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.