Una introducción importante al amplificador operacional o amplificador operacional | Esta funcionando

Amplificador operacional

Imagen de portada por: MartinccoAurora Boreal - luces polares 3CC BY-SA 4.0

Contenido

¿Qué es el amplificador operacional?

Op-amp es una abreviatura de Operation amplifier, un amplificador de alta ganancia de acoplamiento directo. En el término amplificador operacional, 'operacional' representa que el amplificador puede realizar ciertas operaciones como: suma, resta, comparación, etc. La palabra 'amplificación' sugiere que puede amplificar la señal de entrada.

Amplificador operacional ideal

Prácticamente no existe un amplificador operacional ideal, pero tiene las mejores características. Todos los prácticos amplificadores operacionales están construidos para lograr características cercanas como un amplificador operacional ideal. Analicemos algunas de las características de un amplificador operacional ideal.

Características ideales del amplificador operacional

  1. El amplificador operacional ideal proporciona una ganancia de voltaje infinita.
  2. Tiene impedancia de entrada infinita.
  3. Tiene resistencia de salida cero.
  4. Tiene un ancho de banda infinito.
  5. El índice de rechazo del modo común es infinito.
  6. La tasa de rechazo de la fuente de alimentación es infinita.
  7. La velocidad de respuesta es 0.

Amplificador operacional inversor

Op-amp tiene varios modos de funcionamiento. El amplificador operacional inversor representa el tipo de proceso en el que la señal de entrada se proporciona a través del terminal inversor del amplificador operacional. La fase de la salida del amplificador se invierte en el proceso de amplificación. El amplificador operacional inversor tiene una ganancia mayor que el amplificador operacional no inversor.

amplificador operacional
Imagen de: Inductiveload, amplificador inversor Op-Amp, marcado como dominio público, más detalles en Wikimedia Commons

Amplificador operacional no inversor

No invertir es otro modo de funcionamiento que utiliza un amplificador operacional. Aquí, la señal de entrada se proporciona mediante el terminal no inversor del amplificador operacional. Por lo tanto, la fase de salida permanece igual y no se invierte en funcionamiento. Es por eso que esta operación que usa un amplificador operacional se conoce como un 'amplificador operacional no inversor'. Este amplificador operacional proporciona una mayor estabilidad del sistema debido al sistema de retroalimentación negativa, pero tiene una ganancia menor que un amplificador operacional inversor. Entre un amplificador operacional no inversor y un amplificador operacional inversor, un amplificador inversor tiene más preferencias.

amplificador operacional
Image by: Carga inductivaAmplificador no inversor Op-Amp, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Circuitos de amplificador operacional | Circuitos básicos de amplificador operacional

Los circuitos de los amplificadores operacionales son específicos para sus operaciones. Un amplificador operacional es capaz de realizar varias operaciones matemáticas. Los circuitos se realizan según la necesidad. La siguiente imagen representa un símbolo de circuito típico de un amplificador operacional.

Podemos observar que un amplificador operacional tiene dos entradas (marcadas como 1 y 2). La entrada etiquetada con '-' es el terminal inversor. La entrada etiquetada con el signo '+' es el terminal no inversor. El par de conexión de voltaje, que se muestra como + Vsat y -Vsat, son el voltaje de saturación positivo y el voltaje de saturación negativo, representan el límite máximo y mínimo del amplificador operacional; esos se pueden observar en la salida.

Los voltajes de saturación se aplican al amplificador operacional para equilibrar el amplificador operacional con respecto a la tierra. La salida se obtiene del terminal 'O'.

741 amplificador operacional

Los amplificadores operacionales ahora están disponibles en los mercados a través de circuitos integrados. Uno de esos circuitos integrados es el amplificador operacional 741. Es un CI monolítico (todas las conexiones se forman en una sola pieza de silicio cristalino). El IC consta de un amplificador operacional. Fairchild Semiconductor lo desarrolló por primera vez a principios de los sesenta. El número 741 indica que el IC tiene siete pines funcionales, cuatro pines de entrada y un pin de salida.

