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SISTEMAS ELECTRNICOS DE
CONTROL
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL:
1. Introduccin
2. Caractersticas generales
3. Configuraciones bsicas del amplificadoroperacional
4. El comparador
6B ELECTRNICA
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El trmino de amplificade 1940 para designaroperaciones tales como sdentro de la computacinintegrada, que permita fadispositivos, dio lugardesembocaron en una rdesarrollado por R. J.desbanc a sus rivales dde inters incluso en nues
Los A.Os integrados edependen de sus prestaTradicionalmente, un A.Ocascada: amplificador difede nivel y etapa de salida.estabilizadores, adaptadola configuracin de un A.dos entradas (inversora yamplificador intermedio pren emisor comn con carseguidor de emisor (coleefecto de carga. El adaptgeneralmente es un ampli
2.Un amplificador oper
general o universal. Obrealimentado pues deber
Impedancia de en
Impedancia de sal
Ganancia elevada
Existen otras caracteaplicaciones como son:
Ancho de banda e
Tiempo de respue
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1. INTRODUCCIN
dor operacional (Operational Amplifiero OA) fuuna clase de amplificadores que permiten ruma, resta, multiplicacin, integracin, diferencianalgica de esa poca. La aparicin y desar
bricar sobre un nico substrato monoltico de sill surgimiento de amplificadores operacionavolucin dentro de las aplicaciones analgicaidlar en Fairchild. En 1968 se introdujo el fla poca con una tcnica de compensacin int
tros das.
Figura 1.-Bloques funcionales de un A.O.
stn constituidos por muy diversas y complejasciones y e la habilidad del diseador a la hest formado por cuatro bloques bien diferenc
rencial de entrada, etapa amplificadora, adaptaEstos bloques estn polarizados con fuentes des y desplazadores de nivel. La figura 1 muest. La etapa diferencial presenta las siguientes
no inversora), su relacin de rechazo en modo coporciona la ganancia de tensin suplementaria.ga activa y est acoplada al amplificador difertor comn) de muy alta impedancia de entraddor permite acoplar la etapa intermedia con la
icador de clase AB.
ARACTER STICAS GENERALES cional (A.O) es bsicamente un amplificador
iamente, para lograr una aplicacin universreunir las caractersticas ideales de un amplifica
rada elevada (ideal infinita).
ida baja (ideal cero).
(ideal infinita).
rsticas que apuntan a hacerlo ms flexibl
levado (ideal infinito).
sta pequeo (ideal cero).
2
asignado alrededoralizar una serie deacin, importantesollo de la tecnologaicio gran cantidad deles integrados que. El primer A.O fuemoso A.O 741 querna muy relevante y
configuraciones queora de combinarlas.iados conectados enor y desplazamientocorrientes, circuitos
a a nivel de bloquescaractersticas: tieneomn es muy alta. ElSuele ser una etapancial a travs de una para minimizar suetapa de salida que
de tensin de usol se deber utilizardor de tensin:
en cuanto a sus
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Bajo nivel de sea
Bajo nivel de ruid
Mxima excursin
Ganancia de tensi
Tensin de entrad
Gran estabilidad c
En base a las caractnecesitamos de dos entinformacin) y seales dedisponen de una salida, la
F
Las entradas, identificinversora y entrada inveaplicadas a la entrada de(Vc) como:
La tensin de salida se
La Ad, denominada gaA.O como Large Signalcomn no se indica directcomn o CMRR (Commo
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l de error (ideal cero).
(ideal cero).
de tensin a la salida (ideal Vcc).
n en modo comn 0 (RRMC = ).
a de modo comn elevada.
on la temperatura.
rsticas enumeradas; y como se dijo anteriorradas para distinguir entre seales diferencimodo comn (ruidos). Por lo general trabajancual, sin seal est a potencial 0 [V]. Su smbol
igura 2.-Smbolo de un amplificador operacional.
das por signos positivos y negativos, son denrsora respectivamente. Si denominamos Vp yun A.O, se define la entrada en modo diferenci
npd VVV =
2
np
c
VVV
=
expresa como:
ccddO VAVAV +=
nancia en modo diferencial, viene reflejada enoltage Gaino Open Loop Voltage Gain. La Ac,amente, sino a travs del parmetro de relacin-Mode Rejection Ratio) definido como:
c
d
A
ACMRR = o ( )
c
d
A
AdBCMRR log20 =
3
ente, es obvio queles (en general decon fuente partida yes el siguiente:
minadas entrada noVn a las tensiones
l (Vd) y modo comn
la hoja de datos delo ganancia en modode rechazo de modo
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Si suponemos un A.O
genera una indetermina
embargo, esa indetermin
resultado un valor finito
( )0== pn II , lo cual esadems se verifica que
simplifica mucho el anlisiconcepto idealizado del A.exactitud al comportamien
Figura
3. CONFIGU
3.1 EL AMPLIFICADLa ganancia del amplifi
las caractersticas del A.se cumple:
En el A.O idealN
V =
le denomina masa virtual
anterior resulta que la gan
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ideal, en donde su ganancia en modo difere
in ya que siddod
VAVA == deb
acin se resuelve cuando 0=dV ; el product
. Por ello, la entrada de un A.O ideal tie
coherente con decir que tiene una impedancia
np VV = (en el caso de realimentacin ne
is de circuitos basados en A.Os. El modelo delO real que sin embargo resulta muy prctico yto real de estos circuitos.
.-Representacin de un amplificador operacional ide
ACIONES B SICAS DEL AMPLIOPERACIONAL
R INVERSORicador inversor (figura 4) se obtiene analizando
ideal. Si las corrientes a travs de las lneas d
F
OUTN
G
NIN
RVV
RVV =
P. Pero en este caso 00 == NP VV , y po
al tener una tensin de 0V. Si 0=NV , sustitu
ancia es:
G
F
IN
OUT
R
R
V
VA ==
4
cial es infinita, esto
ra ser infinito. Sin
odd
VA da como
ne corrientes nulas
de entrada infinita y
ativa); este modelo
A.O ideal solo es une acerca con mucha
al.
FICADOR
l circuito y aplicandoe entrada son nulas,
ello, a este nudo se
endo en la ecuacin
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El trmino inversor se180 entre la entrada y la
3.2 EL AMPLIFICADLa ganancia del ampli
anterior a partir de las sig
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Figura 4.-Amplificador inversor.
ebe al signo negativo de esta expresin que inalida. La impedancia de entrada de este circuito
R NO INVERSORicador no inversor (figura 5) se resuelve de mientes ecuaciones:
GF
G
OUTINRR
RVV
+=
G
FG
IN
OUT
RRR
VV +=
G
F
IN
OUT
R
R
V
VA +== 1
Figura 5.-Amplificador no inversor.
5
dica un desfasaje dees RG.
nera similar al caso
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Luego, eliminando V1o
La expresin de salida
Cuando R2 = R4y R1 =
3.5 EL AMPLIFICAD
Analizando el circuito d
En el circuito anterior s
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btenemos la expresin de salida con respecto a
=
3
422
R
RVVOUT
total queda definida por:
3
42
3
43
21
21
R
RV
R
RR
RR
RVVOUT
+
+=
R3la ecuacin anterior se reduce a la siguiente:
( )3
421
R
RVVVOUT =
Figura 8.-Amplificador restador.
R SUMADOR NO INVERSOR
e la figura 9 podemos obtener fcilmente la expr
Figura 9.-Amplificador sumador no inversor.e observa que:
21 II = ;
43
II = y+
=VV
7
V2.
esin de ganancia.
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Luego, planteando lalas igualdades anteriores
4
4R
VI OUT
=
Ahora bien, igualandoVOUT.
La expresin final dede R1 y R2 sea igual al val
3.6 EL AMPLIFICAD
Un circuito integradorrealimentacin por un capun condensador es:
Al aplicar est ecuaciintegral de una seal anal
El tiempo de integraciecuacin de salida depenes que no tenemos formpuede cargar al capacitor
12 implementa la ecuaci
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cuacin correspondiente a cada una de las cobtenemos las expresiones de V+y V-
V
3
3R
VI =
2
22
R
VVI
=
+ 1I =
2
2
1
1
R
VV
R
VV =
++
21
1221
RR
RVRVV
+
+=
+
43 R
VV
R
V OUT =
43
3
RR
RVV OUT
+
=
las expresiones de V+ y V- podemos despejar
+
+
+=
3
43
21
1221
R
RR
RR
RVRVVOUT
OUTse puede simplificar para el supuesto de qur en paralelo de R3y R4.
