Un amplificador es un circuito que puede producir un voltaje de salida, que es el producto del voltaje de entrada y un valor llamado ganancia de voltaje. Un amplificador operacional ( amplificador operacional ) es una especie de circuito amplificador que puede realizar una operación (suma, resta, etc.) sobre los voltajes de entrada además de simplemente amplificar la entrada.
Un amplificador operacional (amplificador operacional) es un circuito electrónico compuesto por varios dispositivos activos (transistores) y dispositivos pasivos (resistencias, condensadores), etc., que es capaz de cumplir las siguientes características comunes:
– ganancia de voltaje extremadamente alta
-puede amplificar la corriente de entrada en la salida
-puede invertir el voltaje de entrada en la salida
-puede producir una suma de voltajes de entrada en la salida
-puede producir una suma de corrientes de entrada en la salida
2) Historia del amplificador operacional.
Por cada invento importante en la historia, debe haber un momento antes de tal invento en el que hubo necesidad de tal cosa. Antes de los amplificadores operacionales también hubo amplificadores. Pero sólo fueron diseñados para obtener ganancias constantes. Fueron fabricados con tubos de vacío y otros componentes. Además, la ganancia máxima de un amplificador en particular estaba limitada por las especificaciones del tubo de vacío.
Esto fue realmente un problema, especialmente en los primeros días de la red telefónica. Las líneas telefónicas solían tener miles de metros de largo y es necesario implementar amplificadores para amplificar la señal. Los amplificadores de aquella época tenían menos ganancia y eran muy sensibles a la temperatura y la humedad. En cada punto de la red, se diseñaron e implementaron por separado amplificadores con diferentes ganancias.
Los ingenieros telefónicos de Bell Labs estaban intentando encontrar una solución a este problema. Finalmente, un ingeniero llamado Harry Black tuvo una idea. Diseñe un circuito amplificador general con una ganancia muchas veces mayor que cualquier requisito normal y luego reduzca la ganancia a los niveles requeridos utilizando un sistema de retroalimentación negativa con ese amplificador. Los Laboratorios Bell diseñaron con éxito este circuito utilizando válvulas de vacío antes de 1940. Esta ingeniosa idea desencadenó la era de los amplificadores operacionales.
El término amplificador operacional apareció por primera vez en una patente producida por Karl D. Swartzel de Bell Labs en 1941. Este amplificador era capaz de realizar una operación de suma en voltajes de entrada.
Primer circuito amplificador operacional
(encabezado = Historia del amplificador operacional, continuación...)
El circuito anterior pudo sumar los voltajes de entrada marcados como A, B y C. Se aplicó retroalimentación negativa a través de una resistencia variable marcada como 16 en el circuito. Este circuito de amplificador operacional tenía solo un terminal de entrada que invierte la entrada. Hablaremos sobre la inversión de entrada y la no inversión más adelante en este artículo.
En 1947, Loebe Julie desarrolló un amplificador operacional con dos terminales de entrada (inversor y no inversor), como vemos en los amplificadores operacionales actuales. El primer amplificador operacional comercial fue lanzado por GAP/R incorporado basado en el diseño de Loebe Julie. El nombre del modelo era GAP/R K2-W.
Primer amplificador operacional comercial
Las primeras computadoras analógicas operaban basándose en la suma de voltajes y en ellas se usaban ampliamente amplificadores operacionales para operaciones de voltaje. Esto ha hecho que el término amplificador operacional sea muy popular en la industria electrónica.
Después de la invención de los transistores, reemplazaron las válvulas de vacío en todos los circuitos posibles. En consecuencia, también en los amplificadores operacionales se sustituyeron las voluminosas válvulas de vacío por transistores. Este fue el comienzo del diseño de módulos de circuitos amplificadores operacionales. Están construidos sobre una placa de circuito de tamaño pequeño, que se puede conectar fácilmente a otras placas de circuito más grandes. Esto da como resultado considerar el amplificador operacional como un componente electrónico en sí mismo, aunque esté construido con la ayuda de otros componentes básicos. GAP/R también produjo un amplificador operacional comercial de estado sólido, el nombre del modelo era GAP/R P45.
