Aplicaciones básicas de los Amplificadores Operacionales - Parte 1

Aplicaciones:

Comparador.

Los amplificadores operacionales se utilizan a menudo como comparadores para comparar la amplitud de un voltaje con otro. En esta aplicación, el amplificador operacional se utiliza en la configuración en lazo abierto, con el voltaje de entrada en una entrada y un voltaje de referencia en la otra.

Un comparador es un circuito basado en un amplificador operacional especializado que compara dos voltajes de entrada y produce una salida que siempre está en uno de dos estados, lo que indica la relación mayor o menor entre las entradas. Los comparadores proporcionan tiempos de conmutación muy rápidos y pueden tener capacidades adicionales (tales como un corto retardo de propagación o voltajes de referencia internos) para optimizar la función de comparación. Por ejemplo, algunos comparadores de ultra alta razón pueden tener retardos de propagación tan pequeños como de 500 ps. Debido a que la salida siempre se encuentra en uno de dos estados, los comparadores frecuentemente se utilizan como interfase entre un circuito analógico y uno digital. En aplicaciones menos críticas, un amplificador operacional que funciona sin realimentación negativa (en lazo abierto) a menudo se utiliza como comparador. Aun cuando los amplificadores operacionales son mucho más lentos y carecen de otras características especiales, disponen de una ganancia en lazo abierto muy alta, lo que les permite detectar diferencias muy pequeñas en las entradas. En general, los comparadores no pueden ser utilizados como amplificadores operacionales, pero éstos sí pueden ser utilizados como comparadores en aplicaciones no críticas. Debido a que un amplificador operacional sin realimentación negativa es en esencia un comparador, se examinará la función de comparación mediante un amplificador operacional típico.

Detección del nivel cero.

Una aplicación de un amplificador operacional utilizado como comparador es determinar cuándo un voltaje de entrada sobrepasa cierto nivel. La figura 13-1(a) muestra un detector de nivel cero. Observe que la entrada inversora (-) está conectada a tierra para producir un nivel cero y que el voltaje de señal de entrada se aplica a la entrada no inversora (+). A causa de la alta ganancia de voltaje en lazo abierto, una diferencia de voltaje muy pequeña entre las dos entradas hace que el amplificador se sature, lo que provoca que el voltaje de salida alcance su límite. Por ejemplo, considere un amplificador operacional con =100,000. Una diferencia de voltaje de sólo 0.25 V entre las entradas podría producir un voltaje de salida de (0.25 mV)(100,000) = 25 V si el amplificador operacional fuera capaz. Sin embargo, como la mayoría de los amplificadores operacionales tienen limitaciones del voltaje máximo de salida cercanas al valor de sus voltajes de alimentación de cd, el dispositivo sería llevado a saturación. La figura 13-1(b) muestra el resultado de un voltaje de entrada senoidal aplicado a la entrada no inversora (+) del detector de nivel cero. Cuando la onda seno es positiva, la salida se encuentra a su nivel positivo máximo. Cuando la onda senoidal cruza por 0, el amplificador se va a su estado opuesto y la salida alcanza su nivel negativo máximo, como se muestra. Se puede ver que el detector de nivel cero puede ser utilizado como circuito generador de ondas cuadradas a partir de ondas senoidales.

Detección del nivel distinto de cero.

El detector de nivel cero en la figura 13-1 puede ser modificado para detectar voltajes positivos y negativos conectando una fuente de voltaje de referencia a la entrada inversora (-), como muestra la figura 13-2(a). Una configuración más práctica se muestra en la figura 13-2(b) que utiliza un divisor de voltaje para fijar el voltaje de referencia, , de la siguiente forma:

donde +V es el voltaje de alimentación de cd positivo del amplificador operacional. El circuito de la figura 13-2(c) utiliza un diodo Zener para establecer el voltaje de referencia ( ).

En tanto Vent  sea menor que Vref  , la salida permanece al nivel negativo máximo. Cuando el voltaje de entrada sobrepasa el voltaje de referencia, la salida alcanza su voltaje positivo máximo, como muestra la figura 13-2(d) con un voltaje de entrada senoidal.

Aplicaciones del comparador.

Circuito detector de sobre-temperatura. La figura 13-15 muestra un comparador de amplificador operacional utilizado en un circuito detector de sobre-temperatura de precisión para determinar cuando la temperatura alcanza cierto valor crítico. El circuito se compone de un puente de Wheatstone con el amplificador operacional utilizado para detectar cuando el puente está balanceado. Una rama del puente contiene un termistor (R1), el cual es un resistor detector de temperatura con un coeficiente de temperatura negativo (su resistencia se reduce cuando se incrementa la temperatura). El potenciómetro (R2) se ajusta a un valor igual a la resistencia del termistor a la temperatura crítica. A temperaturas normales (por debajo de la crítica), R1 es más grande que R2, por lo que se crea una condición de desbalanceo que lleva al amplificador operacional a su nivel de salida de saturación y mantiene el transistor Q1 apagado.

