Ganancia de voltaje en lazo abierto.
El voltaje de salido Vo estará determinado por De y por la ganancia de voltaje, Aol. Aol se conoce como ganancia de voltaje en lazo abierto porque las posibles conexiones de retroalimentación desde la terminal de salida a las terminales de entrada se han dejado abiertas. En consecuencia. Vo se puede expresar de manera ideal mediante la siguiente relación.
Voltaje de salida = voltaje diferencial de entrada X por ganancia en lazo abierto
Vo = Ed X AOL
Voltaje diferencial de entrada, Ed
El valor de AOL es excesivamente grande, con frecuencia de 200,000 o más. Recuerde Vo nunca puede exceder los voltajes de saturación positivo o negativo, +Vsat y -Vsat. Para una fuente de ± 15 , los voltaje de saturación estarán alrededor de ± 13 V. Por lo tanto, para que el amplificador operacional actúe como tal, Ed debe limitarse a ± 65uV, la conclusión anterior se puede deducir mediante:
Vdmáx = +Vsat/AOL = 13V/200,000 = 65uV
-Edmáx= -Vsat/AOL = -13V/200,000 = -65uV
Es difícil medir 65mV a consecuencia del ruido inducido, del "zumbido" de 60 Hz y de la corriente de fuga del aparato de medición; aun así es muy factible que se genere un mV (1,000 mV). Además, es difícil e inconveniente medir ganancias muy altas. El amplificador operacional también tiene pequeños desequilibrios internos que producen un voltaje pequeño que puede exceder a Ed. Este desvío de voltaje se ha mencionado como voltaje de offset.
Con base a los comentarios hechos con anterioridad se pueden obtener las conclusiones siguientes. Primera, Vo del circuito puede estar en uno de los límites +Vsat o -Vsat., u oscilando entre estos. No hay razón para preocuparse, ya que tal comportamiento es característico de un amplificador de alta ganancia. Segunda, para mantener Vo dentro de estos límites hay que recurrir a un circuito de retroalimentación que obligue a Vo a depender de elementos de precisión estables, como los resistores y los capacitores, más que de AOL y de Ed.
Detectores de nivel de voltaje positivo y negativo
Detectores de nivel positivo
Según lo analizado, se aplica un voltaje positivo de referencia, Vref, a una de las terminales del amplificador operacional. Esto quiere decir que al amplificador operacional está conectado como un comparador para registrar el voltaje positivo. Si el voltaje Ei, que se va a detectar, se aplica a la terminal (+) del amplificador operacional, el resultado es un detector no inversor de nivel positivo. Cuando Ei está por encima de Vref, Vo es igual a +Vsat. Cuando está por debajo de Vref, Vo es igual a -Vsat.
Si Ei se aplica en la entrada inversora, el circuito es un detector de nivel positivo. Su operación se resume a lo siguiente: cuando Ei es mayor que Vref, Vo es igual a -Vsat. Esta acción del circuito se ve con más claridad cuando se dibujan las gráficas de Ei y Vref en función del tiempo.
Detector de nivel negativo
Este circuito detecta cuando la señal de entrada Ei cruza hacia el voltaje negativo, -Vref. Si Ei es mayor que -Vref, Vo es igual a +Vsat. Cuando Vi es menor que -Vref, Vo = -Vsat. Entonces el circuito es un detector de nivel negativo. Cuando Ei es mayor que -Vref, Vref, es igual a -Vsat y cuando Ei es menor que -Vref, Vo es igual a +Vref.
Retroalimentación negativa
Con esta característica, se utiliza el amplificador operacional en una de sus más importantes aplicaciones: la fabricación de un amplificador. Un amplificador es un circuito que recibe una señal de entrada y produce una versión más grande sin distorsión de la señal recibida en su salida. Todos los circuitos, prácticamente, tienen una característica en común: una resistencia externa de alimentación se conecta entre la terminal de salida y la terminal de entrada (-). Este tipo de circuito se conoce como circuito de retroalimentación negativa.
Con la retroalimentación negativa se obtienen muchas ventajas, todas basadas en el hecho de que el desempeño del circuito ya no depende de la ganancia de lazo abierto del amplificador operacional, AOL. Al agregar la resistencia de retroalimentación se forma un circuito de la salida a la entrada (-). El circuito resultante tiene ahora una ganancia de lazo cerrado o ganancia de amplificador, ACL, que es independiente de AOL. (Siempre que AOL sea mayor que ACL). Como se sabe, la ganancia de lazo cerrado, ACL, depende sólo de las resistencias externas. Para obtener mejores resultados deben emplearse resistencias de 1, con lo cual el valor de CAL quedará dentro del mismo rango. Las resistencias externas adicionales no modifican la ganancia de lazo abierto AL, esta sigue variando de un amplificador a otro. De modo que el hecho de añadir retroalimentación negativa permitirá hacer caso omiso de los cambios de AL siempre que esta sea grande.
Definiciones
Un amplificador operacional básico permite la operación de diferencia matemática y puede modificarse para realizar la suma, integración y diferenciación. Por tanto, el amplificador diferencial también está diseñado como un amplificador operacional (amp-op).
Un amp-op representa, en esencia, un circuito electrónico de alta ganancia destinado para amplificar la diferencia en los voltajes de señal aplicados a sus dos terminales de entrada, a saber, las entradas inversora (-) y no inversora (+).
