amplificadores operacionales

Historia






En 1965, la compañía Fairchild Semiconductor introdujo en el mercado el uA709, el primer amplificador operacional monolítico ampliamente usado. Aunque disfrutó de un gran éxito, esta primero generación de amplificadores operacionales tenía muchas desventajas. Este hecho condujo a fabricar un amplificador operacional mejorado, el uA741. Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el uA741 ha tenido un enorme éxito. Otros diseños del 741 han aparecido a partir de entonces en el mercado. Por ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el LM741 y Texas Instruments el SN72741. Todos estos amplificadores operacionales son equivalentes al uA741, ya que tienen las mismas especificaciones en sus hojas de características. Para simplificar el nombre, la mayoría de la gente ha evitado los prefijos y a este amplificador operacional de gran uso se le llama simplemente 741




Ideas básicas

Son llamados amplificadores operacionales porque podemos encontrar circuitos montados a base de estos amplificadores que realizan operaciones matemáticas, como por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores... Etc. Son elementos muy usados en la electrónica analógica, tienen un montón de aplicaciones.

La utilización del A.O. en circuitería presupone un adecuado conocimiento de sus características de funcionamiento y prestaciones. Estos datos se evalúan en base a determinadas características proporcionadas por el fabricante.





Las características del AO ideal son:

- Ganancia de tensión en lazo abierto (A0) infinita.
- Impedancia de entrada (Ze) infinita.
- Impedancia de salida (Zs) cero.

El A.O. es un dispositivo amplificador cuyas características de funcionamiento se aproximan a las de un amplificador ideal: ganancia infinita, salida nula en ausencia de la señal de entrada, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero, ancho de banda infinito y tiempo de subida nulo.

Las características de un A.O. real difieren de las propias de un A.O. ideal. No obstante, un A.O. típico está caracterizado por las siguientes propiedades sustancialmente aceptables: elevada ganancia en tensión, alta impedancia de entrada, ancho de banda amplio (partiendo desde c.c.), baja tensión de offset, mínima distorsión, nivel de ruido reducido, etc.



Si la señal se mete por la inversora, la señal de salida aparecerá invertida 180° respecto a la excitación. La alimentación se realiza por medio de dos fuentes simétricas, una +Vcc, u otra -Vcc, Esta circunstancia permite centrar la señal de salida respecto al nivel de referencia f (masa).



Existen dos tipos de funcionamiento básico: sin realimentación o en BUCLE ABIERTO y con realimentación o en BUCLE CERRADO.

Normalmente se usa en BUCLE CERRADO. La red de realimentación determina la función que realiza el montaje, permitiendo la construcción de amplificadores asimétricos, osciladores, integradores, diferenciadores, sumadores, restadores, comparadores, filtros, etc.

Las limitaciones de este tipo de dispositivos quedan determinadas por las características del fabricante.

Interpretación de las especificaciones de los amplificadores operacionales.

Amplificador no inversor

Por la característica 5), -vin = vin
R1 y R2 forman un divisor de tensión, cuya entrada es vout y la salida del divisor es –vin.

O sea:

-vin = vin = vout R1 / (R1+R2)

Ganancia = Av = vout/vin = 1+R2/R1

La impedancia de entrada Zin es muy elevada, mientras que la impedancia de salida Zout vale unas décimas de ohm.



La señal de salida está en fase con la entrada por ser inyectada por la entrada no inversora.

Amplificador inversor

LA entrada no inversora está a tierra, y por la característica 5), A también lo estará. Por tanto, la tensión en R2 vale vout, y la tensión en R1 vale vin, y por tanto la ganancia vale:

Av = -vout / vin = -R2 / R1



El signo menos por ser la señal invertida en fase.




La impedancia de entrada Zin vale R1, puesto que como dijimos, A está puesto a tierra a efectos prácticos. La impedancia de salida Zout vale una fracción de ohm.

Sumador

 El circuito sumador es una variante del restador presentado anteriormente. 

El punto A es una tierra virtual y por tanto la corriente de entrada vale:

Iin = V1/R + V2/R + V3/R

Se obtiene:



Vout = -(V1+V2+V3)
Las entradas pueden ser positivas o negativas. En el caso de que las resistencias sean diferentes entre sí, se obtiene una suma ponderada. Esto vale por ejemplo para hacer un sumador binario si las resistencias fuesen por ejemplo R, 2R, 4R, 8R, etc., y de hecho constituye el fundamento de un convertidor analógico-digital (ADC: Analog to Digital Converter).

Restador.

El circuito de la figura resta las señales de entrada y el resultado se amplifica con la ganancia

Av = R2/R1

Es decir:

Vout = R2/R1 (V2-V1)