Amplificador operacional
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El amplificador operacional es un dispositivo electrónico que tiene dos entradas y una salida, donde la salida es la diferencia de las entradas multiplicada por una ganancia. Originalmente se usaban para operaciones matemáticas en calculadoras analógicas. El más conocido es el UA741 o LM741.
Amplificador operacional
- 1. Amplificador operacional Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): (Vout = G · (V(+) − V(−))) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741. El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar. Originalmente los amplificadores operacionales se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre. El amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero Los terminales son: V+: entrada no inversora
- 2. V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa configuraciones Comparador Artículo principal: Comparador Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos. Seguidor Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.
- 3. Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin Zin = ∞ Si se da el caso de que una de las dos entradas (patillas) su tensión es O (está a tierra o masa) la tensión de salida (Vout ) será 0. Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la resistencia interna del sensor es Rg, entonces la relación entre la tensión medida por el voltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor (Vg) será la correspondiente a este divisor de tensión: Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión en el sensor y el cableado.
- 4. Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida. No inversor Como observamos, la tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión. Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.
- 5. Sumador inversor La salida está invertida Para resistencias independientes R1, R2,... Rn o La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Zn = Rn Restador Inversor Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:
- 6. o Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2 + Rin, donde Rin representa la resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada del amplificador de modo común. Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación. Integrador ideal Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo) o Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado
- 7. (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador. Derivador ideal Deriva e invierte la señal respecto al tiempo Este circuito también se usa como filtro NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido. Conversor de corriente a tensión
- 8. El conversor de corriente a tensión, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en una tensión proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que está diseñado para trabajar con una fuente de corriente. Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y la tensión de salida es: 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 Aplificador Operacional que usa la poca corriente entregada, para dar salida a una tensión (Vout)
- 9. filtro Concepto de Filtro Activo: Los filtros activos son circuitos electrónicos utilizados en sistemas de comunicaciones, conformados por resistencias, capacitores y amplificadores operacionales, con el propósito de impedir o permitir el paso de señales a determinados valores o rangos de frecuencias. (Gp:) f1 = (10Khz) (Gp:) f2 = (5Khz) (Gp:) f0 = (5Khz) (Gp:) Filtro Activo rectificador En el rectificador para instrumentación de onda completa, para lograr obtener una salida totalmente rectificada, se ponen unos elementos adicionales al rectificador de media onda que ya se conoce
- 10. En el rectificador de media onda, en el ciclo positivo de la entrada, el diodo 2 no conduce, y no se obtiene la señal a la salida. En el diagrama la resistencia Ra esta conectada entre la entrada Ven y la entrada no inversora del segundo operacional. La salida del segundo operacional entonces entrega una señal negativa (El semiciclo positivo de la señal de entrada se invierte una vez)