En forma simple un amp-op constituye un amplificador diferencial compuesto, de un par de BJT controlados por una fuente de corriente constante (I). Los JFET y los MOSFET también pueden ser utilizados como pares diferenciales.
Características del amp-op ideal
Ganancia de voltaje nominal, A ®¥.
Impedancias entrada (en ambas entradas) Zentrada ®¥.
Impedancia de salida Zo ® 0
Ancho de banda (AB) = ¥.
Relación de rechazo en modo común es igual a infinito CMRR = ¥.
Con los transistores bipolares puede ser difícil obtener impedancias de entrada muy altas.
Los JFET y MOSFET proporcional capacidades de impedancia de entrada alta
Parámetros operacionales del amp-op ideal Con referencia a las características operacionales de los modos típicos de inversión y no inversión.
Corriente de polarización de entrada Ésta es la corriente del emisor en el amplificador diferencial para la operación de la región activa del par de BJT (por ejemplo 0.05 µA para el amp-op 741) que llega a través de R2, de modo que Vsalida = (0.05 X 10 -6 X R2) volts . Esto podría ser suficientemente grande para saturar la salida. La saturación es superada al introducir Rx = R1||R2 y hacer los ajustes para nivelar la corriente de compensación de entrada debido a cualquier diferencia en la configuración del par diferencial.
VOLTAJE DE COMPENSACIÓN DE ENTRADA (» 60mV): este se requiere en la entrada como un voltaje contador para compensar el voltaje de desequilibrio finito debido a un flujo desigual de corriente a través de los dispositivos del par diferencial en el amp-op, de manera que este balance proporcione un voltaje de salida cero.
CMRR: cuando el emp-op está idealmente balanceado en la entrada, la salida de voltaje es igual a cero. Es decir, Ventrada1 = Ventrada2 y este circuito puede rechazar señales en modo común debido a su ganancia en modo común (Ac) = 0. Para señales en modo diferencial (Ventrada1 - Vsalida2), la ganancia (Ad) ® ¥. La razón Ad / Ac, relación de rechazo en modo común (CMRR, Common Mode Rejection Ratio). En los amp-op prácticos Ac > 0 y Ad < X; o, CMRR es finita e indica la extensión del balanceen el amp-op .
OSCILACIÓN DEL VOLTAJE DE SALIDA: esta es la oscilación de salida pico con referencia a cero para la salida. Se encuentra limitada por los voltajes utilizados de la fuente de alimentación (»80 del voltaje de la fuente de alimentación ±V).
OSCILACIÓN DEL VOLTAJE DE ENTRADA: la oscilación del voltaje de entrada de modo común está limitada por la saturación del amplificador diferencial den la entrada: (»30 del voltaje de la fuente de alimentación ±V).
RAPIDEZ DE RESPUESTA ("SLEW RATE"): máxima tasa a la que el voltaje de salida puede cambiar (volts/microsegundos.) En amp-op ideales, la rapidez de respuesta a ® ¥.
OTROS PARÁMETROS:
1) ancho de banda;
2) corriente de salida máxima disponible cuando la terminal de salida se establece a tierra.
3) PSRR (Power Supply Rejection Ratio): cambio en el voltaje de compensación de entrada respecto al cambio correspondiente en uno de los voltajes de la fuente de alimentación (±V). PSRR ideal = 0; en la práctica, es del orden de unos cuantos µV/V.
REFERENCIAS DE VOLTAJE INTEGRADAS
Las referencias de voltaje integradas se utilizan cuando los diseñadores de circuitos integrados y sis temas requieren de un voltaje muy precisos especialmente para definir el voltaje de referencia de circuitos comparadores, así como para convertidores A/D o D/A. Cualquier fluctuación que se produzca en la conexión de referencia de los dispositivos de conversión trae consigo inexactitudes en la conversión. Las fluctuaciones en la entrada de referencia de un comparador podrían traer consigo la pérdida de datos o el envío de datos erróneo a un sistema de cómputo. Si bien este tipo de circuitos puede funcionar en algunos diseños para pruebas rápidas, o de bajo costo, lo mejor sería utilizar un circuito integrado o chip de voltaje de referencia muy precisos. Muchos de estos circuitos no son caros, y permiten contar con una salida de voltaje constante, independientemente de la temperatura. Y se pueden operar con un amplio rango de voltajes de alimentación. Las variaciones de los voltajes de alimentación no afectan a sus voltajes de referencia. En algunos de estos chips se utiliza el principio del diodo de separación de banda a fin de producir un voltaje constante de 1.2 V. Después de este voltaje independientemente de la temperatura, aparece un amplificador y un acoplador para así obtener voltajes de salida nominales, por ejemplo 2.5, 5 o 10 V. En otros circuitos de voltaje de referencia utiliza un diodo zener como referencia, y a continuación aparece un acoplador y un amplificador para proporcionar voltajes de salida, por ejemplo +5 V y -10 V, y voltajes de salida de ±5V y ±10V. Algunos de los circuitos integrados más utilizados como referencia son el REF-01 ( + 10 v ), y el REF-02 ( 5 v ) y el REF-03 ( 2.5V)
CAICEDO S. OSIRIS A.
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