2
2
41
1
4 VR
RV
R
RVOUT +=
R INTEGRADOR Y DERIVADOR
e obtiene sustituyendo en la configuracin inveracitor. La relacin que existe entre la tensin y
dt
dV
CI =
n al circuito de la figura 10 resulta que la tengica a la entrada:
( ) +
= ctedttVCR
V io1
n se encuentra definido por la constante R.Cde de la carga inicial del capacitor. El inconvenia de descargar al capacitor por lo que cualquihasta que la salida del circuito se sature.El cir
diferencial:
8
rientes y planteando
1
1
R
V+
la tensin de salida
e el valor en paralelo
ora la resistencia decorriente a travs de
sin de salida es la
el termino ctede laiente de este circuitoier corriente de fugauito dual de la figura
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Figura 11.-Res
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dt
dVCRV io =
Figura 10.-Circuito integrador.
uesta de un circuito integrador a una seal de entrad
Figura 12.-Circuito derivador.
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cuadrada.
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3.7 EL AMPLIFICAD
Un amplificador de inamplificadores operacionalto rechazo al modo commuy precisa.
El amplificador de instrseales muy dbiles, taltambin pueden encontrapuede observar en la figur
Cuando R7 = R6, R5 =viene dad por:
Frecuentemente quereesta situacin, un comparla tensin en la entrada nproduce una tensin deentrada no inversora estensin de salida de nialimentacin del A.O).
La manera ms sencill
operacional sin resistenci
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R DE INSTRUMENTACIN
trumentacin es una configuracin compuestales. Est diseado para tener una alta impeda
n (CMRR), adems de poder establecer su gan
umentacin tiene gran aplicacin en casos en les el caso de equipos mdicos, entre otros. Ese integradas en un nico chip como el INA114a 13.
Figura 13.-Amplificador de instrumentacin.
2y R1 = R4tenemos que la tensin de salida de
( )
+=
2
6
3
112 21
R
R
R
RVVV ININOUT
4. EL COMPARADORmos comparar una tensin con otra para verador puede ser una solucin perfecta. En esta co inversora es mayor que la de la entrada invalida de nivel alto (aproximadamente +VCC).
menor que la de la entrada inversora, el comvel bajo (aproximadamente VCC o masa,
la de construir un comparador consiste en con
de realimentacin, como se muestra en la figur
10
creada a partir dencia de entrada y unancia de una manera
s que se trabaja constas configuraciones. La configuracin se
st configuracin
ual es la mayor. Enonfiguracin, cuandorsora el comparadoruando la tensin dearador produce unadependiendo de la
ctar un amplificador
14.
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Bsicamente un amplifi
la tensin en la entrada indetermina el valor de lasuponemos una tensin100000V, lo que es totalnunca podr superar. A e
Esta tensin de saturade A.O. Por ejemplo, el LPor lo tanto, siguiendo cdisparar a +VSAT, y cucomparando Vicon una s
A continuacin, en elsimple de 12V y a la entra
la tensin de referencia (
Como la corriente de e
En este caso, cuando lla diferencia entre ambasestar a nivel alto (cercande referencia, la diferenci(cercano a 0V).
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Figura 14.-Comparador de tensin.
icador operacional lee la tensin en la entrada
versora y el resultado lo multiplica por un nmetensin de salida. Supongamos una gananciade 1V en la entrada Vi (figura 14), la salidamente absurdo. Existe una tensin mxima dt tensin se le llama tensin de saturacin (VSA
cin vendr determinada por la tensin de alimM741, alimentado con una tensin de 12V laon el ejemplo anterior, cuando Vi sea mayorndo sea inferior a 0V la salida se dispararal de referencia que, en este caso, es 0V.
jemplo que sigue (figura 15), el circuito se alim da inversora se colocan dos resistencias de for
REF).
ntrada del A.O es 0, la tensin de referencia ven
1
21
12R
RR
VVref
+=
a tensin de entrada Visea mayor que la tensitensiones dar un nmero positivo y por lo tanto a 12V). Cuando la tensin de entrada Viseaentre ambas ser negativa y por lo tanto la sali
11
no inversora, le resta
o muy grande lo quetpica de 100000, sitendra que ser desalida del A.O que
T).
ntacin y por el tipo
SATes de unos 10V.que 0V la salida se a -VSAT. Estamos
nta con una tensina tal de poder variar
r dada por:
n de referencia VREF,la tensin de salidaenor que la tensin
a estar a nivel bajo
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F
4.1 EL COMPARADSi la entrada del com
cerca de la tensin dehistresis (figura 16).
Ntese como la realimse realimenta tensin a lael estado de la salida
permanecer en un estadestado. De la figura 16, sientrada no inversora vien
Para realizar el anlisiVO = +VCC. En ests condi
El supuesto VO= +VCC,que V1> V2, instante en el
Si ahora V1decrece, llser igual a VCC. Este com
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igura 15.-Comparador con tensin de referencia.
