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Una introducción a los amplificadores operacionales, sus características, aplicaciones y el proceso de realimentación. El profesor pedro j. Márquez a. Explica el funcionamiento de los amplificadores operacionales ideales y reales, así como su simbolismo eléctrico y los parámetros que afectan a su rendimiento. Además, se discuten los tipos de realimentación negativa y positiva y su impacto en la estabilidad y la ganancia del sistema. El documento también incluye ejemplos de circuitos integrados y aplicaciones de amplificadores operacionales en diferentes campos, como la electrónica personal, la automatización de fábricas y la telecomunicaciones.
Tipo: Diapositivas
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ASIGNATURA: SISTEMAS ELECTRÓNICOS I (Código 45514) SECCIÓN: 01 PROFESOR: PEDRO J. MÁRQUEZ A. PERÍODO ACADÉMICO: 2022-
v0(t)
VARIABLE FÍSICA
VARIABLE ELÉCTRICA
Zo
Zi
Sistema Amplificador
v0(t)
AvT = Av1 x Av2 x … x Avn
vs(t)
Zi Zo
El esquemático mostrado corresponde al circuito integrado LM741 de la casa National Semiconductors.
Ejemplos de cómo la tecnología ha cambiado la forma de enfocar la misma situación (medición de temperatura) con el cambio de los tiempos.
PT
Sistemas más pequeños, mientras se mantiene un alto rendimiento en los diseños, con algunos de los amplificadores más pequeños del mundo. Las opciones de encapsulados de pequeño tamaño reducen los requisitos de espacio del circuito impreso o aumento de la confiabilidad, lo que permite hacer más en sistemas con limitaciones de espacio para extender la vida útil de la batería y/o sistema, ejemplos de ello son sistemas de electrónica personal, automatización de fábricas, pruebas y medición, infraestructura de red, telecomunicaciones y aplicaciones industriales de factor de forma pequeño.
Aplicaciones Detectores de Humo Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado Control de motores Refrigeradores y Lavadoras Dispositivos portátiles Sensores de acondicionamiento de señal Módulos de potencia Escáner de códigos de barra
Los amplificadores operacionales convencionales, tales como el bien conocido 741, cuando trabajan en todo su rango dinámico de los voltajes de salida, no alcanzan los valores máximos correspondientes a la fuente de alimentación (±VCC). Al alimentar un operacional de este tipo con una fuente simétrica de ±12 V, la señal de salida no estará entre -12 V y + 12 V, sino que será un poco menos.
La pequeña diferencia que impide alcanzar los voltajes de alimentación, o "rail" es debido a las pérdidas internas normales (±0,6 V, dependiendo del operacional). Esta diferencia no afecta el funcionamiento del operacional. Sin embargo, la tendencia actual es que los circuitos operen con tensiones cada vez más bajas.
Si se polariza a un operacional con ±1.35 V para cada fuente, una caída de 0,6 V en cada fuente sería catastrófica. La salida del amplificador tendría una gama de sólo 0,3 V, lo que impide el funcionamiento del circuito.
En sistemas digitales, convertidores y otras aplicaciones críticas es esencial que la señal de salida pueda variar entre los valores de la línea de alimentación, es decir, ellos deben ser capaces de pasar de línea a línea o riel. Esta necesidad de los circuitos modernos llevó a los diseñadores a crear amplificadores operacionales con las características que habilitan que sus salidas tengan excursiones cerca del máximo de los valores de las fuentes de alimentación, estos amplificadores tienen salida rail-to-rail.
Uno de estos amplificadores operacionales es el LM324 (cuádruple) que tiene su versión rail-to- rail el LMV324. El primero puede ser polarizado con tensiones entre 5 V y 30V (una sola fuente) y el segundo fue diseñado específicamente para bajos voltajes de polarización, entre 2.7 V y 5. V.
Otro ejemplo es el MCP6002 (doble) de Microchip, el cual fue diseñado específicamente para aplicaciones de propósitos generales. Se puede alimentar con tensiones entre 1.8 V y 5.5 V
El símbolo eléctrico del amplificador operacional que se utilizará emplea el concepto de caja negra: lo que está dentro de la caja funciona y produce una señal a la salida como respuesta a las señales de entrada:
Un amplificador operacional es un amplificador diferencial (restador) de ganancia elevada. Es un dispositivo activo y requiere de tensiones DC para funcionar. Las dos fuentes de alimentación (±VCC) comparten una tierra común. El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simétricas, si se utilizan tensiones simples, a la salida no se obtendrán tensiones mayores/menores de 0V. Ningún terminal del amplificador operacional se conecta físicamente a tierra.
vi(t)
INV
I
I
La entrada no-inversora debe su nombre a que la señal aplicada hace que la salida varíe en el mismo sentido: si se mantiene constante la señal en la entrada inversora (v1), al aumentar v2 la salida aumenta y cuando v2 disminuye vo(t) disminuye. Sucede lo opuesto con la entrada inversora: si v2 es constante, al aumentar v1 se hace más negativa la salida (disminuye) y al disminuir v1 la salida se hace menos negativa (crece). Dicho de otra manera, la señal en la entrada no-inversora produce una salida en fase con la señal aplicada y la señal en la entrada inversora está invertida en fase con vo(t).
Los modelos circuitales (ideal y real) para el amplificador operacional son los siguientes:
NO-INV
INV
NO-INV
INV
vi(t)
vi(t)
En el estudio de las aplicaciones de los amplificadores operacionales es ampliamente usado el proceso de realimentación. Un sistema a lazo abierto es aquel en el cual no hay conexiones entre la salida y la entrada:
En el sistema a lazo cerrado, la salida está interconectada con la entrada:
ei(t) Av^ eo(t)
f
e
ef
ei(t) Av^ eo(t)
Si Av x f > 0 se dice que el sistema está realimentado negativamente, esto hace al sistema estable, pero, disminuye la ganancia del sistema. Si Av x f < 0 el sistema está realimentado positivamente, éste tipo de realimentación aumenta la ganancia del sistema, pero, lo vuelve inestable. Si Av x f = -1 la ganancia a lazo cerrado (Af ) se hace infinita lo que implicaría que habría señal a la salida sin señal de entrada aplicada. Lo que realmente sucede es que los circuitos electrónicos del operacional están alimentados con tensión DC para el funcionamiento del sistema y éste proporcionará siempre una salida cualquiera inclusive estando dañado. Una ganancia infinita significa que los circuitos del operacional se saturan y cambian las condiciones de funcionamiento lo que acarrea que el sistema oscila entre las tensiones de alimentación máxima y mínima (±VCC, aproximadamente).
Otra manera de comprender o relacionar las entradas inversora y no-inversora del operacional es recordando que si la conexión entre la salida y la entrada se hace a la entrada inversora se produce realimentación negativa y la ganancia a lazo cerrado disminuye. En cambio si la salida se conecta a la entrada no-inversora la realimentación es positiva y la ganancia a lazo cerrado aumenta.