Configuración de pines del amplificador operacional 741

El siguiente diagrama muestra el pinout del IC. La terminología del IC que consiste en un amplificador operacional también describe los pines. El número 7 de 741 representa siete pines funcionales, cuatro pines de entrada y un pin de salida.

741 esquema del amplificador operacional

El siguiente mago representa el diagrama esquemático de un amplificador operacional 741.

Esquemático por: Carga inductivaAmplificador operacional interno, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Integrador de amplificador operacional

Hemos mencionado anteriormente, y un amplificador operacional puede realizar varias operaciones matemáticas. Averigüemos cómo un amplificador operacional puede realizar una operación de 'integración' sobre una señal de entrada. Para implementar el integrador usando un amplificador operacional, necesitamos un condensador y un par de resistencias, ¡y un amplificador operacional! El siguiente diagrama de circuito muestra el circuito integrador del amplificador operacional.

amplificador operacional
Circuito integrador, imagen de - RutujadeshpandeCircuito integradorCC BY-SA 3.0

Operación del integrador

El concepto de suelo virtual funciona porque se asume la ganancia infinita del OP AMP. Es por eso que el nodo 'A' en la imagen es un terreno virtual. Deje que la corriente 'i' fluya a través de la resistencia R. Entonces, la corriente podría medirse como i = V1 / R.

 Aquí, V1 es el voltaje de entrada proporcionado en el terminal inversor, y el terminal no inversor está conectado a tierra con una resistencia y, debido a la alta impedancia de entrada, la misma corriente fluirá a través de la ruta de retroalimentación, teniendo un condensador en eso. Entonces, el voltaje de salida se puede escribir como:

Vo = - 1 / C 0 t [i dt]

O Vo = - 1 / RC 0 t [V1 dt]

Por lo tanto, podemos decir que el voltaje de salida es proporcional a la integral de tiempo del voltaje de entrada y es por eso que el circuito se denomina integrador o integrador Miller.

Comparador de amplificador operacional

Un comparador de amplificador operacional o un comparador de voltaje, o un comparador, es un dispositivo electrónico que compara dos voltajes de entrada y proporciona una salida indicativa. La salida indica cuál de las dos entradas de voltaje tiene valores más extraordinarios.

El amplificador operacional está diseñado en configuraciones de circuito abierto para usar un amplificador operacional como comparador.

  • Si el voltaje en el terminal no inversor es más alto que el voltaje en el terminal inversor, la salida se conmuta al voltaje de saturación positivo del amplificador operacional.
  • Si el voltaje del terminal inversor es mayor que el voltaje en el terminal no inversor, el o / p se conmuta al voltaje de saturación -ve del amplificador operacional.

Circuito comparador de amplificador operacional

La siguiente imagen representa el circuito comparador del amplificador operacional.

amplificador operacional
Comparador, Imagen de: Carga inductivaComparador de amplificador operacional, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Ganancia del amplificador operacional

La ganancia del amplificador operacional se refiere a la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada y el amplificador operacional tiene dos tipos de ganancia de la siguiente manera.

  • Ganancia de circuito cerrado: Si el sistema de amplificador operacional tiene un sistema de retroalimentación asociado, entonces la ganancia del sistema se conoce como ganancia de circuito cerrado.
  • Ganancia en bucle abierto: Si el circuito del amplificador operacional no tiene un sistema de retroalimentación asociado, entonces la ganancia es ganancia de bucle abierto.

Para un amplificador operacional ideal, la ganancia es infinita para cualquier frecuencia. Para amplificadores reales, la ganancia es una constante absoluta. La ganancia es el parámetro de rendimiento del amplificador.

Ganancia del amplificador operacional sin inversión

La expresión general del voltaje de salida del amplificador no inversor es: Vout = k * Vin

La ecuación de salida del amplificador no inversor es: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Entonces, comparando ambas ecuaciones, el valor de k será

k = [1 + (Rf / R1)]

Esta expresión de la resistencia se conoce como ganancia del amplificador no inversor. Podemos observar que si Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Entonces, el voltaje de entrada se amplifica en un factor de 2. La relación (Rf / R1) generalmente controla la ganancia. El aumento de Rf aumenta el valor de ganancia.

