencial es la tendencia del dispositivo para rechazar señales de la entrada común a los dos cables de entrada. Un alto CMRR es importante en aplicaciones en las que la señal de interés está representado por una pequeña fluctuación de la tensión superpuesta sobre una tensión de offset, o cuando la información relevante se encuentra en la diferencia de tensión entre dos señales.

Idealmente, un amplificador diferencial toma las tensiones, y en sus dos entradas y produce una tensión de salida, donde es la ganancia diferencial. Sin embargo, la salida de un amplificador diferencial real, se describe mejor como donde es la ganancia en modo común, que es típicamente mucho menor que la ganancia

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diferencial. El CMRR se define como la relación de los poderes de la ganancia diferencial sobre la ganancia en modo común, medido en decibelios positivos:

Como de ganancia diferencial debe exceder de ganancia en modo común, este será un número positivo, y cuanto más alto mejor. La CMRR es una especificación muy importante, ya que indica la cantidad de la señal de modo común se aparezca en su medición. El valor de la CMRR depende a menudo en frecuencia de la señal como bien, y se debe especificar como una función de la misma.

A menudo es importante en la reducción de ruido en las líneas de transmisión. Por ejemplo, cuando se mide la resistencia de un termopar en un ambiente ruidoso, el ruido del ambiente aparece como un desplazamiento en ambos conductores de entrada, por lo que es una señal de voltaje de modo común. El CMRR del instrumento de medición determina la atenuación aplicada a la compensación o el ruido.

4.3.2 Tensión de offset de entrada (VOS).

En un amplificador operacional real, para que la salida se anule es necesario aplicar entre las entradas una cierta pequeña tensión que se denomina offset de voltaje de entrada.

El voltaje de offset de entrada (VOS) es la entrada diferencial que hay que aplicar al amplificador operacional para que el voltaje de salida sea cero.

La tensión de offset de entrada es dependientes de la temperatura y de la tensión de las fuentes de alimentación del amplificador operacional, y así mismo, tienen deriva con el tiempo. En este caso, el fabricante indica que es muy poco dependiente de la temperatura, y no da información de las restantes características. El efecto de la tensión de offset de entrada en un circuito, se evalúa aplicando el principio de superposición. El efecto de la tensión de offset de entrada sólo es influida por la ganancia de la etapa, y esta es una característica funcional que está establecida en las especificaciones del diseño. Hay dos formas de atenuar el efecto del offset de tensión:

1. Seleccionando el amplificador operacional adecuado. Los fabricantes reducen el offset de tensión de entrada de los amplificadores operacionales utilizando técnicas especiales de diseño del amplificador. Actualmente se ofrecen amplificadores operacionales con offset muy bajos.

2. Compensando el offset mediante un circuito interno o externo. En aplicaciones de precisión, se debe compensar el efecto combinado del offset de tensión de entrada, de la intensidad de polarización y del la intensidad de offset. A tal fin, la mayoría de los amplificadores operacionales ofrecen un circuito específico de compensación de los offset.

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Cuando un amplificado no posee un mecanismo de compensación de offset interno, se puede añadir algunos elementos externo que realicen su cancelación. En esto circuitos es muy importante tener en cuenta lo pequeño del valor del offset que se está compensando (en el ejemplo de la figura la compensación de offset se realizaría en el rango de (±1.8 mV)).

Cuando el offset de un circuito ha sido cancelado en el laboratorio, asume una gran relevancia los parámetros de deriva con el tiempo o con otros parámetros.

4.3.3 Corriente de polarización

Corriente de polarización, llamada también señal de vías o, simplemente, vías. Se trata de una señal no audible que induce el magnetismo en la zona lineal de la curva de histéresis Sin la señal de vías, el material sobre el que se ha magnetizado contaría con menor remanencia magnética.

Corrientes de polarización : El circuito de entrada de todos los amplificadores operacionales requiere una cierta cantidad de corriente vías para operar. La corriente vías, IBIAS, es la media de las dos corrientes de entrada: Entradas con CMOS y JFETs ofrecen una menor cantidad de corriente que las entradas bipolares estándar. La mejor solución para tener una corriente vías pequeña es utilizar este tipo de amplificadores operacionales. Ejemplo: El amplificador inversor con corriente de polarización:

El amplificador diferencial es la etapa de entrada característica de un amplificador operacional. No tiene capacitores desacoplamiento ni de paso, lo que implica que está directamente acoplado. Por esto, puede amplificar cualquier frecuencia incluyendo la señal de DC, que es equivalente a una señal de frecuencia cero. La corriente de cola en un amplificador diferencial se divide exactamente entre los transistores cuando estos son idénticos. Características de las dos entradas Cuando los dos transistores de un amplificador diferencial no son idénticos, las dos corrientes de base son diferentes. La corriente de desajuste de la entrada se define como la diferencia entre las dos corrientes de base. 

4.3.4 Tierra virtual

en un AO la tierra virtual e un concepto donde existe cero voltaje y considera que las dos entradas de AO la positiva y la negativa están a potencial cero. Así el concepto de tierra virtual se utiliza como si fuera una tierra sin serlo para el análisis eléctrico del componente. ya que como sabes entre las terminales existe una impedancia pero aun así se considera que tiene voltaje cero y no absorte corriente

4.4 Circuitos básicos

4.4.1 Amplificador inversor

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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.

4.4.2 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.

4.4.3 Amplificador comparador

En un circuito electrónico, se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.

