amplificadores operacionales

¿Qué son los amplificadores operacionales?

Los amplificadores operacionales son los elementos básicos de los circuitos electrónicos analógicos. Son dispositivos lineales con todas las propiedades de un amplificador DC. Podemos usar resistencias o condensadores externos para el amplificador operacional de diferentes maneras para convertirlo en diferentes formas de amplificadores, como amplificador inversor, amplificador no inversor, seguidor de voltaje, comparador, amplificador diferencial, amplificador sumador, integrador, etc. Los OPAMP pueden ser simples, dobles, cuádruples, etc. OPAMP como CA3130, CA3140, TL0 71, LM311, etc. Tienen un excelente rendimiento con muy baja corriente y voltaje de entrada. El amplificador operacional ideal tiene tres terminales importantes además de otros terminales. Los terminales de entrada son la entrada inversora y la entrada no inversora. El tercer terminal es la salida que puede absorber y generar corriente y voltaje. La señal de salida es la ganancia del amplificador multiplicada por el valor de la señal de entrada.

5 características ideales de un amplificador operacional:

1. Ganancia de bucle abierto

La ganancia de lazo abierto es la ganancia del amplificador operacional sin retroalimentación positiva o negativa. Un amplificador operacional ideal debería tener una ganancia de bucle abierto infinita, pero normalmente está entre 20 000 y 200 000.

2. Impedancia de entrada

Es la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada. Debe ser infinito sin fugas de corriente desde la fuente de alimentación a las entradas. Pero habrá alguna fuga de corriente de amplificador Pico en la mayoría de los amplificadores operacionales.

3. Impedancia de salida

El amplificador operacional ideal debería tener una impedancia de salida cero sin resistencia interna. Para que pueda suministrar corriente completa a la carga conectada a la salida.

4. Ancho de banda

El amplificador operacional ideal debe tener una respuesta de frecuencia infinita para que pueda amplificar cualquier frecuencia, desde señales de CC hasta las frecuencias de CA más altas. Pero la mayoría de los amplificadores operacionales tienen un ancho de banda limitado.

5. Compensación

La salida del amplificador operacional debe ser cero cuando la diferencia de voltaje entre las entradas es cero. Pero en la mayoría de los amplificadores operacionales, la salida no será cero cuando se apague, pero habrá un minuto de voltaje.

Configuración de pines OPAMP:

En un amplificador operacional típico habrá 8 pines. Estos son

Pin1 - Compensación cero

Pin2 - Entrada inversora INV

Pin3 - Entrada no inversora no INV

Pin4 - Tierra - Negativo de alimentación

Pin5 - Compensación cero

Pin6 - Salida

Pin7 - Fuente de alimentación positiva

Pin8 – Luz estroboscópica

4 tipos de ganancia en OPAMPs:

Ganancia de voltaje: voltaje de entrada y voltaje de salida

Ganancia de corriente: entrada y salida de corriente

Transconductancia - Entrada de voltaje y salida de corriente

Resistencia trans - Corriente de entrada y voltaje de salida

Funcionamiento de un Amplificador Operacional:

Aquí usamos un amplificador operacional de LM358. Por lo general, a una entrada no inversora se le debe dar un sesgo y la entrada inversora es el amplificador real; Conecté esto a una retroalimentación de resistencia de 60k de salida a entrada. Y se conecta una resistencia de 10k en serie con un capacitor y se le da un suministro de onda sinusoidal de 1V al circuito, ahora veremos como la ganancia estará gobernada por la ganancia R2/R1=60k/10k=6, entonces la salida es 6V. Si cambiamos la ganancia a 40, la salida es una onda sinusoidal de 4V.

Video sobre el funcionamiento del amplificador operacional.

Normalmente, este es un amplificador de suministro dual, se configura fácilmente en un solo suministro mediante el uso de una red de resistencias. En esto, las resistencias R3 y R4 colocan un voltaje de la mitad del voltaje de suministro a través de la entrada no inversora, lo que hace que el voltaje de salida también sea la mitad del voltaje de suministro, formando una especie de voltaje de polarización. Las resistencias R3 y R4 pueden tener cualquier valor de 1k a 100k, pero en todos los casos deben ser iguales. Se agregó un capacitor adicional de 1 F a la entrada no inversora para reducir el ruido de configuración. Para esta configuración es necesario el uso de condensadores de acoplamiento para la entrada y la salida.

3 aplicaciones OPAMP:

1. Impulso

La señal de salida amplificada del amplificador operacional es la diferencia entre las dos señales de entrada.