A medida que se incrementa la temperatura, la resistencia del termistor se reduce. Cuando la temperatura alcanza el valor crítico, R1 llega a ser igual a R2 y el puente se desbalancea (puesto que R3 = R4). En este momento el amplificador operacional cambia a su nivel alto de salida de saturación y Q2 se enciende. Esto energiza el relevador, el cual puede ser utilizado para activar una alarma o iniciar una respuesta apropiada a la condición de sobre temperatura.

Conversión analógica a digital (A/D). La conversión A/D es un proceso de enlace utilizado a menudo cuando un sistema analógico lineal debe proporcionar entradas a un sistema digital. Están disponibles muchos métodos de conversión A/D. No obstante, en esta discusión se utiliza sólo un tipo para demostrar el concepto. El método simultáneo o flash de conversión A/D utiliza comparadores en paralelo para comparar la señal de entrada lineal con varios voltajes de referencia desarrollados por un divisor de voltaje. Cuando el voltaje de entrada excede el voltaje de referencia para un comparador dado, se produce un nivel alto en la salida de dicho comparador. La figura 13-16 muestra un convertidor analógico a digital (ADC) que produce tres números binarios de tres dígitos en su salida, los cuales representan los valores del voltaje de entrada analógico a medida que cambia. Este convertidor requiere siete comparadores. En general, se requieren  – 1 comparadores para la conversión a un número binario de n dígitos. El gran número de comparadores necesarios para obtener un número binario de tamaño razonable es una de las desventajas de los ADC simultáneos, pero la tecnología de los circuitos integrados más reciente ha reducido el problema en cierto grado al combinar varios comparadores y sus circuitos asociados en un solo chip en un circuito integrado. Por ejemplo, están disponibles convertidores instantáneos de 6 u 8 bits. Estos ADC son útiles en aplicaciones que requieren los tiempos de conversión más rápidos posibles, tales como el procesamiento de video.

En la figura 13-16, el circuito divisor de voltaje resistivo y  establecen el voltaje de referencia para cada comparador. La salida de cada comparador se conecta a una entrada de un codificador de prioridad. El codificador de prioridad es un dispositivo digital que produce un número binario en su salida que representa el valor de entrada más alto. El codificador muestrea su salida cuando ocurre un pulso en la línea de habilitación (pulso de muestreo) y aparece un número binario de tres dígitos proporcional al valor de la señal de entrada analógica en las salidas del codificador. La razón o tasa de muestreo determina la precisión con la que la secuencia de números binarios representa la señal de entrada cambiante. Mientras más muestras se tomen en una unidad de tiempo dada, con más precisión se representará la señal analógica en forma digital. El ejemplo siguiente ilustra la operación básica del ADC simultáneo en la figura 13-16.

Comparadores específicos.

Los LM111, LM211 y LM311 son ejemplos de comparadores específicos que exhiben altas razones de conmutación y otras características no normalmente encontradas en el tipo general de amplificador operacional. Estos comparadores son capaces de operar con voltajes de alimentación desde ±15 V hasta +5 V. La salida de colector abierto proporciona la capacidad de manejar cargas que requieren voltajes hasta de 50 V con respecto a tierra o a los voltajes de alimentación. Una entrada de balanceo de desequilibrio de voltaje y una entrada de muestreo permiten activar o desactivar la salida sin importar la entrada diferencial.

Seguidor.

El seguidor de voltaje con un Op Amp ideal, da simplemente.

Pero este resultado tiene una aplicación muy útil, porque la impedancia de entrada del Op Amp es muy alta, proporcionando un efecto de aislamiento de la salida respecto de la señal de entrada, anulando los efectos de “carga”. Esto lo convierte en un circuito útil de primera etapa.

Un seguidor de voltaje (también llamado amplificador buffer, amplificador de ganancia unitaria o amplificador de aislamiento) es un circuito amplificador operacional que tiene una ganancia de voltaje de 1.

Esto significa que el amplificador operacional no proporciona ninguna amplificación a la señal. La razón por la que se llama un seguidor de tensión es porque el voltaje de salida sigue directamente el voltaje de entrada, significando que el voltaje de salida es igual que el voltaje de entrada. Así, por ejemplo, si 10V entra en el amplificador operacional como entrada, 10V sale como salida.

Un seguidor de voltaje actúa como un buffer, no proporcionando ninguna amplificación o atenuación a la señal.

Ahora echemos un vistazo al circuito abajo, conectado a un amplificador de voltaje de amplificador operacional:

Este circuito arriba dibuja ahora muy poca corriente de la fuente de energía arriba. Debido a que el amplificador operacional tiene una impedancia tan alta, dibuja muy poca corriente. Y debido a que un amplificador operacional que no tiene resistencias de realimentación da la misma salida, el circuito emite la misma señal que se alimenta.

Esta es una de las razones por las que se utilizan seguidores de tensión. Dibujan muy poca corriente, no alteran el circuito original, y dan la misma señal de voltaje que la salida. Actúan como amortiguadores de aislamiento, aislando un circuito para que la potencia del circuito se altere muy poco.