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4.4.4 Amplificador sumador

un amplificador sumador es un circuito electrónico creado por medio de amplificadores operacionales el cual está en capacidad de sumar o unir dos señales de entrada y unirlas en una sola a la salida.

4.4.5 Amplificador operacional restador

Los amplificadores operacionales como restador, resta las seañes de entrada y luego las amplifica.

4.4.6 Amplificador operacional derivador

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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.

La magnitud de su salida se determina por la velocidad a la que se aplica el voltaje a los cambios de la entrada. Cuanto más rápido se produzcan los cambios en la entrada, mayor será la tensión de salida.

Amplificador operacional integrador

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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4.5 Circuito convertidor

4.5.1 Amplificador de Voltaje a Corriente

La salida de corriente a través de la resistencia de carga es proporcional al voltaje de entrada

Convertidor de Voltaje a Corriente Convertidor del tipo V-I (carga flotada) (V+) está conectado a Vi. (V-) = (V+), de tal forma que la terminal inversora tiene el mismo potencial que Vi. La corriente a través de R1 es IL. La corriente IL no depende de la resistencia RL. Notar que la carga esta flotada.

Otro convertidor de Voltaje a Corriente Convertidor V-I con carga aterrizada IL no depende de RL. Sólo depende de VIN y VREF. 1/R1 determina la constante de proporcionalidad entre V y I. Notar que la carga esta referenciada a tierra 

4.5.2 Conversor de corriente a voltaje (Amplificador de transimpedancia.)

El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una fuente de corriente.

Su aplicación es en sensores, los cuales no pueden ser activados, con la poca corriente que sale de algún sensor , por lo que se acopla un A.O. que usa la poca corriente entregada, para dar salida a un voltaje (Vout).

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5.5.3 Voltaje frecuencia

La función de un conversor voltaje – frecuencia es la de convertir una señal analógica a una serie de pulsos. La principal aplicación de este dispositivo es la implementación en una manera muy sencilla de una conversión analógica a digital.

La razón para realizar este tipo de conversión es que es mucho más fácil transmitir y decodificar con precisión una serie de pulsos que una señal analógica, sobre todo, si la distancia a la que se debe transmitir la señal es larga y ruidosa.

En estos casos se colocará al final de la línea de transmisión, un conversor frecuencia – voltaje para obtener nuevamente una señal analógica.

Usualmente los conversores voltaje – frecuencia tiene especificaciones más estrictas que un VCO (oscilador controlado por tensión).

Las especificaciones necesarias para una buena conversión son:

a) Un rango dinámico amplio (cuatro décadas o más).

b) Bajo error de linealidad (desviación de la recta de proporcionalidad V = k F), en general

c) menor al 0.1 %.

d) Precisión y estabilidad (con la temperatura y variaciones de la tensión de alimentación) en el factor de escala k de la conversión. El LM331 como conversor tensión a frecuencia. En la siguiente figura vemos un circuito típico de aplicación sugerido por el fabricante en las hojas de datos del circuito integrado para la conversión tensión – frecuencia.Luego puede observarse en el diagrama un capacitor Ci para filtrar la señal de entrada en caso de que esté acoplada con un

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ruido de alta frecuencia que pueda afectar la salida. Finalmente, a través del potenciómetro conectado al pin 2, se intenta compensar la dispersión de Rt, RL y Ct para igualar la ganancia práctica a la ganancia teórica dada por la ecuación de escala del sistema.

4.5.4Convertidores de Frecuencia a Voltaje

Los convertidores de frecuencia a voltaje son circuitos integrados que convierten un voltaje de entrada análogo en un tren de pulsos cuya frecuencia de salida es proporcional al nivel de entrada (figura 4.55 ). Se utilizan en aplicaciones de conversión análogo a digital donde la velocidad no es un factor crítico, también opera como convertidores de frecuencia a voltaje y pueden ser utilizados como convertidores de señales digitales a análogas de baja frecuencia.

Dentro de los convertidores de señales de voltaje a frecuencia o de frecuencia a voltaje se encuentran: LM331 de National semiconductor, AD650 de Analog Devices, VFC32 de Burr Brown, XR4151 de Exar (Ver hojas de datos).

Algunas aplicaciones de los convertidores de Frecuencia a Voltaje son:

Control de velocidad de motores.Medición de flujoDemodulación de FMTransmisión de datos.Aislamiento de sistemasEnlaces ópticos

Bibliografía

Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Boylestad L. Robert. Octava edición.

web

http://www.lcardaba.com/articles/opamps.html

http://www.foroselectronica.es/f111/amplificador-operacional-restador-1952.html

http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-6-teoria.pdf

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADOR-RESTADOR.php

http://electronica.webcindario.com/tutoriales/opamp4.htm

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http://www.buenastareas.com/ensayos/Corriente-De-Polarizacion-De-Entrada/1633365.html

http://www.uhu.es/adoracion.hermoso/Documentos/Tema-4-AmpliOperc.pdf

http://electronica.ilaweb.com/2010/12/18/el-a-o-como-sumador-restador-y-comparador/

http://www.uhu.es/adoracion.hermoso/Documentos/tema-5.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040003/lecciones/cap4lecc7.htm

http://daqcircuitos.net/index.php/circuitos-tipicos-con-amplificadores-

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http://daqcircuitos.net/index.php/circuitos-tipicos-con-amplificadores-operacionales/circuito-diferencial/75-circuito-diferencial

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http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electronic/opampi.html#c2

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