Primer amplificador operacional comercial de estado sólido
Más tarde se descubrió que se pueden integrar varios transistores en un único chip de silicio y así reducir varias veces el tamaño de todo el circuito. Alrededor de la década de 1960, se desarrollaron chips integrados (CI) basados en transistores. Los amplificadores operacionales fueron los primeros circuitos basados en transistores integrados en circuitos integrados. Fue Fairchild Semiconductor quien lanzó el primer amplificador operacional comercial IC, el ?A702. Fue en 1968 cuando Fairchild lanzó el amplificador operacional IC clásico y de mayor éxito de todos los tiempos, el ?A741. Fue diseñado por Dave Fullagar. Incluso hoy en día, Fairchild y otros fabricantes producen el mismo diseño.
uA741
(encabezado= Bloques funcionales básicos de un amplificador operacional)
3) Bloques funcionales básicos de un amplificador operacional.
Como ya mencionamos, aunque el amplificador operacional se considera un componente electrónico, en realidad está formado por varios otros componentes electrónicos básicos como transistores, resistencias, condensadores, etc. Casi todos los circuitos integrados de amplificadores operacionales tienen la misma funcionalidad básica internamente. Bloques, construidos con componentes electrónicos básicos. Estos bloques funcionales son, a saber,
– Amplificador de entrada diferencial
– Amplificador de voltaje
– Amplificador de potencia de salida
3.1) Amplificador de entrada diferencial
Un amplificador diferencial es el módulo más importante dentro de un amplificador operacional. Los voltajes de entrada se aplican a los pines del bloque amplificador diferencial. Analicemos el amplificador diferencial en detalle.
Un amplificador normal amplifica todo el voltaje de la señal con respecto a tierra y se alimenta a la salida. Y estos amplificadores suelen tener una única entrada y, obviamente, una única salida. Por ejemplo, si le damos 5 V como entrada con referencia a tierra a un amplificador normal y la ganancia de voltaje del amplificador es, digamos, 2, entonces la salida será de 10 V, siempre que el circuito reciba un voltaje de suministro superior a 10 V.
Amplificador de voltaje
En el circuito que se muestra arriba, puede ver un amplificador que está conectado a una fuente de alimentación de 20 V y tiene una ganancia de voltaje de 2. Cuando se alimenta un voltaje de 5 V al pin de entrada único, la salida será de 10 V. GND se considera un punto de referencia común tanto para el voltaje de entrada como para el voltaje de salida.
El amplificador diferencial, por otro lado, sólo amplifica la diferencia entre los dos voltajes de entrada. Por ejemplo, si la ganancia del amplificador diferencial es, digamos, 2, y si le damos un voltaje de 3V a uno de sus pines de entrada y al otro pin le damos un voltaje, digamos 5V. Ahora la diferencia entre estos dos voltajes, es decir (3~5=2), se amplifica y estará disponible en la salida. Por lo tanto, el voltaje de salida es 2V*2=4V.
Por lo tanto, un amplificador diferencial típico rechaza o enmascara el efecto del voltaje en modo común en su salida. Voltaje de modo común significa el voltaje común a ambos pines de entrada. Por ejemplo, si aplicamos un voltaje de 5V a una entrada y 3V a otro pin de entrada, el voltaje en modo común será 3V.
Por lo tanto, si los voltajes de entrada son,
Voltaje de entrada1, V1 = 5V,
Voltaje de entrada2, V2 = 3V, entonces
Voltaje de modo común = 3 V, y
Tensión diferencial = 5 ~ 3 = 2V
voltaje diferencial
El amplificador diferencial simplemente rechaza el voltaje de modo común y amplifica sólo el voltaje diferencial.
