1. Ideales amplificadores operacionales
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Ideales amplificadores operacionales
Esta sección utiliza un sistemas Enfoque para presentar los fundamentos de los amplificadores operacionales ideales. Como tal, consideramos el amplificador operacional como un bloque con terminales de entrada y salida. Actualmente no estamos interesados en los dispositivos electrónicos individuales dentro del amplificador operacional.
Un amplificador operacional es un amplificador que a menudo se alimenta con voltajes de alimentación positivos y negativos. Esto permite que la tensión de salida oscile tanto por encima como por debajo del potencial de tierra. El op-amp encuentra una amplia aplicación en muchos sistemas electrónicos lineales.
Su nombre amplificador operacional se deriva de uno de los usos originales de los circuitos op-amp; realizar matemática operaciones En las computadoras analógicas. Esta aplicación tradicional se discute más adelante en este capítulo. Los primeros amplificadores operacionales utilizaron una sola entrada de inversión. Un cambio de voltaje positivo en la entrada causó un cambio negativo en la salida.
Por lo tanto, para comprender el funcionamiento del amplificador operacional, es necesario primero familiarizarse con el concepto de fuentes controladas (dependientes), ya que forman la base del modelo de amplificador operacional.
Fuentes Dependientes de 1.1
Las fuentes dependientes (o controladas) producen un voltaje o una corriente cuyo valor está determinado por un voltaje o una corriente que existe en otra ubicación en el circuito. En contraste, los dispositivos pasivos producen un voltaje o una corriente cuyo valor está determinado por un voltaje o una corriente que existe en la misma ubicación en el circuito. Tanto la tensión como las fuentes de corriente independientes y dependientes son elementos activos. Es decir, son capaces de entregar energía a algún dispositivo externo. Los elementos pasivos no son capaces de generar energía, aunque pueden almacenar energía para su entrega en un momento posterior, como es el caso de los condensadores e inductores.
La siguiente figura ilustra una configuración de circuito equivalente de un dispositivo de amplificación que se usa a menudo en el análisis de circuitos. La derecha
La resistencia es la carga. Encontraremos el voltaje y la ganancia de corriente de este sistema. La ganancia de voltaje, Av se define como la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada. De manera similar, la ganancia de corriente, Ai es la relación de la corriente de salida a la corriente de entrada.
Figura 1- Circuito equivalente de un dispositivo amplificador de estado sólido
La corriente de entrada es:
La corriente en la segunda resistencia, i1, se encuentra directamente en la ley de Ohm:
(2)
La tensión de salida viene dada por:
(3)
En la ecuación (3), ‖ indica una combinación en paralelo de resistencias. La corriente de salida se encuentra directamente a partir de la ley de Ohm.
(4)
El voltaje y las ganancias de corriente se encuentran entonces formando las relaciones:
(5)
(6)
1.2 Amplificador operacional de circuito equivalente
Figura 2- Amplificador operacional y circuito equivalente.
Figure 2 (A) presenta el símbolo para el amplificador operacional, y la Figura 2 (b) muestra su circuito equivalente. Los terminales de entrada son v+ y v–. El terminal de salida es vsalir. Las conexiones de alimentación están en la +V, -V y terminales de tierra. Las conexiones de alimentación son a menudo omitido en los dibujos esquemáticos. El valor de la tensión de salida está delimitado por +V y -V ya que estos son los voltajes más positivos y negativos en el circuito.
El modelo contiene una fuente de voltaje dependiente cuyo voltaje depende de la diferencia de voltaje de entrada entre v+ y v–. Los dos terminales de entrada son conocidos como no invertido y inversión entradas respectivamente. Idealmente, la salida del amplificador no depende de las magnitudes de los dos voltajes de entrada, sino solo de la diferencia entre ellos. Definimos la tensión de entrada diferencial, vd, como la diferencia,
(7)
La tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada diferencial, y designamos la relación como la ganancia de bucle abierto, G. Por lo tanto, la tensión de salida es
(8)
Como ejemplo, una entrada de 
(E suele ser una pequeña amplitud) aplicada a la entrada no inversora con el terminal inversor a tierra, produce 
en la salida. Cuando se aplica la misma señal de origen a la entrada inversora con el terminal no inversor conectado a tierra, la salida es 
.
La impedancia de entrada del amplificador operacional se muestra como una resistencia en la Figura 2 (b).