Los seguidores de voltaje son Importantes en los Circuitos de Divisor de Voltaje.

Por lo tanto, la corriente, como se ha explicado anteriormente, es una de las razones por las que se utilizan seguidores de tensión. Simplemente no dibujan una gran cantidad de corriente, por lo que no se carga la fuente de alimentación.

Otra razón por la que los seguidores de tensión se utilizan debido a su importancia en los circuitos divisores de tensión. Esto trata de nuevo con la ley de Ohm.

De acuerdo con la Ley de Ohm, voltaje = corriente * resistencia (V = IR).

En un circuito, el voltaje se divide o se asigna según la resistencia o impedancia de los componentes.

Debido a que un amplificador operacional tiene una impedancia de entrada muy alta, la mayoría del voltaje caerá a través de él, (ya que es tan alta impedancia). Por lo tanto, es muy valioso cuando se utiliza en un circuito divisor de tensión, porque estratégicamente hacerlo puede permitir a un diseñador para suministrar suficiente voltaje a una carga.

Inversor.

El amplificador operacional inversor logra invertir un voltaje de entrada a la vez que lo amplifica. El análisis es simple. Una vez más el voltaje en la para inversora y en la no inversora es el mismo. Como en la terminal no inversora el voltaje es cero (GND), entonces hacemos un análisis en el nodo que se forma entre R1 y R2.

La corriente que entra es el resultado de dividir el voltaje de entrada menos el voltaje en las terminales inversoras y no inversoras (es el mismo) entre la resistencia R1. Recordemos que no entra ni sale ninguna corriente entre las terminales inversora y no inversora. Esto quiere decir que la corriente que entra será igual a la que sale. La corriente que sale es el resultado de dividir la diferencia en el voltaje en las terminales inversora y no inversora menos el voltaje de salida entre la resistencia.

Si llevamos todo a una expresión final en donde el voltaje de salida quede expresado en función del voltaje de entrada, obtenemos:

Si utilizamos los valores que aparecer en la figura de arriba obtenemos:

No Inversor.

Un amplificador operacional no inversor u Amp-Op no inversor como su nombre lo dice no invierte la señal de salida, presenta una ganancia mayor o igual que uno, de acuerdo con el valor que tomen las resistencias RF y R1. La entrada es por el pin no inversor. La impedancia de entrada es alta (por el orden de los Megas de Ohm), con lo que se garantiza una baja potencia de entrada y la no distorsión de la señal de entrada. Tiene una baja impedancia de salida (por el orden de los milis de Ohm), con lo cual se asegura que la totalidad de la señal de salida caerá en la RL. Para balancear el circuito (Eliminar la corriente de Vías), basta con colocar una resistencia en serie a la entrada de valor igual al paralelo de RF y R1. Esta resistencia no afecta el análisis del Amp-Op no inversor.

Impedancia de entrada.

La impedancia de entrada del amplificador operacional no inversor es mucho mayor que la del amplificador inversor. Se puede obtener este valor experimentalmente colocando en la entrada no inversora una resistencia R de valor conocido. Ver el siguiente gráfico:

En los terminales de la resistencia R habrá una caída de tensión debido al flujo de una corriente por ella que sale de la fuente de señal y entra en el amplificador operacional. Esta corriente se puede obtener con la ayuda de la ley de ohm: I = VR / R, donde VR = Ven – V(+). Para obtener la impedancia de entrada se utiliza la siguiente fórmula: Zin = V+ / I. Donde:

·         V (+): es la tensión en el terminal de entrada no inversor del amplificador operacional

·         I: es la corriente anteriormente obtenida

Impedancia de salida.

La impedancia de salida se puede obtener (como la impedancia de entrada) experimentalmente.

1.    Si la tensión en la salida del amplificador operacional sin carga Vca. (Al no haber carga, no hay corriente y, por lo tanto, no hay caída de tensión en Zo).

2.    Se coloca después en la salida un resistor de valor conocido

3.    Se mide la tensión en la carga (tensión nominal) =

4.    Se obtiene la corriente por la carga con la ayuda de la ley de ohm: I = VRL /

5.    Se obtiene la impedancia de salida Zo con la siguiente formula: Zo = [VCA – VRL] / I.

Donde:

·         Zo = impedancia de salida.x

·         VCA = tensión de salida del operacional sin carga.

·         RL = resistencia de carga.

·         VRL = tensión de salida del amplificador operacional con carga.

·         I = corriente en la carga.

Ejemplo: Diseñe un amplificador operacional no inversor de ganancia 10. La señal de entrada será de 0.1Vp a una frecuencia de 1kHz. Que el circuito quede balanceado.

Solución. Se escoge RF de un valor de 9k ohmios, aunque se puede escoger de cualquier otro valor. Ahora se halla el valor de R1:

Ahora para balancear el circuito, hallamos el valor de R+:

Como amplificador operacional se usará el UA741, y como fuente se usará una de 5 voltios dual. El circuito queda de la siguiente manera: