Trabajo Práctico Nº 5 - Amplificadores Operacionales

Introducción Teórica

Un amplificador operacional, es un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia).
El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene la capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante, tiene además limites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de volt (especificación también definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan pro su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.

Las características principales de un operacional son:


La impedancia de entrada es muy alta, del orden de megohms.

La impedancia de salida Zout es muy baja, del orden de 1 ohm

Las entradas apenas drenan corriente, por lo que no suponen una carga.

La ganancia es muy alta, del orden de 10^5 y mayor.

En lazo cerrado, las entradas inversora y no inversora son prácticamente iguales.

El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

                                     Los terminales son:

                                             

V+: entrada no inversora

V-: entrada inversora

VOUT: salida

VS+: alimentación positiva

VS-: alimentación negativa

Circuitos básicos con operacionales

1. Amplificador no inversor

Por la característica 5), -vin = vin
R1 y R2 forman un divisor de tensión, cuya entrada es vout y la salida del divisor es –vin.

O sea:

-vin = vin = vout R1 / (R1+R2)
Ganancia = Av = vout/vin = 1+R2/R1

La impedancia de entrada Zin es muy elevada, mientras que la impedancia de salida Zout vale unas décimas de ohm.

2. Amplificador inversor

La entrada no inversora está a tierra, y por la característica 5), A también lo estará. Por tanto, la tensión en R2 vale vout, y la tensión en R1 vale vin, y por tanto la ganancia vale:

Av = -vout / vin = -R2 / R1

El signo menos por ser la señal invertida en fase.

La impedancia de entrada Zin vale R1, puesto que como dijimos, A está puesto a tierra a efectos prácticos. La impedancia de salida Zout vale una fracción de ohm.

3. Buffer o seguidor

Se trata de un amplificador no inversor cuya resistencia R1 vale infinito y R2 vale cero y ganancia unidad.
Tiene una impedancia de entrada Zin muy elevada, y una impedancia de salida Zout muy pequeña. Por este motivo se utiliza principalmente para aislar dos circuitos, de manera que el segundo no resulte una carga para el primero, pues la impedancia vista será la altísima Zin del operacional. En este caso se dice que U1 sirve para “adaptar impedancias”.
Existen operacionales especiales para utilizarlos como buffers, como el LM310 o el OPA633.

4. Restador

El circuito de la figura resta las señales de entrada y el resultado se amplifica con la ganancia
Av = R2/R1

Es decir:

Vo = R2/R1 (V2-V1)

5. Sumador

El circuito sumador es una variante del restador presentado anteriormente.
El punto A es una tierra virtual y por tanto la corriente de entrada vale:

Iin = V1/R + V2/R + V3/R

Se obtiene:

Vout = -(V1+V2+V3)
Las entradas pueden ser positivas o negativas. En el caso de que las resistencias sean diferentes entre sí, se obtiene una suma ponderada. Esto vale por ejemplo para hacer un sumador binario si las resistencias fuesen por ejemplo R, 2R, 4R, 8R, etc., y de hecho constituye el fundamento de un convertidor analógico-digital (ADC: Analog to Digital Converter).

Desarrollo de la Práctica

6) A continuación las señales de entrada y de salida del amplificador con Vs = 50mVpp y una frecuencia de 1KHz.

Señal de entrada

Señal de Salida

7)  No se producen cambios en el funcionamiento del circuito y mantiene la misma o aproximada amplificación, ya que ambos, trabajando a una frecuencia de 1KHz, tienen la misma repuesta en frecuencia.

Señales del LM741 y del TL081

8) En las siguientes señales se demuestra que la ganancia de tensión deja de responder al cociente entre R2 y R1, al inyectar frecuencias altas, progresivamente, hasta llegar a los 1MHz.

Señal a una frecuencia de 1Khz

Señal a una frecuencia de 100KHz

Señal a una frecuencia de 1MHz

9)  Ajustamos el generador de señales a una frecuencia de 1 KHz, se midió la impedancia de entrada del amplificador inversor entre los terminales Vs y se utilizó el método de la máxima transferencia de energía obteniendo como resultado 8.13 K.

Amplificador No Inversor

10)

 Definición de [dB] 

dB = 20 . Log (Avs) 

26dB = 20 . Log (Avs) 

26dB/20 = Log (Avs) 

1,3 = log (Avs) 

10^1,3 = Avs 

Avs = 19,9526 

Avs ► 20

                                       Avs = 1 + Rf/R         siendo Rf = 120K 

    R = 120K/18,9526

R = 6,331k

Los criterios utilizados para los cálculos de los componentes externos, fueron el de suponer Rf como una resistencia mayor a 100K, en este caso 120K por valores comerciales, y luego se despejo R de dividir RF/(Avs-1), obteniendo como resultado 6,331K. Se utilizó para esta última una resistencia de 6,34K aproximando su valor a una de valor comercial.

11) A continuación se pueden observar las señales de entrada y de salida de un amplificador operacional no inversor funcionando.

Señal de entrada del amplificador operacional no inversor

Señal de salida del amplificador operacional no inversor 

12) Circuito esquemático del Amplificador operacional no inversor.

Conclusiones

Un amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes. Se utilizó el A.O. en sus tres formas básicas y se tomaron mediciones de sus ganancias. No hubo diferencia en las mediciones entre el LM741 y el TL081. La ganancia del A.O. deja de responder al cociente entre R2 y R1 cuando la frecuencia supera los 80 KHz. Se pudo comprobar el funcionamiento del OFFSET en el Amplificador Operacional con la configuracion de Amplificador Inversor.