La impedancia de salida se representa en la figura como una resistencia, Ro.
Un amplificador operacional ideal se caracteriza de la siguiente manera:
Estas son generalmente buenas aproximaciones a los parámetros de los amplificadores operacionales reales. Los parámetros típicos de los amplificadores operacionales reales son:
El uso de amplificadores operacionales ideales para aproximar los amplificadores operacionales reales es, por lo tanto, una simplificación valiosa para el análisis de circuitos.
Exploremos la implicación de que la ganancia de bucle abierto es infinita. Si reescribimos la ecuación (8) 
como sigue:
(9)
y deje G Nos acercamos al infinito, vemos que
(10)
La ecuación (10) se obtiene al observar que el voltaje de salida no puede ser infinito. El valor de la tensión de salida está limitado por los valores de la fuente de alimentación positivos y negativos. La ecuación (10) indica que los voltajes en los dos terminales son los mismos:
(11)
Por lo tanto, la igualdad de la ecuación (11) nos lleva a decir que hay un cortocircuito virtual entre los terminales de entrada.
Dado que la resistencia de entrada del amplificador operacional ideal es infinita, la corriente en cada entrada, el terminal inversor y el terminal no inversor, es cero.
Cuando se utilizan amplificadores operacionales reales en un modo de amplificación lineal, la ganancia es muy grande y la Ecuación (11) es una buena aproximación. Sin embargo, varias aplicaciones para amplificadores operacionales reales utilizan el dispositivo en un modo no lineal. La aproximación de la ecuación (11) no es válida para estos circuitos.
Aunque los op-amperios prácticos tienen una ganancia de alto voltaje, esta ganancia varía con la frecuencia. Por esta razón, un amplificador operacional no se usa normalmente en la forma que se muestra en la Figura 2 (a). Esta configuración se conoce como bucle abierto porque no hay retroalimentación desde la salida a la entrada. Más adelante veremos que, si bien la configuración de bucle abierto es útil para aplicaciones de comparación, la configuración más común para aplicaciones lineales es el circuito de bucle cerrado con retroalimentación.
Los elementos externos se utilizan para "realimentar" una parte de la señal de salida a la entrada. Si los elementos de retroalimentación se colocan entre la salida y la entrada inversora, la ganancia de bucle cerrado disminuye ya que una parte de la salida se resta de la entrada. Más adelante veremos que la retroalimentación no solo disminuye la ganancia general, sino que también hace que la ganancia sea menos sensible al valor de G. Con la retroalimentación, la ganancia de lazo cerrado depende más de los elementos del circuito de retroalimentación y menos de las operaciones básicas ganancia de voltaje del amperio, G. De hecho, la ganancia de bucle cerrado es esencialmente independiente del valor de G; depende solo de los valores de los elementos del circuito externo.
La figura (3) ilustra un circuito de amplificador operacional de retroalimentación negativa de una sola etapa.
Figura 3- El op-amp que invierte
Por lo tanto, analizaremos este circuito en la siguiente sección. Por ahora, tenga en cuenta que una sola resistencia, RF, se utiliza para conectar la tensión de salida, vsalir a la entrada inversora, v–.
Otra resistencia, Ra está conectado desde la entrada inversora, v–, a la tensión de entrada, va. Una tercera resistencia, R Se coloca entre la entrada no inversora y tierra.
Los circuitos que utilizan amplificadores operacionales, resistencias y condensadores pueden configurarse para realizar muchas operaciones útiles, como sumar, restar, integrar, diferenciar, filtrar, comparar y amplificar.
1.3 Método de análisis
Analizamos los circuitos utilizando las dos propiedades de amplificador operacional ideales importantes:
- El voltaje entre v+ y v– es cero, o v+ = v–.
- La corriente en ambos v+ y v– el terminal es cero
Estas simples observaciones conducen a un procedimiento para analizar cualquier circuito de amplificador operacional ideal de la siguiente manera:
- Escriba la ecuación de nodo de la ley actual de Kirchhoff en el terminal no inversor, v+.
- Escriba la ecuación de nodo de la ley actual de Kirchhoff en el terminal inversor, v–.
- Set v+ = v– y resolver para las ganancias de bucle cerrado deseadas.
Al aplicar las leyes de Kirchhoff, recuerde que la corriente en ambos v+ y v– el terminal es cero