05_Amplificador_Operacional.pdf

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5. AMPLIFICADOR OPERACIONAL  5.1. INTRODUCCIÓN  Figura 5-1 En la actualidad la mayoría de procesos en la industria o en nuestros hogares están controlados por dispositivos electrónicos. Estos procesos se controlan por medio de circuitos analógicos o digitales, o combinaciones de ambos. En cualquier caso es usual tener una o varias señales de entrada medidas
     Antonio José Salazar Gómez – Universidad de los Andes 79   5.    AMPLIFICADOR   OPERACIONAL   5.1.   INTRODUCCIÓN   Figura 5-1 En la actualidad la mayoría de procesos en la industria o en nuestros hogares están controlados por dispositivos electrónicos. Estos procesos se controlan por medio de circuitos analógicos o digitales, o combinaciones de ambos. En cualquier caso es usual tener una o varias señales de entrada medidas en alguna parte del circuito - señales controladoras - que se usan para calcular el valor de una señal de salida o señal controlada: señal de salida = función de control(señales de entrada) Los amplificadores operacionales permiten implementar la función de control realizando diversas operaciones matemáticas, como sumas, restas, multiplicaciones, derivadas e integrales. De allí su nombre de amplificadores operacionales . La Figura 5-1 muestra la idea del uso del amplificador conectado a un circuito cualquiera en el cual se tiene una señal   de entrada que permitirá realizar el control     5. AMPLIFICADOR OPERACIONAL 80  Antonio José Salazar Gómez – Universidad de los Andes de una señal de salida. La señal de entrada está dada por los voltajes de los terminales llamados inversor y no inversor, v - y v  + respectivamente. La señal de salida está dada por el voltaje v o . El amplificador operacional suela ser denominado OPAM, por sus siglas en inglés. 5.2.   MODELO   “REAL”   DEL   AMPLIFICADOR   La Figura 5-2 muestra un modelo “real” del amplificador operacional conectado a un circuito en el cual la señal de entrada alimenta una resistencia de entrada Rin , la cual representa la resistencia de entrada del instrumento de medición de la señal de entrada v d  . Esta señal de entrada v d = ( v + - v -) se convierte en la variable controladora de una fuente controlada que determina el voltaje a la salida, que toma el valor de A( v + - v -), donde A es la ganancia del amplificador, también llamada ganancia de lazo abierto . Esta fuente controlada alimenta la carga conectada en el terminal de salida v o  y dado que hay una resistencia de salida Ro  (que representa la resistencia interna de la fuente) se produce allí una caída de voltaje. Figura 5-2 5.3.   MODELO   DE   RESISTENCIAS   IDEALES   DEL   AMPLIFICADOR   El modelo de resistencias ideales del amplificador asume que no hay pérdidas resistivas de energía ni en la entrada ni en la salida del amplificador. Esto implica adicionalmente que no se altera la corriente en el circuito al que se conecta ( 0 = − i ). Para esto se requiere que la resistencia de entrada Rin  sea lo más grande posible, llegando a ser infinita (circuito abierto), de manera que no haya corriente entrando o saliendo por los terminales v + y v -. De esta manera el voltaje de la señal de entrada no se ve afectado por la medición de la misma, como ocurre cuando la Rin  es finita. Igualmente para que no haya pérdidas de energía en la salida del amplificador por disipación en la resistencia de salida Ro  se requiere que esta resistencia sea cero, de manera que ( ) −+ −= vv Av 0 , independiente de la corriente que solicite la carga conectada a la salida del amplificador.  5.4. MODELO IDEAL DEL AMPLIFICADOR – MODELO DE CORTO CIRCUITO VIRTUAL  Antonio José Salazar Gómez – Universidad de los Andes 81   Resumiendo, para modelo de resistencias ideales del amplificador se tiene: ∞= in  R ⇒   Circuito Abierto en los terminales de entrada ⇒    0 ==  −+ ii 0 0  =  R ⇒   Corto Circuito en la resistencia de salida ⇒    ) −+ −= vv Av 0   Estas características del amplificador ideal se muestran en la Figura 5-3. Figura 5-3 Este amplificador ideal puede tener algunas variantes, debidas al valor que tenga la ganancia A y la existencia o no de un voltaje de saturación que se explican a continuación.  Nota: en algunos textos se indica que el amplificador ideal tiene  ganancia A infinita. Aquí vamos a separar los dos casos (A  finita e infinita), manteniendo las condiciones sobre las resistencias ideales de entrada y salida. 5.4.   MODELO   IDEAL   DEL   AMPLIFICADOR    –   MODELO   DE   CORTO   CIRCUITO   VIRTUAL   El modelo de resistencias ideales del amplificador presentado en la Figura 5-3 puede tener una ganancia A de valor finito o infinito. Aquí infinito quiere decir tan exageradamente grande que se comporta como infinita. Esto es útil pues simplifica mucho los cálculos y al comparar con los valores obtenidos con ganancias A finitas muy grandes los resultados son casi idénticos. De hay la utilidad de este modelo, que puede tener o no saturación. El valor de v o siempre tiene un valor finito en la salida y dado que  v o  = A( v + - v -) se requiere que si A tiende a ser muy grande, ( v + - v -) tienda a ser muy pequeño para mantener en voltaje de salida v o  en un valor estable.  Así en el límite:  A →    ∞    ⇒   (v+ - v-) →   0 ⇒   v+ = v-  5. AMPLIFICADOR OPERACIONAL 82  Antonio José Salazar Gómez – Universidad de los Andes Otra manera de verlo es la siguiente: Para que en una configuración dada el valor de v o  se mantenga estable, el amplificador ajustará la corriente de salida para que el voltaje de salida se mantenga estable, para lo cual requiere por un lado que haya una realimentación (medida) de la señal de salida en la entrada y por otro lado que ( v + - v -) sea muy pequeño, para lo cual al circuito hace que el voltaje en los terminales v + y v - se igual. Como el voltaje en los dos terminales será el mismo se dice que están en corto circuito virtual, y si uno de ellos, por ejemplo el no inversor está conectado a tierra v + = 0V y por tanto el terminal inversor tendrá un voltaje v - = 0V. En este caso se dice que el terminal inversor del amplificador tiene una  tierra virtual (ya que v - = 0V). En resumen el Modelo Ideal del Amplificador es entonces un caso particular del modelo de resistencias ideales, en el cual se tiene: ∞= in  R   ⇒    0 ==  −+ ii 0 0  =  R  A →    ∞    ⇒   v+ = v- Estos resultados se muestran en la Figura 5-4. Figura 5-4 5.5.   MÉTODO   DE   CÁLCULO   CON   AMPLIFICADOR   IDEAL   CON   GANANCIA   A   INFINITA   El hecho de que v + = v - y de que i + = i - = 0 fija las restricciones para el cálculo del circuito. Se escribe las ecuaciones de nodos para los terminales de entrada en función de los voltajes de entrada y el voltaje de salida teniendo en cuenta que no hay corriente entrando en dichos terminales y dado que v + = v - se igualan los voltajes de los terminales de entrada y de allí se tienen las ecuaciones necesarias para calcular el voltaje de salida en función de las señales de entrada y de la topología del circuito.
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