MÓDULO Nº9 AMPLIFICADORES OPERACIONALES. Explicar que es un amplificador operacional. Entender el funcionamiento de los circuitos básicos con OP AMP.

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1 MÓDULO Nº9 AMPLIFICADORES OPERACIONALES UNIDAD: CONVERTIDORES TEMAS: Introducción a los Amplificadores Operacionales. Definición, funcionamiento y simbología. Parámetros Principales. Circuitos Básicos. OBJETIVOS: Explicar que es un amplificador operacional. Entender el funcionamiento de los circuitos básicos con OP AMP. DESARROLLO DE TEMAS 1. Introducción a los Amplificadores Operacionales: Los amplificadores operacionales u op-amp s, son dispositivos de estado sólido extremadamente versátil que se utilizan como bloque constructivo de una gran variedad de circuitos electrónicos, tanto analógicos como digitales. Algunas de sus aplicaciones más importantes incluyen: preamplificadores, amplificadores de voltaje, ecualizadores, filtros activos, mezcladores, osciladores, generadores de funciones, comparadores de voltaje, etc. En la presente clase se dará una revisión de las principales características de este dispositivo así como algunos circuitos básicos: 2. Definición, funcionamiento y simbología: Un amplificador operacional es, básicamente un amplificador de voltaje de alta ganancia acoplado directamente. En la siguiente figura se muestra su simbología y su circuito equivalente: Externamente consta de dos líneas de entrada una inversora y otra no inversora, una línea de salida y dos líneas de alimentación que se conecta generalmente a una fuente bipolar simétrica, esto permite que la salida pueda tomar valores tanto positivos como negativos

2 dependiendo de la relación de las entradas. Esto se puede apreciar mejor si analizamos la ecuación para el voltaje de salida: Vo = Ao * ( V2 - V1 ) Donde Ao se conoce como la ganancia en lazo abierto o la ganancia natural del opamp, cuyo valor es generalmente en el orden de los millones, más adelante se tratará este tema. La relación entre las entradas y la salida puede observarse en la siguiente figura: Como se observa, un voltaje aplicado a la entrada positiva mientras la entrada negativa es cero, produce un voltaje de igual fase en la salida pero amplificado, en cambio que si se utiliza la entrada negativa se produce un desfase de 180 grados, es decir una inversión. 3. Parámetros Principales: Naturalmente como todo dispositivo eléctrico y electrónico, el opamp también tiene ciertos parámetros que nos ayudan a escoger un amplificador de otro. A continuación se mencionan los parámetros más importantes que caracterizan a un opamp: Ganancia de Voltaje en Lazo Abierto (Ao): Idealmente un opamp debe tener una ganancia infinita, en la práctica este valor puede llegar hasta , aunque es más común representar este valor en unidades de decibelios (20*log(100000) = 100dB). Recuérdese siempre que el opamp amplifica solo voltaje, para la corriente se requieren transistores de potencia tipo BJT o MOSFET. Impedancia de Entrada (Rin): Es la resistencia que observa el circuito de entrada externo entre las entradas positiva y negativa. Su valor esta entre 1MΩ a 1TΩ, esta característica le permite conectarse con fuentes de tensión relativamente sensible sin perder la señal debido a que es como si no existiera una conexión real. Impedancia de Salida (Rout): Es la resistencia que observa el circuito de salida externo en el pin de salida. Su valor esta entre 10 a 100Ω, esta característica evita que el voltaje amplificado pase en su totalidad hacia el circuito de salida. Ancho de Banda o Frecuencia de Corte (BW ó Ft): Es la máxima frecuencia que el opamp puede procesar con el mismo factor de amplificación. Su rango varía dependiendo de la aplicación entre 10KHz hasta 10GHz. Voltaje offset de Entrada (Voffset): Una desventaja del opamp es que cuando ambas entradas son cero, el voltaje de salida tiende a tener un ligero valor positivo o negativo conocido como offset o desplazamiento desde cero. Su rango varía entre 100uV hasta 10mV. Este factor toma especial importancia cuando se trata de amplificar señales muy débiles. Voltaje de Alimentación (VCC): Se trata de los valores máximo y mínimo de voltaje bipolar con el puede funcionar el opamp, existen incluso algunos opamp que pueden operar con fuentes simples lo que los hace muy útiles en aplicaciones portátiles con baterías. Su rango se encuentra entre los +/-3V hasta los +/-25V.

