amplificador operacional

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  La mayor parte del control y medida de los procesos industriales se realiza mediante circuitos electrónicos, siendo el amplificador operacional (Amp. Op.) un módulo básico de dichos circuitos de control. Aunque cada vez más, el procesado de la información y la toma de decisiones del sistema se realiza con circuitos digitales o sistemas basados en microprocesadores, la conversión de las variables medidas (temperatura, presión, velocidad, etc.) en variables eléctricas: corriente o tensión (en los sensores), o la conversión inversa (en los actuadores analógicos), requiere de circuitos analógicos, donde el amplificador operacional juega un papel fundamental. Este capítulo se dedica al estudio del bloque de construcción de un circuito de importancia universal: el amplificador operacional (Amp. Op.). Aunque los Amp. Op. han estado usándose desde hace mucho tiempo, sus aplicaciones fueron inicialmente en las áreas de la computación analógica y de la instrumentación. Los primeros Amp. Op. se construyeron partiendo de componentes discretos (transistores y resistencias). A la mitad de la década de 1960 se produjo el primer Amp. Op. de circuito integrado (CI). Esta unidad (la  A 709) se formó de un número relativamente grande de transistores y resistencias, todos ellos en la misma placa de silicio. Aunque sus características eran  pobres (en relación a los estándares actuales) y su precio fue bastante alto, su aparición señaló una nueva era en el diseño de circuitos electrónicos. Los ingenieros en electrónica comenzaron a utilizar los Amp. Op. en grandes cantidades, lo que causó que su precio se redujera en forma dramática. Demandaron también Amp. Op. de mejor calidad. Los fabricantes de semiconductores respondieron con prontitud, y en un plazo de unos pocos años se contó con Amp. Op. de alta calidad a precios extremadamente  bajos (décimos de centavos de dólar) de un gran número de proveedores. Una de las razones de la popularidad del Amp. Op. es su versatilidad. Como muy pronto se verá, se puede hacer casi cualquier cosa con los Amp. Op. Aún de mayor importancia, el Amp. Op. de circuito integrado (CI) presenta características que por muy poco alcanzan el que se considera ideal. Esto implica que es bastante fácil diseñar circuitos utilizando el Amp. Op. de CI. También, los circuitos de Amp. Op. trabajan a niveles muy cerca del funcionamiento teórico que se predice. En este capítulo se expondrán algunas aplicaciones sencillas de los Amp. Op., las cuales deberían ayudar a comprender la versatilidad de estos dispositivos.  Amplificador Operacional  1.1.- Símbolos y terminales del amplificador operacional. Un amplificador operacional es un amplificador diferencial. Desde el punto de vista de una señal, el Amp. Op. tiene tres terminales: dos terminales de entrada y un terminal de salida. La figura 6.1 muestra el símbolo que utilizaremos para representar el Amp. Op. Los terminales 1 y 2 son los terminales de entrada, y el terminal 3 es el de salida. Figura 6.1.-   Símbolo eléctrico y terminales de un amplificador operacional Como el Amp. Op. es un dispositivo activo (está formado por transistores, resistencias y algún condensador), requiere una potencia de continua para funcionar. La mayoría de Amp. Op. de CI requieren dos fuentes de continua, como se muestra en la figura 9.1. Los terminales, 4 y 5 del operacional se conectan a un voltaje positivo, V CC , y a uno negativo, -V EE , respectivamente, siendo habitual que sean iguales en valor absoluto. Las dos fuentes de alimentación de continua presentan una tierra común. Es interesante observar que el punto tierra de referencia en los Amp. Op. es precisamente el terminal común de las dos fuentes de alimentación; esto es, ningún terminal del Amp. Op. se conecta físicamente a tierra. Es importante indicar que también existen operacionales que se alimentan entre tensión y tierra (operacionales Norton). En adición a los tres terminales de la señal y los dos terminales de la alimentación de continua, un Amp. Op. puede tener otros terminales para propósitos específicos. La función de algunos terminales del operacional se verá en el laboratorio (por ejemplo, la anulación del offset, aunque no se emplee). +_ v + v - v O v i Entrada no inversoraEntrada inversoraTensión de salida+V CC -V EE 0 Fuente deAlimentaciónde continua  La ecuación ideal que gobierna el comportamiento del amplificador operacional es la siguiente: Vo = A (V+ - V-) Siendo A la ganancia de voltaje sin carga. Es decir, la salida es igual a la diferencia de ambas entradas multiplicadas por una constante A. La entrada 1 (V+), se denomina Entrada no inversora porque varía en el mismo sentido que la salida: de la fórmula anterior se deduce, que si mantenemos la entrada inversora (entrada 2, V-) constante, cuando V+ aumenta, Vo aumenta, y cuando V+ disminuye, Vo disminuye. La entrada 2 (V-) se denomina entrada inversora porque varía en sentido contrario que la salida. Aplicando la fórmula anterior se deduce, que si mantenemos la entrada no inversora (entrada 1, V+) constante, cuando V- aumenta, Vo disminuye, y cuando V+ disminuye, Vo aumenta. Es habitual en los circuitos electrónicos no mostrar de forma explícita las fuentes de alimentación de continua de los Amp. Op., ni la línea de tierra, como se representa en la figura 6.2. (Este punto suele introducir problemas, porque es habitual olvidar que la alimentación de continua limitará el margen de valores que puede tener la tensión de salida). Figura 6.2.-    Esquema simplificado de un amplificador operacional La representación gráfica de la ecuación 1 es una recta que pasa por el srcen, de  pendiente A, y llega de +   a -  . La ecuación de un amplificador real, discrepará de esta ecuación. De forma esquemática, podríamos decir que en un operacional real es: Vo = A (V+ - V-)   + efectos no ideales En la Figura 6.3 queda representada la diferencia entre la ecuación de un amplificador operacional ideal y el real. En la figura de la derecha, se ve como la tensión de salida no puede superar la tensión de alimentación V CC  ni ser inferior a –V EE . En los temas anteriores de amplificación, se ha remarcado el hecho de que en un + _  v + v - V O v i  A  circuito de transistores es imposible obtener una tensión superior a la alimentación de continua aplicada. Vomax Vomin Vo Vi = V+ - V -  VCC -VEE m = A Vo Vi = V+ - V -  VCC-VEE m = A Figura 6.3.-   Curva del amplificador operacional: a) ideal y b) real. Es más, en la figura se observa como hay una pequeña perdida de tensión en la salida, de forma que esta puede variar entre Vomax y Vomin. Este concepto puede ser entendido por los alumnos porque en el tema 5 se vio que el margen dinámico no puede llegar al valor de alimentación debido a la tensión de saturación que hay en el transistor. 1.2.- El amplificador operacional como amplificador de tensión. En la figura 6.4 se representa un circuito en el que se desea amplificar tensión. Figura 6.4.-    Amplificador de tensión real  Las definiciones de las variables dibujadas en la figura 6.4 son las siguientes: + _ + _ R  S  R  O R  i  A V V i R  L  V O V i V S
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