Búfer de amplificador operacional

Un búfer de amplificador operacional o un búfer de ganancia unitaria, o un circuito seguidor de voltaje es un modelo de amplificador no inversor especialmente diseñado. Observe el circuito del amplificador no inversor indicado anteriormente. Si hiciéramos la resistencia de retroalimentación cero y la resistencia infinita del terminal inversor, la ganancia del amplificador sería la unidad. Es por eso que este circuito se conoce como búfer de ganancia unitaria. Este búfer se utiliza para igualar la impedancia.

Amplificador operacional diferencial

El amplificador operacional diferencial o amplificador diferencial es el amplificador operacional que amplifica la diferencia entre los dos voltajes de entrada y lo proporciona como salida y realiza la operación de resta, a diferencia de un amplificador sumador que suma los voltajes de entrada.

El siguiente circuito representa el circuito de un amplificador diferencial.

amplificador operacional
Amplificador diferencial, imagen de - Carga inductivaAmplificador diferencial de amplificador operacional, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Operaciones

Usando el concepto de tierra virtual, podemos concluir que el voltaje en el nodo A es el mismo que el voltaje en el nodo B. Usando KCL, podemos escribir que:

(V1 - Vx) / R1 = (Vx - VO) / R2

& (V2 - Vx) / R1 = Vx / R2

Aquí, V1 es el voltaje de entrada. Vx es el voltaje en el nodo A (así como en B). Vo es el voltaje de salida. Ahora asumimos que el amplificador operacional tiene una alta impedancia de entrada. Comparando y usando ambas ecuaciones, podemos escribir:

Vo = (V2 - V1) * R2 / R1

Esta ecuación de salida justifica la operación.

Inversión de la ganancia del amplificador operacional

La expresión general del voltaje de salida del amplificador inversor es: Vout = -k * Vin

La ecuación de salida del amplificador inversor es: V0 = - (Rf / R1) * Vin

Ahora, comparando ambas ecuaciones, podemos decir:

k = (Rf / R1)

Es la ganancia de bucle cerrado del amplificador inversor.

Amplificador operacional sumador

El amplificador operacional sumador o amplificador operacional sumador es el amplificador que amplifica la suma de los voltajes de entrada y lo proporciona como salida. Realiza operaciones de suma o suma, a diferencia de un amplificador diferencial que realiza operaciones de resta.

La siguiente imagen representa el amplificador operacional sumador.

amplificador operacional
Amplificador sumador, Imagen de - Carga inductivaAmplificador sumador de amplificador operacional, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Operación

Usando el concepto de suelo virtual, el potencial en el nodo A es el mismo que el potencial en el nodo B. Aplicando KCL, podemos escribir:

I1 + I2 + I3 +… + IN = IO

O, V1 / R1 + V2 / R2 +… + Vn / Rn = - Vo / Rf

O Vo = - [(V1 * Rf / R1) + (Rf * V2 / R2) +… + (Rf * Vn / Rn)

Ahora, si R1 = R2 =… = Rn = Rf, entonces podemos escribir -

Vo = - [V1 + V2 +… + Vn]

Amplificador operacional seguidor de voltaje | Seguidor de amplificador operacional

Un amplificador operacional seguidor de voltaje o un búfer de ganancia unitaria, o un circuito seguidor de voltaje es un modelo de amplificador no inversor especialmente diseñado y si hiciéramos la resistencia de retroalimentación cero y la resistencia infinita del terminal inversor, la ganancia del amplificador sería la unidad. Como el voltaje de salida sigue el voltaje de entrada sin amplificación, el amplificador se conoce como seguidor de voltaje op ap. Es por eso que este circuito también se conoce como búfer de ganancia unitaria. Este búfer se utiliza para igualar la impedancia.

