Amplificadores Operacionales

Uno de los dispositivos electrónicos mas versátiles y de mayor uso en aplicaciones lineales es el amplificador operacional. Los amplificadores operacionales son populares porque son baratos, fáciles de usar y es divertido trabajar con ellos. Nos permiten construir circuitos útiles sin tener que saber sobre su complicado circuito interno.
Los primeros amplificadores operacionales se utilizaban en circuitos para sumar, restar, multiplicar e incluso resolver ecuaciones diferenciales.
El símbolo del amplificador operacional es el siguiente

Todos los amplificadores operacionales poseen por lo menos 5 terminales en este caso especificaremos su ubicación respecto del LM741 y el TL081 que utilizaremos en la practica:

(1) El terminal de fuente positiva Vcc o +V en el pin 7
(2) El terminal de fuente negativa Vee o -V en el pin 4
(3) El terminal salida en el pin 6
(4) El terminal de entrada inversora (-) en el pin 2
(5) El terminal de entrada NO inversora (+) en el pin 3

A su vez estos integrados, cuentan con 2 terminales especiales para anular el offset en los pines 1 y 5, tema que veremos mas adelante con detalles.
Antes de entrar en detalles sobre el funcionamiento de estos circuitos, observemos primero que para poder trabajar adecuadamente el amplificador operacional requiere de dos voltajes, un voltaje positivo +V aplicado en la terminal 7, y un voltaje negativo -V aplicado en la terminal 4. Si fuéramos a proporcionar estos voltajes con baterías externas de modo tal que el voltaje positivo sea +V=+15 volts y el voltaje negativo sea -V=-15 volts, lo haríamos utilizando algo como lo siguiente:



Una fuente dual de voltajes fácil de implementar con dos baterías desechables proporcionando un voltaje positivo +V=+9 volts y un voltaje negativo -V=-9 volts sería la siguiente:

En dibujo animado seria de la siguiente forma:

Características Básicas

Aquí vemos una representacion de lo que seria un amplificador operacional, que cuenta con las siguientes características ideales, que utilizamos a la hora de realizar nuestros cálculos:

Ganancia a lazo abierto: INFINITA
Resistencia de entrada: INFINITA
Resistencia de salida: NULA
Ancho de Banda: INFINITA

Los parámetros reales son aproximadamente los siguientes:

Ganancia a lazo abierto: 100.000 u 200.000
Resistencia de entrada: 1MOhm a 1TOhm
Resistencia de salida: 50Ohm a 20Ohm
Ancho de Banda: 1MHz a 10Mhz

Configuraciones Básicas

Amplificador No Inversor

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

Amplificador Inversor

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (con su correspondiente amplificación en cada caso) pero con salida negativa, lo cual implica que la fase estará invertida 180 grados.

Desarrollo de la practica

Para comenzar se armo el circuito de la figura:



Una vez armado dicho circuito, se ajusto el generador de señales para que entregue una tensión continua. Se varió Vs para de esta forma poder armar el cuadro y graficar la función transferencia:


Como se puede observar el amplificador operacional amplifica linealmente, hasta alcanzar la saturación ya que un A.O. típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta.
Al momento que Vs debe ser 0, se desconecto el atenuador y de esta forma se refirió Vs a tierra, donde a la salida podemos medir la tensión de offset

Tensión de Offset

Si nosotros hablamos de un amplificador operacional ideal, y su tensión de entrada es 0V, lógicamente su tensión de salida también debería ser 0V, pero comprobamos en la practica que esto no es asi, sino que presenta una salida en el orden de los mV (25mV aprox).
Como sabemos el LM741 cuenta con 2 pines para la corrección de la tensión residual de offset , pero como el offset también varía con la temperatura podemos decir que practicamente es muy difícil que la salida sea 0V

Se armo el siguiente circuito para anular la tensión de offset:


Ajustamos el generador para que entregue una señal de 50mVpp y 1KHz y observamos que efectivamente la señal de salida esta desfasada de la de entrada 180º por efecto del amplificador inversor. Al reemplazar el LM741 por el TL081 no se observa practicamente ningún cambio considerable y como podemos ver los pines coinciden en ambos casos. Si aumentamos la frecuencia a 1MHz el circuito deja de responder a cociente entre R1 y R2


Encapsulados: LM741

TL081

Medición de la impedancia de entrada

Para esta ocasión, utilizamos el método de máxima transferencia de energía. Como primera medida en Vs, introducimos una señal de 100mVpp 1KHz en el cual conectaremos en Canal 1 del osciloscopio en paralelo a Vs. Seguido de Vs, en serie, previo a la Z de entrada, conectaremos un potenciometro de 100K. El canal 2 del osciloscopio estará conectada entre el potenciometro y la Z de entrada y tierra.
Una vez realizado este procedimento variamos el potenciomentro hasta que el canal 2 sea el 50% del canal 1 (en este caso 50% de 100mvpp= 50mvpp). Realizado esto sacamos el potenciometro y lo medimos con el multimetro
Como sabemos la impedancia de entrada en un amplificador inversor esta fijada por R1 (en este caso 10K) lo cual que un valor aproximado al mismo corrobora que el procediento se realizo de forma correcta

Diseño amplificador No Inversor

Se diseño un amplificador no inversor que gane 26dB, sobre una carga de 1Kohm. Teniendo en cuenta que la maxima frecuencia que se le puede aplicar es 1KHz y la maxima tension de entrada de 1Vpp. Los pasos a aplicar son los siguientes:

Circuito Esquematico



Señal de Salida

Señal de entrada