R CON HISTRESISarador contiene ruido, la salida puede ser erreferencia. Para solucionar esto se recurre a
Figura 16.-Comparador con histresis.
ntacin del circuito es positiva en lugar de negaentrada en forma aditiva, es decir, la realimentaxistente. Esto implica que la tensin de sal
o dado hasta que la entrada exceda la tensinsuponemos la entrada V2sin conexin, tenemodada por:
2
21
2 RRR
VV o
+=
de este circuito se supone que la tensin deiones:
2
21
2 RRR
VV CC
+
+=
implica que V1< V2. Si se hace crecer V1, llegarque la salida conmutar a VO= -VCC. En este es
2
21
2 RRR
VV CC
+
=
gar un momento en el que V1< V2, instante eortamiento se puede representar de forma grfic
12
tica cuando Vi estun comparador con
iva. Esto implica quein positiva refuerza
lida del comparador
de referencia de eseque la tensin en la
alida es inicialmente
un momento en eltado:
n el que VOvuelve aa:
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Figur
Se denomina histresicaso, la histresis es 2.V
Figura 18.-Respue
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a 17.-Comportamiento de un comparador con histre
s a la separacin entre los tramos verticales d, siendo:
2
21
RRR
VV CC
+=
sta de un comparador con histresis a una seal de e
13
sis.
e la grfica. En este
ntrada fluctuante.
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM741
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM324
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AM
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LIFICADOR DE INSTRUMENTACIN INA114
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COM
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PARADOR DE TENSIN LM111/LM211/LM311
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ANEXO I: Q
A continuacin se detmomento de realizar los p
Los prcticos aAmplificador invinversor, restadcomparador, coTTL, rectificador
En todos los prctensiones de alim
Las tensiones de12Vcc o +/ 5Vcc
Los valores de las
Se deben verificarvalores de tension
En el prctico delbajas, menos de lrestador de la sali
En el prctico deliguales, de estacomn.
Tanto en el circuiohms) por C (enorden de la sealfuncionamiento, qoperacional (100lectura con unrepresentacin fiel
En el ensayo dely las de salida, yaEnsayar con +/-5
En el ensayo de
clculos con los v
En todos los prfunciones y osciloonda, el rectificadgrficas deben est
En los circuitos re1N4148. Verificar l
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medir en los prcticos de amp
operacionales?
lla qu se debe medir y qu precauciones o qcticos:
realizar para verificar la teora aqu expuestersor, amplificador no inversor, seguidor dor, integrador, derivador, amplificador dparador con histresis, comparador con h
de media onda, rectificador de onda complet
ticos: se deben medir todos los valores de lasntacin y de salida.
alimentacin en todos los prcticos es de un, y no con una fuente simple como aparece en al
resistencias deben oscilar entre 1K y 100K.
los valores medidos mediante los clculos seges y resistencias medidos, no con los ideales.
amplificador de instrumentacin, las tensionesa mitad de la tensin de alimentacin. Ademsa deben ser iguales entre s.
l amplificador restador, es aconsejable que lasanera se optimiza la relacin de rechazo a l
ito integrador como en el circuito derivador elfaradios), da un tiempo T (segundos). Estealterna que se inyecta en la entrada del operaciue a su vez debe ser compatible con la frecuenz para cualquier operacional). En este prctisciloscopio de las seales de entrada y sen el informe.
omparador comn es importante medir las tensique as se verifican las tensiones a las cualescc y con +/-12Vcc.
l comparador con histresis, se deben verific
lores verdaderos las tensiones de la histresis.
ticos que involucren seales alternas (ensayoscopio), es decir, el integrador, el derivador, elor de onda completa, las mediciones de las foar en los informes a realizar.
tificadores ensayarlos a 100Hz y a 1KHz, conla rectificacin para seales mayores y menore
lificadores
tener en cuenta al
a son 13, a saber:tensin, sumador
e instrumentacin,stresis con salida.
resistencias y de las
fuente partida, +/ gunos apuntes.
n el apunte y con los
e entrada deben ser, las resistencias del
4 resistencias seans seales de modo
producto de R (entiempo debe ser delional para verificar elcia de operacin delco es importante laalida, as como su
ones de alimentacinatura el operacional.
ar las mediante los
s con generador derectificador de mediamas de onda, y sus
iodos 1N4007y cona 0,7V de pico.