El diagrama de arriba es la conexión simple del amplificador operacional. Si ambas entradas reciben el mismo voltaje, entonces el amplificador operacional tomará la diferencia entre los dos voltajes y será 0. El amplificador operacional multiplicará esto por su ganancia 1,000,000, por lo que el voltaje de salida es 0 Cuando se le dan 2 voltios a una entrada y 1 voltio a la otra, luego el amplificador operacional toma su diferencia y la multiplica por la ganancia. Es 1 voltio x 1 000 000. Pero esta ganancia es muy alta, por lo que para reducir la ganancia, la retroalimentación de la salida a la entrada suele ser a través de una resistencia.

Amplificador inversor:

El circuito que se muestra arriba es un amplificador inversor con la entrada no inversora conectada a tierra. Dos resistencias R1 y R2 están conectadas en el circuito de tal manera que R1 suministra la señal de entrada mientras que R2 retroalimenta la salida a la entrada inversora. Aquí, cuando la señal de entrada es positiva, la salida será negativa y viceversa. La variación de tensión en la salida con respecto a la entrada depende de la relación de las resistencias R1 y R2. R1 se selecciona como 1K y R2 como 10K. Si la entrada recibe 1 voltio, habrá una corriente de 1 mA a través de R1 y la salida tendrá que pasar a -10 voltios para suministrar una corriente de 1 mA a través de R2 y mantener el voltaje cero en la entrada inversora. Por lo tanto, la ganancia de voltaje es R2/R1. Sea 10K/1K = 10

Amplificador no inversor:

El circuito que se muestra arriba es un amplificador no inversor. Aquí, la entrada no inversora recibe la señal mientras que la entrada inversora está conectada entre R2 y R1. Cuando la señal de entrada pasa a ser positiva o negativa, la salida estará en fase y mantendrá el voltaje en la entrada inversora igual que en la entrada no inversora. La ganancia de tensión en este caso siempre será mayor que 1, es decir (1+R2/R1).

2. seguidor de voltaje

El circuito anterior es un seguidor de voltaje. Aquí proporciona alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Cuando cambia el voltaje de entrada, la salida y la entrada inversora cambian por igual.

3. comparador

El amplificador operacional compara el voltaje aplicado a una entrada con el voltaje aplicado a la otra entrada. Cualquier diferencia entre los voltajes, por pequeña que sea, hace que el amplificador operacional se sobrecargue. Cuando los voltajes suministrados a las dos entradas son de la misma amplitud y de la misma polaridad, la salida del amplificador operacional es de 0 voltios.

Un comparador produce voltajes de salida limitados que pueden interactuar fácilmente con la lógica digital, aunque se debe verificar la compatibilidad.

Video sobre el amplificador operacional como diagrama de circuito de comparación.

Aquí tenemos un amplificador operacional que se usa como comparador con los terminales inversor y no inversor y les conectamos un divisor de potencial y un contador y un voltímetro a la salida y un LED a la salida. La fórmula básica del comparador es que cuando '+' es mayor que '-', la salida es alta (uno), de lo contrario, la salida es cero. Cuando el voltaje en la entrada negativa es más bajo que el voltaje de referencia, la salida sube, y cuando la entrada negativa excede el voltaje en el positivo, la salida baja.

3 Requisitos para OPAMP:

1. Cancelación de turno

La mayoría de los OPAMP tienen un voltaje compensado en la salida aunque los voltajes de entrada sean los mismos. Para hacer el voltaje de salida nulo, se utiliza el método de cancelación de compensación. En la mayoría de los amplificadores operacionales hay una pequeña compensación debido a su propiedad inherente y resulta de las compensaciones en la disposición de polarización de entrada. Por lo tanto, un pequeño voltaje de salida está disponible en la salida de algunos amplificadores operacionales incluso si la señal de entrada es cero. Este inconveniente se puede corregir suministrando un pequeño voltaje de compensación a las entradas. Esto se llama el voltaje de compensación de entrada. Para eliminar o cancelar la compensación, la mayoría de los amplificadores operacionales tienen dos pines para habilitar la cancelación de la compensación. Para esto, se debe conectar un Pot o Preset con un valor típico de 100K entre los pines 1 y 5 con su limpiaparabrisas a tierra. Al ajustar el preajuste, la salida se puede establecer en voltaje cero.

2. Compensación estroboscópica o de fase

Los amplificadores operacionales a veces pueden volverse inestables y para hacerlos estables para todas las bandas de frecuencia, generalmente se conecta un Cap entre su pin estroboscópico 8 y su pin 1. Por lo general, se agrega un capacitor de disco de 47pF para compensación de fase para que el OpAmp permanezca estable. Esto es muy importante si el OpAmp se usa como un amplificador sensible.

