El Amplificador Operacional

 

Características estáticas y dinámicas

 

El amplificador operacional constituye el bloque básico de los circuitos de amplificación. En la figura  se muestra el símbolo y la relación entre la entrada y la salida en un amplificador operacional.

 


 

 

 


Las características estáticas principales de un amplificador operacional son:

 

1.    Ganancia de lazo abierta elevada del orden de 105, que disminuye con la frecuencia. El producto ganancia-frecuencia es típicamente de 105 a 108 Hz.

2.    Alta impedancia de entrada en el orden de 106 W para amplificadores operacionales construidos a base de transistores bipolares y 1012  W para los de transistores FET.

3.     Si V- = V+, Vo no es cero, sino que tiene un pequeño valor que se le conoce como voltaje de desviación cero (voltaje offset), el cual se debe a potenciales y corrientes internas del amplificador operacional que se encuentran desbalenceadas.

4.    Los terminales de entrada V- y V+, tienen corrientes de polarización externas diferentes que pueden producir desviación en el voltaje de salida Vo si las impedancias externas al amplificador son diferentes.

5.    Los voltajes de desviación internos y las corrientes de polarización son generalmente funciones de la temperatura, por lo que se hace necesario referirse a las hojas del fabricante para estimar cual va a ser la variación de las entradas y salidas, a partir de la información que se tenga sobre la variación de la temperatura.

6.    La corriente de salida está típicamente limitada a 10 mA para ± 10 voltios.

 

 

 

Circuitos Amplificadores Básicos

 

En la figura se muestran los circuitos amplificadores realimentados más comunes. Identificado con la letra a se tiene al amplificador inversor, el mismo se caracteriza por presentar una ganancia de lazo cerrado que viene dada por las relaciones:

 

  

 

para valores grandes de ganancia  de lazo abierto A se llega a la expresión aproximada y más comúnmente usada del amplificador inversor  G = -R2/R1. La señal de entrada se conecta al  terminal inversor del amplificador operacional. En este amplificador la salida está desfasada 180° con la entrada. Para mínimo error de voltaje  de desviación R3 = R1//R2.

 

 

 

 


 


En el amplificador no inversor, la señal de entrada se aplica al terminal no inversor del amplificador. La ganancia de lazo cerrado  viene dada por:

 

                                                      

 

 

 

 

para valores  grandes   de A   se  llega a la relación  aproximada  más  comúnmente usada  G = (R1+R2)/R1. En el amplificador no inversor la salida está en fase con la entrada. Para mínimo error de voltaje de desviación, R1//R2 = R, siendo R la resistencia de salida de la señal de alimentación conectada  a la entrada no inversora.

 

El amplificador diferencial está diseñado para trabajar con voltajes en modo diferencial. Este circuito amplificador constituye la base para el amplificador de instrumentación que se analizará posteriormente. El voltaje de salida VO en función de los voltajes V1 y V2 viene dado por:                                                 

 

                                                                                              

 

 

Para el caso especial donde R1 = R3 y R2 = R4 se tiene:

;       G = R2/R1;  siendo G la ganancia de lazo cerrado

Para mínimo error de  voltaje de desviación R1//R2 = R3//R4. 

 

Otro circuito amplificador muy usado es el seguidor de voltaje o también llamado buffer de ganancia unitaria. Este circuito amplificador es muy útil para acoplar las señales provenientes de los sensores, ya que presenta una alta   impedancia de entrada y baja impedancia de salida.  Su circuito se muestra en la figura.

 

 


 

 

 


La relación entre el voltaje de salida VO y el voltaje de entrada V1 es:

 

                                                                          

 

 

Características dinámicas del amplificador en lazo cerrado

 

 

1-  El producto ancho de banda-ganancia, el cual se define como el producto de la ganancia de lazo cerrado por la banda de frecuencias, sobre el cual la ganancia se mantiene aproximadamente constante. El mismo se determina sobre la curva de ganancia de lazo abierto vs frecuencia  del amplificador operacional. La frecuencia de esquina del amplificador realimentado se obtiene interceptando el valor de ganancia de lazo cerrado con la recta de pendiente negativa en la curva de lazo abierto del amplificador operacional como se muestra en la figura.

 

 

 

 

 

 


 

 


2-  El tiempo de estabilización (settling time) de un amplificador es el tiempo requerido para que la salida permanezca dentro de una banda de error especificada de su  valor final, después que una entrada escalón es aplicada a su entrada. El tiempo de estabilización está limitado por el ancho de banda del amplificador en lazo cerrado