Amplificador diferencial
Los amplificadores diferenciales cuentan básicamente con dos fuentes de alimentación, dos entradas y dos salidas. Luego, las dos salidas se combinan en una sola salida mediante un circuito llamado espejos de corriente. Los voltajes en los pines de entrada se denominan voltaje de entrada diferencial y los voltajes en los dos pines de salida se denominan salidas diferenciales.
Amplificador diferencial basado en transistores
(encabezado = Amplificador de entrada diferencial Cont.…)
En el circuito anterior, hay dos terminales de entrada, marcados como Vin+ y Vin-. El voltaje de salida se obtiene de manera diferencial a través de los colectores de dos transistores.
Los dos pines de salida se pueden combinar en un solo pin de salida usando un diferencial para una conversión de un solo extremo. A esto lo llamamos circuito de conversión de espejo actual.
Espejo actual en el amplificador diferencial.
La entrada inversora produce un voltaje amplificado negativo en su salida y la entrada no inversora produce un voltaje amplificado positivo en su salida. El convertidor diferencial a terminal único convierte este voltaje diferencial en voltaje de terminal único.
Conversión de un solo extremo
Miremos el ejemplo en la Figura: 7. Supongamos que se aplican 5 V al pin no inversor y 3 V al pin inversor del amplificador diferencial. La ganancia del amplificador es 2 y por lo tanto el pin no inversor da como resultado un voltaje de salida de 2*5=10V y el pin inversor da como resultado un voltaje de -2*3=-6V. Después de la conversión de un solo extremo, el voltaje de salida será 10-6, es decir, 4 V.
Ejemplo de conversión de un solo extremo
Como se muestra en la Figura: 6 y la Figura: 7, una de las principales ventajas del amplificador diferencial entre los tipos de amplificadores normales es el rechazo de voltaje en modo común. Supongamos que tenemos una entrada de dos líneas y estamos aplicando las dos líneas de entrada a los pines de entrada de un amplificador diferencial. Supongamos que de alguna manera el ruido ingresa a las líneas de entrada y afecta a ambas líneas por igual. Dado que el ruido es común a ambas entradas, será rechazado en la salida amplificada. En consecuencia, obtenemos una señal amplificada y sin ruido en la salida.
Dado que el amplificador diferencial solo produce el voltaje de la señal en la salida, podemos evitar el voluminoso condensador de acoplamiento en el extremo de salida.
El amplificador diferencial normalmente se realiza utilizando BJT o MOSFET con dos dispositivos idénticos y los llamamos par diferencial.
3.2) Amplificador de voltaje
Un amplificador es un dispositivo que puede simplemente producir un voltaje o corriente de salida, que es el producto del voltaje o corriente de entrada por un valor llamado ganancia. Por tanto, un amplificador de voltaje es un amplificador que puede producir una ganancia de voltaje en la salida. La ganancia es la relación entre el voltaje de salida y un voltaje de entrada determinado y se expresa en decibeles (dB).
ganancia = voltaje de salida/voltaje de entrada
ganancia = 10log (voltaje de salida/voltaje de entrada) dB
En un amplificador operacional, la salida del amplificador diferencial se amplifica utilizando un amplificador de muy alta ganancia, generalmente se utilizan amplificadores de tipo Clase A.
(encabezado = amplificador de potencia de salida)
3.3) Amplificador de potencia de salida
La salida del amplificador de voltaje puede tener voltajes amplificados, pero su intensidad de corriente es mucho menor. Estas señales se cargarán fácilmente en la salida. Por tanto, es necesario amplificar su potencia amplificando la corriente, manteniendo el mismo voltaje en la salida. Este tipo de amplificador se denomina amplificador de corriente, amplificador de búfer, seguidor de emisor, etc. En 741 clase AB, se utiliza un seguidor de emisor push-pull.
3.4) Arquitectura interna del 741
741 diagrama interno
En la figura anterior, puede ver los pines de entrada, la entrada no inversora y la entrada inversora son parte del amplificador diferencial de entrada. Esta sección está marcada dentro del rectángulo azul.
El pin de salida se origina en el amplificador de potencia push-pull formado por los transistores Q14 y Q20. Esta sección está marcada con un rectángulo cian. El amplificador de voltaje está marcado dentro del rectángulo magenta. El rectángulo rojo que incluye los transistores Q8 a Q13 resalta los espejos actuales.
(encabezado = símbolo de amplificador operacional y fuente de alimentación dual)
4) Símbolo del amplificador operacional
El bloque funcional más importante de un amplificador operacional es un amplificador diferencial. Es apropiado decir que el amplificador operacional no es más que un amplificador diferencial con muy alta ganancia. En consecuencia, el símbolo de un amplificador operacional es el mismo símbolo que utilizamos para representar un amplificador diferencial. El siguiente símbolo es compartido tanto por el amplificador diferencial como por los amplificadores operacionales.
Símbolo del amplificador operacional
5) Doble fuente de alimentación
En la figura anterior, puede ver que se utilizan dos fuentes de alimentación. +Vsupply representa voltaje positivo y –Vsupply representa fuente de alimentación negativa. Se supone que estas tensiones de alimentación tienen igual magnitud con respecto a un punto común (tierra GND), pero con polaridad opuesta. A esta fuente de alimentación la llamamos fuente de alimentación dual.
La mayoría de los circuitos integrados de amplificadores operacionales requieren una fuente de alimentación dual para funcionar correctamente.
Por lo tanto, antes de comenzar con cualquier circuito de amplificador operacional, debemos desarrollar una fuente de alimentación dual. Veamos cómo diseñar una fuente de alimentación dual.
Recuerda que una fuente de alimentación dual no solo tiene voltaje positivo y negativo, sino que también tiene un terminal de tierra. Además, la magnitud de las tensiones positivas y negativas relativas al suelo debe ser exactamente la misma.
Podemos realizar un circuito de este tipo utilizando un divisor de potencial simple, como se muestra a continuación.
Suministro doble simple
Las resistencias deben ser del mismo tipo y del mismo valor. El único problema con el circuito anterior es el efecto de carga. Si el lado positivo o negativo está muy cargado en comparación con el otro lado, el circuito puede desequilibrarse.
Además, si se pregunta dónde conseguir estos voltajes de suministro positivos y negativos, veamos el circuito a continuación. Tiene un transformador reductor, rectificador y circuitos integrados reguladores positivos y negativos.
El circuito para una fuente de alimentación regulada dual se muestra en la siguiente figura.
Suministro dual regulado
Especificaciones de los componentes:
T1=Transformador reductor, 7,5-0-7,5, 1A
C1=C2=C3=C4=100uf, 25V electrolítico
R1=R2=1KE, 1/4W
U1=LM7805
U2=LM7905
D1=LED (rojo), 3mm
D2=LED (verde), 3 mm
(encabezado = significado del componente)
Importancia del componente:
T1: Si utilizas un transformador con un voltaje de salida superior a 7,5V, como 9V, 12V, etc., obtendrás mayor regulación de voltaje. El IC 7805 se puede utilizar de forma segura en transformadores de hasta 14 V. Si utiliza un transformador con una clasificación de corriente superior a 1A, como 2A, 3A, etc., puede conducir más carga.
C1 a C5: La regulación de salida se puede mejorar aumentando aún más el valor de estos condensadores. Se puede lograr una estabilidad extrema utilizando condensadores de 1000 mfd.
R1, R2: El brillo de los LED indicadores se puede aumentar disminuyendo el valor de estas resistencias. Los LED se pueden utilizar de forma segura con valores de resistencia superiores a 220 ohmios con un suministro de 5 V.
U1, U2: Si necesitamos cualquier otro voltaje en la salida, simplemente cambie estos IC. Los circuitos integrados regulados suelen estar disponibles hasta 12 V, 7812 y 7912.
Para este artículo completo, +5V es VCC y -5V es VEE
Imagen de fuente de alimentación dual
La imagen de arriba es en realidad la fuente de alimentación dual construida por mí. El circuito es exactamente el mismo. Resulta que construí el circuito dentro de una caja de distribución, con interruptor y enchufe, para que fuera seguro y fácil de manejar.
Los principiantes deben tener en cuenta que simplemente conectar el circuito de acuerdo con el diagrama del circuito y hacerlo funcionar es una cosa y construir el circuito en forma de producto es otra completamente distinta. En este tutorial solo mostraré el circuito de funcionamiento básico y la imagen o vídeo del prototipo terminado y el resto queda a criterio del lector.
La siguiente imagen muestra cómo conecto mi fuente de alimentación a la placa usando cables de puente.
Conexión de un suministro dual a la placa de pruebas
(encabezado = Características del amplificador operacional 741)
6) Características del amplificador operacional 741
El 741 es un IC de amplificador operacional versátil y es el mejor IC de amplificador operacional para principiantes. El diseño fue lanzado por primera vez por Fairchild y todavía está en producción. Hoy en día, otros fabricantes también producen amplificadores operacionales IC con el mismo nombre y diseño.
El 741 comúnmente disponible es un circuito integrado de amplificador operacional de paquete dual en línea de ocho pines. Solo tiene un módulo de amplificador operacional en su interior y requiere una fuente de alimentación dual.
Imagen del amplificador operacional 741
6.1) Distribución de pines
La distribución de pines del amplificador operacional 741 se muestra a continuación. Los pines 2 y 3 son pines de entrada y el pin 6 es el pin de salida. Los pines 4 y 7 se proporcionan para suministro de energía dual.
Configuración de pines del 741
Se supone que un amplificador operacional tiene voltaje de salida cero siempre que el voltaje diferencial de entrada sea cero. Pero en la práctica esto es difícil de lograr debido a ciertas incompatibilidades de corriente en los terminales de entrada. El 741 tiene dos terminales para establecer el voltaje de salida en cero cuando el voltaje de entrada es cero. Los pines proporcionados para esta función se denominan desplazamiento nulo.
En este artículo no estamos interesados en utilizar estos pines nulos desplazados. Los amplificadores operacionales modernos tienen un mecanismo interno para ajustar el voltaje de compensación.
Entre los pines de entrada, el pin2 se denomina entrada inversora y el pin3 se denomina entrada no inversora. Estos términos son muy importantes en relación con un amplificador operacional y los discutiremos en detalle en las siguientes secciones.
(encabezado = Probando un IC 741)
6.2) Prueba de un IC 741
Es importante asegurarnos de que el amplificador operacional que tenemos funciona correctamente antes de proceder con nuevos experimentos. Aquí hay un método simple para probar un IC 741, con componentes mínimos y conexión de circuito.
Circuito de prueba para pin no inversor LM741
Aquí hemos puesto en cortocircuito el pin 6 y el pin 2 del amplificador operacional. Este circuito se denomina comúnmente seguidor de voltaje. Se aplica un voltaje al pin 3 del amplificador operacional a través de la resistencia variable (10K). Todo lo que tenemos que hacer es comprobar si los voltajes V1 y V2 son exactamente iguales o no. Compruébalos usando un multímetro. Si coinciden exactamente, entonces tiene un amplificador operacional que funciona perfectamente y ahora está listo para realizar más experimentos.
La misma verificación se puede realizar aplicando también un voltaje de entrada V1 al pin inversor y verificando el voltaje de salida V2 como se muestra a continuación.
Circuito de prueba para el pin del inversor LM741
(encabezado = Probando un 741 IC Continuación...)
Imágenes de la prueba realizada se muestran en las siguientes figuras.
Imagen del circuito de prueba para el pin no inversor LM741
Imagen del circuito de prueba para el pin del inversor LM741
(tagsToTranslate) pic