Amplificador operacional discreto

El amplificador operacional discreto está construido para proporcionar el mínimo residual entre las entradas positivas y negativas, por lo tanto, provoca una alta ganancia. Los amplificadores operacionales discretos se utilizan generalmente para aplicaciones de audio en lugar de amplificadores operacionales convencionales. Tiene varias ventajas sobre los amplificadores operacionales convencionales, ya que es posible un diseño personalizado, necesita componentes menores, proporciona una mejor estabilidad de temperatura, etc.

Amplificador operacional lm741

El lm741 es un circuito integrado monolítico que tiene un amplificador operacional en su interior. Tiene ocho pines. El IC no requiere compensación de frecuencia externa. Proporciona un CMRR más alto y consume menos energía. El pinout de lm741 se da a continuación.

Número de PINDescripción
1, 5Offset NULL para eliminar el offset y equilibrarlo con el suelo.
2Terminal de entrada inversora
3Terminal no inversor
4Voltaje de saturación negativo
6Salida del amplificador operacional
7Voltaje de saturación positivo
8Sin conexión (NC)

Diferenciador de amplificador operacional

Amplificador operacional diferenciador o amplificador operacional diferencial realiza la operación de diferenciación sobre una señal de voltaje de entrada. Para implementar el diferenciador usando un amplificador operacional, necesitamos un condensador y un par de resistencias, ¡y un amplificador operacional! El siguiente diagrama de circuito muestra el circuito diferenciador del amplificador operacional.

Ecuaciones del amplificador operacional

Las ecuaciones de amplificador operacional generalmente se denominan ecuaciones de salida de un amplificador operacional. Las ecuaciones de salida representan la relación entre los voltajes de entrada y salida. El factor de ganancia también se puede determinar a partir de las ecuaciones de salida. Algunas de las ecuaciones de salida de algunos amplificadores básicos se dan a continuación.

Ecuaciones de amplificador operacional sin inversión: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Inversión de ecuaciones de amplificador operacional: V0 = - (Rf / R1) * Vin

Tipos de amplificadores operacionales

Op-amp tiene varios tipos en lugar de varios modos de operación. Los diferentes tipos de amplificadores operacionales realizan varias operaciones matemáticas. Algunos de ellos son -

  1. Amplificador operacional inversor
  2. Amplificador operacional no inversor
  3. Amplificador operacional de diferencia
  4. Amplificador sumador
  5. Integrador
  6. Amplificador diferencial
  7. Amplificador logarítmico
  8. comparador
  9. Convertidor de corriente a voltaje
  10. Convertidor de voltaje a corriente

Amplificador operacional inversor vs no inversor

Hagamos un análisis comparativo entre amplificador operacional inversor y no inversor.

Objeto de comparación.Amplificador operacional inversorAmplificador operacional no inversor
Terminal de entradaLa entrada se proporciona a través del terminal inversor.La entrada se proporciona a través de un terminal no inversor.
Polaridad de salidaLa polaridad del voltaje de entrada cambia en la salida.La polaridad de la entrada permanece igual en la salida.
GananciaLa ganancia se da como: Av = - (Rf / R1)La ganancia se da como: Av = (1 + Rf / R1)
Impedancias de entradaLa impedancia de entrada es menor que la del amplificador operacional no inversor.La impedancia de entrada es mayor que la del amplificador operacional inversor.
Fase de salidaLa entrada y la salida están en fase.La entrada y la salida están desfasadas.

Amplificador operacional de retroalimentación negativa

Para un sistema de circuito cerrado de un amplificador operacional, si el sistema de retroalimentación está conectado al terminal inversor del amplificador operacional, el sistema de retroalimentación se conoce como retroalimentación negativa. Un amplificador operacional que funciona con retroalimentación negativa incorporada se conoce como retroalimentación negativa. Los amplificadores operacionales de retroalimentación negativa tienen una mejor estabilidad del sistema, pero la ganancia es menor que la del amplificador operacional de retroalimentación positiva.

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Sobre Sudipta Roy

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