3 A modo de comparación y ayuda para futuros diseños, a continuación se muestran las características de algunos opamp comerciales muy utilizados en proyectos electrónicos: Parámetro: 741 (1 OA) LM324 (4 OA) TL074 (4 OA), TL072 (2 OA), TL071 (1 OA) AO 106dB 100dB 120dB RIN 1MΩ 10MΩ 1TΩ FT 1MHz 1MHz 3MHz VOFF 1mV 5mV 3mV VCC +/-3V +/-18V +/-1.5V +/-13V (3V 26V) +/-3V +/-18V ua741 TL071 LF351 TL072 LM322 TL082 LM324 TL074 TL Circuitos Básicos: Comparador: El esquema del comparador es mostrado a continuación. Debido a la alta ganancia que se tiene en lazo abierto (sin retroalimentación a las entradas), una pequeña diferencia entre el voltaje de entrada positivo y el negativo causa que la salida se sature ya sea al voltaje de alimentación positivo o al negativo. Esta señal puede ser utilizada para chequear el estado de sensores tales como NTC, PTC, Fotocélulas, Fotodiodos, Micrófonos, etc. Vo = +VCC si Vs > Vt Vo = -VCC si Vs < Vt Amplificador No inversor y Seguidor de Tensión: Este esquema se caracteriza por ingresar la señal a través de la entrada positiva de esta manera la salida amplificada estará en fase con la señal de ingreso. Un detalle de este y de los siguientes circuitos es la retroalimentación que existe entre la salida y la o las entradas, esto permite reducir la amplificación en lazo abierto a cualquier valor más conveniente. La

4 ganancia esta dada por la formula mostrada en el gráfico. Una modificación del amplificador no inversor es el seguidor de tensión, en este caso la resistencia de retroalimentación se ha reemplazado por un alambre (0 resistencia), la ganancia del circuito es 1, esta configuración se utiliza principalmente para aislar la fuente de la señal, del sistema de amplificación, muy utilizado para señales débiles o ruidosas. Vout = Vin (1 + (R1/R2)) Vout = Vin Amplificador Inversor: En el caso de un amplificador inversor, la señal de ingreso ha sido aplicada a la entrada negativa por lo que la salida tendrá un desfase de 180 grados eléctricos con respecto a la entrada, de ahí el nombre. Una característica importante de este amplificador es que puede actuar como atenuador, es decir en vez de agrandar señal, la empequeñece; este se puede apreciar al analizar la ecuación de ganancia donde se observa que si la resistencia de retroalimentación, es menor que la de ingreso entonces la ganancia será menor a la unidad (atenuación). Vout = - Vin (RF / RI) Sumador: Si se observa detenidamente, esta configuración no es más que dos o más amplificadores inversores en uno solo, esto se comprueba también al analizar la fórmula para el voltaje de salida. Utilizando amplificadores inversores adicionales se puede obtener fácilmente un restador múltiple. Vout = - (RF/R1)*V1 - (RF/R2)*V2 - (RF/R3)*V3

5 Restador: A diferencia del sumador antes mostrado, este circuito solo puede restar dos señales ya que una se aplica a la entrada negativa y la otra a la entrada positiva. Es común la utilización de esta configuración en el diseño de dispositivos electrónicos médicos tales como electrocardiogramas, electroencefalogramas, monitores cerebrales, etc., y varios sistemas de monitoreo de sensores en industrias tales como sensores de gas, temperatura, humedad, radiación, etc. Vout = (R2/R1) * (V2 V1) Filtro Pasalto y Pasabajo: Los filtros en general son usados para eliminar señales no deseadas que por varias razones intencionadas o no se encuentran presentes en la señal de interés. Existen muy diversos tipos de filtros así como maneras de clasificarlos, probablemente la más sencilla sea de acuerdo al rango de frecuencias que manejan, de acuerdo a este criterio se pueden tener filtros pasabajos, pasaltos, pasabanda y rechazabanda. Los dos primeros se muestran a continuación junto con la ecuación que permite calcular la frecuencia de corte, que es la frecuencia a la cual la ganancia del filtro empieza a disminuir lentamente atenuando al resto de frecuencias, esto para los filtros pasabajo, en el caso de filtros pasalto sucede lo contrario. PASABAJO Fc = 1 / (2 * π * R * C) PASALTO

6 EJERCICIOS Diseñar y armar un indicador gráfico de 4 barras para un equalizador de 2 bandas: Bajos (200Hz), Altos (4KHz). Diseñar y armar un mezclador de 4 canales con controles individuales y uno global de volumen, con limitación de frecuencia global de hasta 10KHz.