INTRODUCCIÓN

El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40. El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados. Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos.

Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de vacío. El uso generalizado de los AOs no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales, fabricándose módulos que realizaban la circuitería interna del amplificador operacional mediante diseño discreto de estado sólido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos años los amplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estándar de diseño, abarcando aplicaciones mucho más allá del ámbito original de los computadores analógicos.

Con la posibilidad de producción en masa que las técnicas de fabricación de circuitos integrados proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades, lo que, a su vez contribuyó a rebajar su coste. Hoy en día el precio de un amplificador operacional integrado de propósito general, con una ganancia de 100 dB, una tensión offset de entrada de 1 mV, una corriente de entrada de 100 nA. Y un ancho de banda de 1 MHz. es inferior a 1 euro. El amplificador, que era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para convertirse en un componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado por completo el panorama del diseño de circuitos lineales.

Con componentes de ganancia altamente sofisticados disponibles al precio de los componentes pasivos, el diseño mediante componentes activos discretos se ha convertido en una pérdida de tiempo y de dinero para la mayoría de las aplicaciones dc y de baja frecuencia. Claramente, el amplificador operacional integrado ha redefinido las "reglas básicas" de los circuitos electrónicos acercando el diseño de circuitos al de sistemas. Lo que ahora debemos de hacer es a conocer bien los AOs, cómo funciona, cuáles son sus principios básicos y estudiar sus aplicaciones

PRINCIPIOS BASICOS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

El amplificador operacional ideal

Los fundamentos básicos del amplificador operacional ideal son relativamente fáciles. Quizás, lo mejor para entender el amplificador operacional ideal es olvidar todos los pensamientos convencionales sobre los componentes de los amplificadores, transistores, tubos u otros cualesquiera. En lugar de pensar en ellos, piensa en términos generales y considere el amplificador como una caja con sus terminales de entrada y salida. Trataremos, entonces, el amplificador en ese sentido ideal, e ignoraremos qué hay dentro de la caja.

Fig. 1

V0 = a Vd
a = infinito
Ri = infinito
Ro = 0
BW (ancho de banda) = infinito
V0 = 0 sí Vd = 0

En la figura 1 se muestra un amplificador idealizado. Es un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida. Con una tensión de entrada diferencial, Vd, la tensión de salida, Vo, será a Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizarán siempre independientemente de la aplicación. La señal de salida es de un sólo terminal y está referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares ( ± )

El amplificador inversor

La figura 2 ilustra la primera configuración básica del AO. El amplificador inversor. En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.

Fig. 2

Aplicando las propiedades anteriormente establecidas del AO ideal, las características distintivas de este circuito se pueden analizar como sigue.

Puesto que el amplificador tiene ganancia infinita, desarrollará su tensión de salida, V0, con tensión de entrada nula. Ya que, la entrada diferencial de A es:

V_d = V_p - V_n, ==> V_d = 0.- Y si V_d = 0,

entonces toda la tensión de entrada V_i, deberá aparecer en R₁, obteniendo una corriente en R₁

Vn está a un potencial cero, es un punto de tierra virtual

Toda la corriente I que circula por R₁ pasará por R₂, puesto que no se derivará ninguna corriente hacia la entrada del operacional (Impedancia infinita), así pues el producto de I por R₂ será igual a - V₀

por lo que:

luego la ganancia del amplificador inversor:

Deben observarse otras propiedades adicionales del amplificador inversor ideal. La ganancia se puede variar ajustando bien R₁, o bien R₂. Si R₂ varía desde cero hasta infinito, la ganancia variará también desde cero hasta infinito, puesto que es directamente proporcional a R₂. La impedancia de entrada es igual a R₁, y V_i y R₁ únicamente determinan la corriente I, por lo que la corriente que circula por R₂ es siempre I, para cualquier valor de dicha R₂.

El amplificador no inversor

La segunda configuración básica del AO ideal es el amplificador no inversor, mostrado en la figura 3. Este circuito ilustra claramente la validez del axioma 3.

Fig. 3

En este circuito, la tensión V_i se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R₁ - R₂. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que V_d = 0, la tensión en R1 será igual a V_i.

Así pues

y como

tendremos pues que:

que si lo expresamos en términos de ganancia:

Materiales a utilizar:
LM741
TL081
Resistores varios
2 capacitores de 100uf x 25V Electroliticos
2 capacitores de 100nf Ceramicos

Hojas de datos:
LM741:
http://www.national.com/mpf/LM/LM741.html

TL081:
http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/T/L/0/8/TL081.shtml

Desarrollo de la practica:

circuito a utilizar:

Fritzing:

En Protoboard:

Completar la siguiente tabla , graficar y marcar en el gráfico zona de amplificación lineal, de saturación, y la tensión de offset.

Vs (V)	Vo (V)
-0,99	10,24
-0,7	10,25
-0,5	7,6
-0,3	4,34
-0,1	1,57
0	0,06
0,1	-1,43
0,3	-4,47
0,5	-7,39
0,7	-9,06
0,99	-9,08

Tensión de offset:
Se define como la tensión continua que aparece en la salida cuando la entrada diferencial es nula. Este valor es un error dado que sobre cualquier resultado en régimen normal nos estará cambiando la salida.
Para evitar este defecto los fabricantes proveen en sus operacionales terminales para la compensacion de la tensión de offset y se utilizan de la siguiente forma:

En Protoboard:

Se recomienda usar un trimmer multivueltas ya que tiene mayor precisión..

Con el offset corregido volvemos a graficar,

Vs (V)	Vo (V)
-0,99	10,24
-0,7	10,25
-0,5	7,6
-0,3	4,34
-0,1	1,57
0	0,01
0,1	-1,43
0,3	-4,47
0,5	-7,39
0,7	-9,06
0,99	-9,08

Ahora con el generador de funciones le inyectamos en Vs una señal senoidal de 50mvpp y una frecuencia de 1KHz.

Y verificamos que la fase de la señal de salida es opuesta a la de la entrada y que a pesar de ponerle 1KHz de frecuencia la ganancia se mantiene constante:

Ahora reemplazamos el LM741 por el TL081 y verificamos que no existe ninguna variación ya que el TL082 tiene el siguiente diagrama interno:

que es similar al del LM741.
Al cambiarlo comprabamos con el osciloscopio que no existe variación alguna:

Ahora volvemos a colocar el LM741 y vamos aumentamos la frecuencia hasta 1M y verificamos que la ganancia deja de responder a al cociente entre R1 y R2.

Medición de la Impedancia de entrada:

Para medir la impedancia de entrada debemos realizar la siguente acción:

En Vs colocamos el generador a 1KHz y una amplitud de 500mVpp y colocamos ahi mismo un canal del osciloscopio.

Luego el otro canal del osciloscopio lo conectamos en V`.

Y variamos el potenciometro para que en V` tengamos 1/2 de la amplitud de Vs.

Después sacamos el potenciometro y lo medimos con el multimetro de la siguiente manera:

El valor que medimos es el valor de la impedancia de entrada, que en nuestro caso es de 13,45Kohm

Amplificador No Inversor:

Lo que nos plantea el punto 1 es diseñar usando un amplificador operacional , un amplificador no inversor que gane en tensión 26dB sobre una carga de 1Kohm

Lo primero que hacemos es pasar 26dB a veces:

G(veces)=10db/20

G(veces)=19.95