Circuitos de Op Amp y Análisis de Circuitos

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Por John Santiago

El circuito de amplificación op es un poderoso recurso en las aplicaciones de circuitos modernos. Puedes armar circuitos básicos de amplificación para construir modelos matemáticos que predicen el comportamiento complejo del mundo real. Los amplificadores de operación comerciales entraron al mercado como circuitos integrados a mediados de la década de 1960 y, a principios de la década de 1970, dominaron el mercado de dispositivos activos en circuitos analógicos.

El amplificador de operación en sí consiste en una compleja disposición de transistores, diodos, resistencias y condensadores montados y construidos sobre un diminuto chip de silicio llamado circuito integrado. Puedes modelar el amplificador op con ecuaciones simples sin preocuparte por lo que está pasando dentro del chip. Sólo se necesita un conocimiento básico de las restricciones de las tensiones y corrientes en los terminales externos del dispositivo.

Cómo dibujar circuitos de amplificación

A diferencia de los condensadores, inductores y resistencias, los amplificadores de operación requieren energía para funcionar. Los amplificadores Op tienen los siguientes cinco terminales clave, que se muestran aquí:

  • El terminal positivo, llamado entrada no inversor vP
  • El terminal negativo, llamado entrada invertida vN
  • El terminal de salida, resultante de la tensión aplicada entre las entradas no inversor e inversor: vO = A(vP – vN)
  • Terminales de alimentación positivos y negativos, normalmente etiquetados como +VCC y -VCC y necesarios para que el amplificador op funcione correctamente.

Aunque muchos amplificadores op tienen más de cinco terminales, estos terminales normalmente no se muestran simbólicamente. Además, para reducir el desorden cuando se está investigando un circuito de amplificador de operación, las fuentes de alimentación tampoco se muestran normalmente.

Cuando las fuentes de alimentación no se muestran en un diagrama de un circuito de op amp, no olvide que las fuentes de alimentación proporcionan los límites superior e inferior de la tensión de salida, restringiendo su rango de tensión. Con la excepción de las potencias extraterrestres, no se puede obtener más potencia de la que se suministra.

El circuito op amp ideal y sus características de transferencia

Puede modelar el amplificador op con una fuente dependiente si necesita resultados precisos, pero el amplificador op ideal es lo suficientemente bueno para la mayoría de las aplicaciones.

El amplificador amplifica la diferencia entre las dos entradas, vP y vN, por una ganancia A para darle una salida de voltaje vO:

La ganancia de voltaje A para un amplificador de op es muy grande – mayor que 105.

Cuando el voltaje de salida excede la potencia suministrada, el amperaje de operación se satura. Esto significa que la salida se engancha o se agota con los voltajes suministrados y no puede aumentar más. Cuando esto sucede, el comportamiento del op amp ya no es lineal sino que opera en la región no lineal.

Puede ver esta idea aquí; el diagrama de la izquierda muestra la característica de transferencia, mientras que el diagrama de la derecha muestra la característica de transferencia ideal de un amplificador op con una ganancia infinita. El gráfico muestra tres modos de operación para el op amp.

Tiene regiones saturadas positivas y negativas, mostrando las regiones no lineales y lineales. Si desea aumentar el tamaño de las señales, debe operar en la región lineal. Puede describir las tres regiones matemáticamente de la siguiente manera

Para realizar funciones matemáticas (como sumar y restar), el amplificador operativo debe funcionar en modo lineal. Todos los circuitos de op amperios que se muestran aquí operan en la región activa lineal.

Modele un amplificador operativo con una fuente dependiente

Si necesita resultados precisos, puede modelar el amplificador op con una fuente dependiente controlada por voltaje, como la que se muestra aquí. Este modelo consiste en una gran ganancia A, una gran resistencia de entrada RI y una pequeña resistencia de salida RO. La tabla muestra los valores ideales y típicos de estas propiedades del op amp.

La alta amplificación (o ganancia) hace que el análisis sea más simple, permitiéndole no tener que preocuparse por lo que está pasando dentro del amplificador. Mientras el amplificador op tenga una ganancia alta, los circuitos matemáticos del amplificador op funcionarán. La resistencia de alta entrada consume poca corriente del circuito de la fuente de entrada, lo que aumenta la vida útil de la batería para aplicaciones portátiles. La resistencia de salida baja o nula proporciona la máxima tensión a la carga de salida.

Aquí también se muestra la fuente de corriente dependiente controlada por tensión. La salida está restringida entre los voltajes positivo y negativo cuando el amplificador de operación está operando en la región lineal.

Examinar las ecuaciones esenciales para analizar los circuitos de amplificación ópticos ideales

Las propiedades ideales de un amplificador op producen dos ecuaciones importantes:

Estas ecuaciones hacen que el análisis de los amplificadores operativos sea muy sencillo y le proporcionan información valiosa sobre el comportamiento de los circuitos. Por qué? Porque la retroalimentación de los terminales de salida a una o ambas entradas asegura que vP y vN sean iguales.

Para obtener la primera restricción, considere que la región lineal de un amplificador de operación está gobernada por cuando la salida está restringida por los voltajes de suministro de la siguiente manera:

Puede reorganizar la ecuación para limitar la entrada a vP – vN:

Para un op amp ideal, la ganancia A es infinita, por lo que la desigualdad se convierte en

Por lo tanto, el amplificador op ideal (con ganancia infinita) debe tener esta restricción:

Un amplificador operacional con ganancia infinita siempre tendrá los voltajes de inversión y no inversión iguales. Esta ecuación se vuelve útil cuando se analiza un número de circuitos de op amp, tales como el noninversor de op amp, el inversor, el verano y el subtractor.

La otra ecuación importante de op amp echa un vistazo a la resistencia de entrada RI. Un amplificador operacional ideal tiene una resistencia infinita. Esto implica que ninguna corriente de entrada puede entrar en el amplificador:

La ecuación dice que los terminales de entrada del op amp actúan como circuitos abiertos.

Necesita conectar el terminal de salida al terminal de inversión para proporcionar retroalimentación negativa y hacer que el amplificador op funcione. Si conecta la salida al lado positivo, estará proporcionando retroalimentación positiva, lo que no es bueno para el funcionamiento lineal. Con una retroalimentación positiva, el amplificador de operación saturaría o causaría que su salida sufriera oscilaciones.

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