3. Retroalimentación

Como sabes, el Op-Amp tiene un nivel de amplificación muy alto, generalmente alrededor de 1,000,000 de veces. Supongamos que el amplificador operacional tiene una ganancia de 10 000, entonces el amplificador operacional amplificará la diferencia de voltaje entre su entrada no inversora (V+) y su entrada inversora (V-). Por lo tanto, la tensión de salida Vout es
10,000x (V+ – V-)

En el diagrama, la señal se aplica a la entrada no inversora y en la entrada inversora se conecta a la salida. Entonces V+ = V entrada y V- = V salida. Entonces Vout = 10,000 x (Vin – Vout). Por lo tanto, el voltaje de salida es casi igual al voltaje de entrada.

Ahora veamos cómo funciona la retroalimentación. Simplemente agregar una resistencia entre la entrada inversora y la salida reducirá significativamente la ganancia. Al tomar una fracción del voltaje de salida en la entrada inversora, la amplificación se puede reducir considerablemente.

Según la ecuación anterior, V out = 10.000 x (V+ – V-). Pero aquí se agrega una resistencia de retroalimentación. Así que aquí V+ es Vin y V- es R1.R1+R2 x V out. Entonces Vout es 10,000 x (Vin – R1.R1+R2xVout). Entonces V salida = R1+R2.R1x Vin

Comentarios negativos:

Aquí, la salida del amplificador operacional está conectada a su entrada inversora (-), por lo que la salida se retroalimenta a la entrada para lograr un equilibrio. Por lo tanto, la señal de entrada en la entrada no inversora (+) se reflejará en la salida. El amplificador operacional con retroalimentación negativa conducirá su salida al nivel necesario y, por lo tanto, la diferencia de voltaje entre sus entradas inversoras y no inversoras será casi cero.

Comentario positivo:

Aquí, el voltaje de salida se retroalimenta a la entrada no inversora (+). La señal de entrada se envía a la entrada inversora. En el diseño de retroalimentación positiva, si la entrada inversora está conectada a tierra, el voltaje de salida del amplificador operacional dependerá de la magnitud y la polaridad del voltaje en la entrada no inversora. Cuando el voltaje de entrada es positivo, la salida del amplificador operacional será positiva y este voltaje positivo se alimentará a la entrada no inversora, lo que dará como resultado una salida totalmente positiva. Si el voltaje de entrada es negativo, la condición se invertirá.

Una aplicación de amplificadores operacionales: preamplificador de audio

Filtros y preamplificadores:

Los amplificadores de potencia vendrán después de los preamplificadores y antes de los altavoces. Los reproductores de CD y DVD modernos no necesitan preamplificadores. Necesitan control de volumen y selectores de fuente. Al usar controles de interruptor y volumen pasivo, podemos evitar los preamplificadores.

Veamos una breve descripción de los amplificadores de potencia de audio.

El amplificador de potencia es un componente que puede impulsar los altavoces al convertir la señal de bajo nivel en una señal grande. El trabajo de los amplificadores de potencia es producir un voltaje relativamente alto y una corriente alta. Generalmente, el rango de ganancia de voltaje está entre 20 y 30. Los amplificadores de potencia tienen una resistencia de salida muy baja.

Especificaciones del amplificador de potencia de audio

El voltaje de salida es independiente de la carga, tanto para señales pequeñas como grandes. El voltaje dado aplicado a la carga provoca el doble de la cantidad de corriente. Por lo tanto, se entregará el doble de la cantidad de energía. La potencia nominal es la potencia de onda sinusoidal promedio continua tal que la potencia puede medirse utilizando una onda sinusoidal cuyo voltaje RMS se mide a largo plazo.

La respuesta de frecuencia debe extender la banda de audio completa de 20 Hz a 20 KHz. La tolerancia de respuesta de frecuencia es de ±3db. La forma convencional de especificar el ancho de banda es que un amplificador está 3db por debajo de los 0db nominales.

Los amplificadores de potencia deben producir poco ruido cuando se usan frecuencias altas. El parámetro de ruido puede ser ponderado o no ponderado. El ruido no ponderado se especificará en un ancho de banda de 20 KHz. Dependiendo de la sensibilidad del oído, se considerarán especificaciones de ruido ponderado. La medición del ruido ponderado tiende a atenuar el ruido a frecuencias más altas, por lo que la medición del ruido ponderado es mucho mejor que la medición del ruido no ponderado.

La distorsión armónica total es la distorsión común generalmente especificada en diferentes frecuencias. Esto se especificará a un nivel de potencia que se proporciona con la impedancia de carga de accionamiento del amplificador de potencia.