El Amplificador Operacional
Características estáticas y dinámicas
El amplificador operacional constituye el bloque básico de los circuitos de amplificación. En la figura se muestra el símbolo y la relación entre la entrada y la salida en un amplificador operacional.
Las
características estáticas principales de un amplificador operacional son:
1. Ganancia de lazo abierta
elevada del orden de 105, que disminuye con la frecuencia. El
producto ganancia-frecuencia es típicamente de 105 a 108
Hz.
2. Alta impedancia de entrada
en el orden de 106 W para amplificadores
operacionales construidos a base de transistores bipolares y 1012 W para los de transistores
FET.
3. Si V- = V+, Vo no es cero, sino que
tiene un pequeño valor que se le conoce como voltaje de desviación cero
(voltaje offset), el cual se debe a potenciales y corrientes internas del
amplificador operacional que se encuentran desbalenceadas.
4. Los terminales de entrada V-
y V+, tienen corrientes de polarización externas diferentes que
pueden producir desviación en el voltaje de salida Vo si las
impedancias externas al amplificador son diferentes.
5. Los voltajes de desviación
internos y las corrientes de polarización son generalmente funciones de la
temperatura, por lo que se hace necesario referirse a las hojas del fabricante
para estimar cual va a ser la variación de las entradas y salidas, a partir de
la información que se tenga sobre la variación de la temperatura.
6. La corriente de salida está
típicamente limitada a 10 mA para ± 10 voltios.
Circuitos Amplificadores Básicos
En la figura se
muestran los circuitos amplificadores realimentados más comunes. Identificado
con la letra a se tiene al
amplificador inversor, el mismo se
caracteriza por presentar una ganancia de lazo cerrado que viene dada por las
relaciones:
para valores grandes de
ganancia de lazo abierto A se llega a la expresión aproximada y más
comúnmente usada del amplificador inversor
G = -R2/R1. La señal de entrada se conecta al terminal inversor del amplificador
operacional. En este amplificador la salida está desfasada 180° con la entrada.
Para mínimo error de voltaje de
desviación R3 = R1//R2.
En el
amplificador no inversor, la señal de
entrada se aplica al terminal no inversor del amplificador. La ganancia de lazo
cerrado viene dada por:
para valores grandes
de A se llega a la relación aproximada
más comúnmente usada G = (R1+R2)/R1.
En el amplificador no inversor la salida está en fase con la entrada. Para
mínimo error de voltaje de desviación, R1//R2 = R, siendo
R la resistencia de salida de la señal de alimentación conectada a la entrada no inversora.
El amplificador diferencial
está diseñado para trabajar con voltajes en modo diferencial. Este circuito
amplificador constituye la base para el amplificador de instrumentación que se
analizará posteriormente. El voltaje de salida VO en función de los
voltajes V1 y V2 viene dado por:
Para el caso
especial donde R1 = R3 y R2 = R4 se
tiene:
; G = R2/R1; siendo G la ganancia de lazo cerrado
Para mínimo
error de voltaje de desviación R1//R2
= R3//R4.
Otro circuito amplificador
muy usado es el seguidor de voltaje o también llamado buffer de ganancia
unitaria. Este circuito amplificador es muy útil para acoplar las señales
provenientes de los sensores, ya que presenta una alta impedancia de entrada y baja impedancia de
salida. Su circuito se muestra en la
figura.
La relación
entre el voltaje de salida VO y el voltaje de entrada V1
es:
1- El producto ancho de banda-ganancia, el cual se define como el producto de la ganancia de lazo cerrado por la banda de frecuencias, sobre el cual la ganancia se mantiene aproximadamente constante. El mismo se determina sobre la curva de ganancia de lazo abierto vs frecuencia del amplificador operacional. La frecuencia de esquina del amplificador realimentado se obtiene interceptando el valor de ganancia de lazo cerrado con la recta de pendiente negativa en la curva de lazo abierto del amplificador operacional como se muestra en la figura.
2- El tiempo de estabilización (settling time) de un amplificador es el tiempo requerido para que la salida permanezca dentro de una banda de error especificada de su valor final, después que una entrada escalón es aplicada a su entrada. El tiempo de estabilización está limitado por el ancho de banda del amplificador en lazo cerrado