Los amplificadores operacionales (Opamp) son dispositivos integrados encapsulados en varios
materiales (como plástico, cerámica, etc.), y generalmente consisten en docenas
o cientos (o incluso más) de transistores interconectados para que puedan
reproducir con la mayor precisión posible las características de su diseño original.
Como regla, solo tenemos acceso a los terminales externos del amplificador operacional, que
generalmente consiste en una entrada inversor, una entrada no inversor, un salida
y más los terminales de alimentación, uno de polaridad positiva y uno de polaridad negativa
(en relación con el otro terminal de alimentación). Los amplificadores operacionales más
utilizados tienen 8 pines externos, siendo el ejemplo más común y menos costoso, llamado LM 741.
Las dos letras indican el fabricante y el número identifican sus características.
Para fines de estudio, solo estamos interesados en los terminales input y output.
En la Figura 41-01 podemos ver la simbología utilizada para un amplificador operacional.
Aparece la cinco pines describen previamente y hay dos más
(no se muestra en la figura) que se utilizan
para el ajuste de compensación, una característica que no se estudiará aquí
está más allá del alcance de este trabajo.
Figura 41-01
2. Amplificador Operacional Ideal
Para nuestros estudios siempre consideraremos el amplificador operacional como IDEAL. De hecho, la tecnología está tan avanzada hoy en la fabricación de amplificadores operacionales que se puede asumir que son ideales, ya que los resultados teóricos obtenidos diferirán poco de los prácticos.
Las características que forman la base de un amplificador operacional ideal pueden
se resume en cuatro leyes fundamentales que se describen a continuación:
¿Qué significan estas leyes ?
El primero dice que no fluye corriente a través de los terminales de entrada. Esto significa que
la impedancia de entrada de un amplificador operacional ideal es INFINITO.
El segundo dice que no hay caída de voltaje entre los terminales de entrada. Por lo tanto, podemos
suponer que la diferencia de potencial entre la entrada del inversor y la entrada
no inversora es igual a CERO.
Resumindo:
i1 = i2 = 0
Vi = V2 - V1 = 0 ⇒ V1 = V2
Estén atentos a estas últimas dos ecuaciones ya que serán muy útiles
en la resolución de problemas que involucran amplificadores operacionales.
Atención
"En este sitio haremos una distinción entre ganancia de malla abierta, representada por Av, y
ganancia de malla cerrada, representada por K."
3. Modelo Eléctrico de un Opamp Ideal
Un amplificador operacional, cuando está asociado con circuitos pasivos como resistencia, condensador e inductor, puede realizar algunas operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración.
En la Figura 41-02, vemos la representación esquemática del modelo eléctrico de un
amplificador operacional que satisface las leyes observadas en el elemento anterior.
Figura 41-02
De esta figura (arriba) es posible escribir la ecuación que relaciona el voltaje de entrada
con el voltaje de salida. Así tenemos:
Vo = Av Vi
Es interesante que el amplificador operacional funcione en una región lineal, excepto en casos especiales. Para que esto suceda debemos satisfacer la desigualdad a continuación:
- V ≤ Vo ≤ + V
En la mayoría de los circuitos, el voltaje de alimentación V varía de 10 a 15 voltios mientras que la ganancia de voltaje Av es mayor
que 105. Tenga en cuenta que si en la ecuación anterior dividimos todos los elementos por Av, y recordando que:
Vi = V2 - V1 = Vo / Av
Entonces, haciendo esta sustitución, encontramos:
(- V/ Av) ≤ (V2 - V1) ≤ (+ V/ Av)
Ahora como Av tiene un valor muy grande por lo que V /Av → 0 y podemos escribir eso:
V1 ≅ V2
En nuestros estudios asumiremos que el amplificador operacional se comporta como un
dispositivo ideal ( Av → ∞), entonces
podemos escribir eso:
V1 = V2
Dejaremos como ejemplo de aplicación de estas características el ejercicio de página 159
del libro [4] Fundamentos de los circuitos eléctricos - SADIKU, Matthew - 2013, donde mostramos
en la figura debajo del circuito y la declaración.
Declaración: Considerando el amplificador operacional como ideal
en la Figura 41-03,
calcule la ganancia de voltaje de lazo cerrado K, la corriente de salida io,
así como el voltaje de salida Vo y la corriente de salida io
cuando Vs = 1 volt.
Figura 41-03
Nota que la corriente i1 = 0 implica que la corriente ir
que pasa por la resistencia de 40 kΩ, también pasa por la resistencia de
5 kΩ, caracterizando un circuito en serie. Entonces podemos calcular
V1 por un simple divisor de voltaje.
V1 = Vo ( 5 / (5 + 40)) = Vo / 9
Además, del circuito podemos deducir que:
Vs = V1 = V2
Al realizar la sustitución adecuada, podemos calcular la ganancia de voltaje de bucle cerrado (K)
del circuito.
K = Vo / Vs = 9
Ahora calculemos el valor de io. Mirando la salida
del amplificador operacional , vemos claramente que existe una relación de
corrientes con io, a saber:
io = ir + ix
Teniendo conocimiento de esta relación, podemos relacionar io con
Vo, o:
io = Vo/ (5 + 40) + Vo/ 20
Tenga en cuenta que la primera parte representa ir y la segunda parte representa
ix. Aplicación directa del método tensión nodal.
Cuando Vs = 1 voltio tenemos que Vo = 9 x 1 = 9 voltios, porque
K = 9 y por lo tanto, haciendo las sustituciones numéricas en la ecuación anterior, encontramos la corriente de salida io, o:
io = 0,2 + 0,45 = 0,65 mA
Entonces, mediante el uso de ecuaciones simples y un razonamiento adecuado, podemos resolver el problema.
Tenga en cuenta que la ganancia de voltaje del circuito de circuito cerrado (K) es completamente independiente de la ganancia de bucle abierto (Av) del amplificador operacional, y solo depende de los elementos que conforman el circuito de retroalimentación.
4. Buffer
"Buffer" o también conocido como seguidor de voltaje, o adaptador de impedancia se caracteriza por ser un amplificador de voltaje de ganancia unitario . Se puede decir que su
impedancia de entrada es infinita (sin ninguna exageración) y su impedancia de salida es prácticamente nula.
Por esta razón, el circuito buffer se usa ampliamente cuando queremos acoplar un circuito que tiene una alta impedancia de salida a un circuito que tiene una baja impedancia de entrada. Entonces, lo que hace un buffer es emitir una "copia verdadera" del voltaje de entrada. Como tiene una alta impedancia de entrada, no sobrecarga la etapa anterior. Y debido a que tiene una impedancia de salida muy baja, puede alimentar la etapa posterior incluso si tiene una baja impedancia de entrada.
Vea en la Figura 41-04 un circuito buffer.
Figura 41-04
Nota que el buffer está construido a partir de un amplificador no inversor, haciendo
Rf = 0 y Ri = ∞. Por lo tanto, la ganancia viene dada por
K = 1 + (Rf / Ri) = 1.
Debido a todas estas características interesantes del buffer, algunos libros también lo llaman la
fuente de voltaje controlada por voltaje. Cualquier voltaje que esté conectado a la entrada se reproducirá fielmente en la salida.
