El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador de CC, con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta. Sus características de operación se determinan por los elementos de realimentación (conexión directa entre la salida y la entrada) que se utilizan. Cambiando la forma y disposición de dichos elementos, se pueden implementar diferentes operaciones analógicas, y las características globales del circuito se determinan sólo por estos elementos de realimentación. Permite realizar operaciones, que antiguamente se realizaban con muchos componentes discretos, ahora con uno sólo: EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Amplificador operacional básico
Símbolo esquemático Una herramienta adicional básica del AO es su símbolo característico:
El amplificador operacional se puede pensar como una caja, con sus terminales de entrada y salida, ignorando qué hay dentro de dicha caja. El amplificador operacional ideal Se muestra un amplificador idealizado como un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único Terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, y no a su potencial común.
Las propiedades del amplificador ideal son: La ganancia de tensión es infinita: La resistencia de entrada es infinita: La resistencia de salida es cero: El ancho de banda es infinito: La tensión de “offset” de entrada es cero : El amplificador operacional ideal
A partir de estas características del AO ideal, se pueden deducir dos propiedades adicionales: Como la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña, y la tensión de entrada diferencial es nula. Si la resistencia de entrada es infinita, no existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada. Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas del AO. Con ellas se puede deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos con amplificadores operacionales. El amplificador operacional ideal
Circuitos con AO’s Comentarios preliminares Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: las configuraciones… Inversora y No-inversora. En general, todos los circuitos con AO son variaciones estrechamente relacionadas de estas dos configuraciones, más otro circuito básico que resulta de una combinación de los dos primeros: el amplificador diferencial con AO.
En este circuito, la entrada (+) está conectada a masa, yla señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2. El amplificador inversor La primera configuración básica del AO es el amplificador inversor:
Como el amplificador tiene ganancia infinita, desarrollará su tensión de salida, V0 , con tensión de entrada “nula”. El amplificador inversor Aplicando las propiedades del AO ideal, las características más distintivas de este circuito se pueden destacar como sigue: Ya que la entrada diferencial del AO es: Si Vd = 0, toda la tensión de entrada Vi deberá aparecer en R1, obteniendo una corriente en R1: Como Vn está a un potencial cero, se dice que es un punto de tierra virtual.
Toda la corriente I que circula por R1 pasará por R2, puesto que no se derivará ninguna corriente hacia la entrada del operacional (impedancia infinita). Por lo tanto: El amplificador inversor Teniendo en cuenta que la corriente por el circuito es la misma, resulta entonces: La ganancia del amplificador inversor será:
Este punto se le denomina tierra virtual, ya que siempre tendrá el mismo potencial que en la entrada (+). Como en él se “suman” las señales de salida y entrada, también se lo conoce como nodo suma. El amplificador inversor En lazo cerrado, la entrada (-) se iguala al potencial de la entrada (+) (o de referencia). Esta tensión puede ser masa (como en la figura anterior), o cualquier otro potencial que se desee. Esta última característica conduce al tercer axioma básico de los amplificadores operacionales, el cual se aplica a la operación en bucle (o lazo) cerrado:
Puesto que no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi: En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R1 – R2. El amplificador no-inversor
Por lo tanto, en términos de ganancia, la ecuación caracterís-tica para el AO no inversor ideal vendrá dada por: Como : se tiene que: El amplificador no-inversor Circuitos con AO’s
El amplificador diferencial Una configuración importante con AO es la que se conoce como amplificador diferencial, que no es más que una combinación de las dos configuraciones principales. Este circuito tiene señales aplicadas en ambos terminales de entrada, tal como se muestra en la siguiente figura: Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor
Para comprender cómo funciona el circuito, primero se ana-lizarán las dos señales de entrada por separado, y después, en forma combinada. Como siempre, Vd = 0, y la corriente de entrada en los termi-nales es cero. Por lo tanto: donde la tensión en el terminal positivo será: El amplificador diferencial Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor
Por lo tanto, llamando V01 a la tensión a la salida debida a V1, y teniendo en cuenta que V2=0 y que V(-)=V(+), se tiene: Aplicando el principio de superposición, la tensión de salida se puede considerar como la suma de los efectos producidos por ambas señales en forma individual, haciendo una cero cuando se considera la otra. El amplificador diferencial Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor
Aplicando el teorema de superposición, la tensión de salida V0 = V01 + V02. Haciendo que R3=R1 y R4 =R2, se tendrá que: La tensión de salida debida a V2, suponiendo V1=0 (y consi-derando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor), valdrá: El amplificador diferencial Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor
En términos de ganancia: es la ganancia del AO para señales en modo diferencial. V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una tensión V(+) menor en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, esta tensión será igual a V(-) en el nodo suma ( terminal (-) ). El amplificador diferencial Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor