Abstract—In this article we can observe the characteristics of the operational amplifier and some applications depending on the type of configuration that can be applied and be useful like they it are the configurations of opened bow, closed bow, detectors with hysteresis, applications with diodes in the rectifiers of precision, generators of sign, active filters, computational applications and amplifiers of instrumentation.

Resumen—En este articulo podemos observar las características del amplificador operacional y algunas aplicaciones dependiendo de los tipo de configuración que se pueden aplicar y aprovechar como lo son las configuraciones de lazo abierto, lazo cerrado, detectores con histéresis, aplicaciones con diodos en los rectificadores de precisión, generadores de señal, filtros activos, aplicaciones computacionales y amplificadores de instrumentación.

Key words— Operational amplifier, profit, feedback, opened bow, closed bow, resistance, condenser, diode, investor, not investor.

Palabras claves— Amplificador operacional, ganancia, realimentación, lazo abierto, lazo cerrado, resistencia, condensador, diodo, inversor, no inversor.

I. INTRODUCCIÓN

N amplificador operacional A.O. es un dispositivo lineal de propósito general que tiene dos entradas y una salida.

La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por una ganancia dada por las resistencias con las que se polariza.

UEl A.O idealmente tiene una ganancia infinita, impedancia de entrada infinita, una impedancia de salida es cero. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero por el modelo virtual del A.O.

Tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante. Tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta docenas de voltios (definidos por el fabricante). Los amplificadores se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.

El A.O es un amplificador directamente acoplado, que se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones por arriba como por debajo de tierra (o del punto de referencia considerado).

El A.O es un amplificador directamente acoplado, que se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones por arriba como por debajo de tierra (o del punto de referencia considerado).

Fig. 1. Diagrama de entradas y salidas de un amplificador operacional.

Las terminales son V+: entrada no inversora V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa

Fig. 2. Diagrama esquemático de las etapas del amplificador.

Etapas

Las polarizaciones (de entrada y de salida) son las que ponen en la región activa los transistores.

Polarización

Define el punto de operación (ganancias, impedancias, demás)

Etapa diferencial

1. Gran impedancia de entrada2. CMRR (razón de rechazo de modo común) elevado3. Amplificador de transconductancia4. Impedancia de salida alta

Etapa de ganancia intermedia

Aumento de la ganancia de la etapa diferencial.

Etapa de salida

1. Seguidor emisor push-pull.

ABRIL DE 2023Arnold David Rodríguez Rodríguez. Author, Member, USTA

2amplificador operacional

2. Impedancia de salida pequeña.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

1. Voltaje Offset Nulo2. Parámetros térmicos nulas 3. Impedancia de entrada infinita4. Impedancia de salida cero5. Ganancia infinita6. Velocidad de respuesta infinita7. Ancho de Banda infinito8. Corriente máxima de salida infinita

AMPLIFICADORES OPERACIONAL REAL

No poseen estas características, dependiendo de la aplicación y sus componentes externos, pueden acercarse a las anteriores.

CARACTERÍSTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Un A.O. idealmente tiene las siguientes características

• Impedancia de entrada infinita• Ganancia en lazo abierto infinita• Ancho de banda infinito• Impedancia de salida cero

Un A.O. realmente tiene las siguientes características

• Impedancia de entrada alta• Ancho de banda muy grande• Ganancia muy grande pero no infinita• Impedancia de salida es muy pequeña casi cero • Cuando la entrada inversora tiene un voltaje mayor a la no inversora su salida tiende a –Vsat pero si el voltaje es menor la salida tiende a +Vsat

APLICACIONES

lazo abierto

1. Detectores de cruce: Identifican cuando el voltaje de entrada que es una onda sinusoidal pasa por cero y hace que su salida varié entre +Vsat y –Vsat.

Fig. 1.1. Circuito detector de cruce por cero inversor.

Fig. 1.2. Detector de cruce por cero inversor, entrada vs salida.

Fig. 1.3. Circuito detector de cruce por cero no inversor.

Fig. 1.4. Detector de cruce por cero inversor, entrada vs salida.

2. Detectores de nivel inversor y no inversor: al tener un voltaje de referencia a una de las entradas y en la otra una señal sinusoidal, en el momento que el voltaje de la otra entrada supera al voltaje de referencia o se hace menor el amplificador cambia entre +Vsat y –Vsat.

Fig. 2.1. Circuito detector de nivel inversor.

Fig. 2.2. Detector de nivel inversor entrada vs salida.

Fig. 2.3. Circuito detector de nivel no inversor.

Fig. 2.4. Detector de nivel no inversor entrada vs salida.

3. Referencia ajustable y modulador de ancho de pulso: en estas aplicaciones se varía el voltaje en una de las entradas para lograr ajustar un ancho de pulso determinado dependiendo de la frecuencia de la entrada en la otra pata y del voltaje ajustado.

Fig. 3.1. Referencia ajustable esquemático.

Fig. 3.2. Referencia ajustable grafica entrada vs salida.

Fig. 3.3. Modulador de ancho de pulso.

Fig. 3.4. Modulador de ancho de pulso Vi Vs Vo.

lazo cerrado

Las aplicaciones en lazo cerrado hacen referencia a aquellas que tienen realimentación positiva o al modelo, esta realimentación mejora muchas de las características del amplificador tales como aumentar la impedancia de entrada y disminuir la de salida.

4. Amplificador inversor y no inversor: amplifica una señal de entrada dependiendo de la relación entre la resistencia de realimentación y la de entrada lo cual influye en la ganancia de la salida con respeto a la

entrada Para el inversor Av=−Vi( RfRi )y Para el no

inversor de Av=Vi( RfRi

+1) ,cuando se aplica una

señal sinusoidal se puede distinguir el circuito inversor de no inversor por que la salida del inversor está desfasada 180 grados con respecto a la entrada mientras que el no inversor está en fase con la entrada .

Fig. 4.1. Amplificador inversor y no inversor.

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4amplificador operacional

Fig. 4.2. Amplificador inversor y no inversor, Vi vs Vo

5. seguidor de voltaje: tiene una realimentación negativa pero sin resistencia solo con un corto entre la entrada y la salida, se ve a la salida el mismo voltaje de la entrada no inversora.

Fig. 5.1. Seguidor de voltaje.

Fig. 5.2. Seguidor de voltaje, Vi vs Vo.

6. Sumadores y restadores: En estos circuitos el amplificador se encarga de sumar o restar voltajes D.C. o A.C y muestra su resultado a la salida sin sobre pasar +v y –v de saturación, existen varios tipos como los restadores de una etapa, restador de dos etapas, sumador inversor y sumador no inversor y otros más.

Fig. 6.1. Restador de una sola etapa - ecuación V o=2 E1−E2.

Fig. 6.2. Restador de dos etapas - ecuación V o=E1−E2

Fig. 6.3. Sumador inversor -ecuacion V o=−(E1+E2+ E3).

Fig. 6.4. Sumador no inversor - ecuación .

V o=(1+Rf

R1)( E1+E2+E3

n ) Amplificador operacional con diodos

Al combinar las aplicaciones de los amplificadores en lazo cerrado con otros elementos como lo son los diodos se pueden realizar aplicaciones utilizadas para obtener una gran precisión además de otros circuitos como rectificadores de onda.

7. El rectificador de media onda y onda completa: son circuitos empleados para eliminar o invertir la parte negativa de una señal y dejar los ciclos de la señal hacia un solo sentido.

Fig. 7.1. Rectificador de media onda y de onda completa

Fig. 7.2. Rectificador de media onda y onda completa Vi vs Vo.

8. Separador de polaridad: el separador de polaridad tiene dos salidas, una en la que se observa la fase positiva de la señal de entrada y la otra en la que se muestra la fase negativa las cuales se encuentran desfasadas 180° una de la otra.

Fig. 8.1. Separador de polaridad.

Fig. 8.2. Separador de polaridad, Vi vs Vo1 y Vo2.

9. Seguidor de picos positivos: El seguidor de picos positivos almacena en un condensador el valor pico que se haya alcanzado y deja ver ese voltaje pico en la salida, cuando se varia el voltaje pico a uno menor idealmente el condensador no se debe descargar pero realmente se descarga, con este tiempo de descarga se puede medir la impedancia de entrada del amplificador

Fig. 9.1. Seguidor de picos positivos.

Fig. 9.2. Seguidor de picos positivos, análisis AC.

10. Detector de nivel con histéresis: dependiendo del nivel de referencia que tenga detecta cuando la señal de entrada supera ese voltaje de referencia y hace cambiar la salida entre +Vsat y –Vsat, este circuito es una mejora del detector de nivel normal, porque en la señal de entrada pueden haber ruidos que afecten el funcionamiento del circuito por lo que se le implementa un valor alto y uno bajo para evitar problemas con ruidos.

Fig. 10.1. Detector de nivel con histéresis.

Fig. 10.2. Detector de nivel con histéresis Vi vs Vo y función de transferencia.

Multivibradores con amplificadores operacionales

11. Multivibrador astable: no tiene ningún estado estable, tiene dos estados donde permanece en cada uno

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de ellos un tiempo determinado el cual depende de la carga y descarga de los condensadores.

Fig. 11.1. Multivibrador astable.

Fig. 11.2. Multivibrador astable, Voltaje salida vs Voltaje en el condensador.

12. Multivibrador monoestable: tiene dos estados uno estable y el otro no, solo cambia del estado estable al no estable al recibir una estimulo externo y se mantiene en él durante un periodo. Transcurrido dicho período, la salida del monoestable vuelve a su estado estable. Para mejorar el circuito hay que adicionar un diodo en paralelo con la resistencia que realimentación para mejorar el tiempo de recuperación y disminuirlo.

Tiempo de temporización t=R f∗C∗ln( R1+R2

R1+2R2)=1ms

Tiempo de recuperación tRec=1.5 ms

Fig. 12.1. Multivibrador monoestable y monoestable mejorado.

Fig. 12.2. Multivibrador, señal de disparo vs Voltaje de salida.

13. Onda triangular: su principal característica es que sus velocidades de subida y bajada son constantes. se obtiene integrando en el tiempo una onda cuadrada donde los niveles constantes alto y bajo de dicha onda se convierten en las pendientes de los flancos de subida y bajada de la onda triangular.

Frecuencia de onda triangular f = p4 R iC

Fig. 13.1. Generador de onda triangular.

Figura 13.2 Generador de onda triangular, Vo vs Vc.

14. Generador diente de sierra: gracias a la característica de carga lineal del condensador se puede generar la subida constante y en la segunda parte tenemos un circuito que hace conmutar 2 transistores los cuales hacer que la descarga del condensador muy rápida y se genere un efecto de diente de sierra.

Fig. 14.1. Generador de onda diente de sierra.

Fig. 14.2. Generador de onda diente de sierra, Señal Vo vs señal Vo.

Aplicaciones computacionales

15. Integrador y derivador: estos circuitos tienen la particularidad de integrar y derivar una señal de entrada con respecto al tiempo, pero al estar conectados a la terminal inversora invierte la señal de salida.

V Out=−1RC

∫V ¿dt V Out=−RCd V ¿

dt

Fig. 15.1. Circuito integrado y diferenciador.

Fig. 15.2. Circuito integrador, Señal de entrada vs señal de salida.

*sin (wt)-cos(wt):Para realizar esta operación lo que hacemos es ingresar una señal seno a un derivador la cual a la salida mostrara un coseno pero como es inversor se vuelve menos coseno entonces lo sumamos con la señal de entrada en un sumador no inversor para así lograr la suma.

Fig. 16.1. V Out=sen ( wt )−cos (wt) , análisis DC.

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8amplificador operacional

Fig. 16.2.V Out=sen ( wt )−cos (wt), sen(wt) vs -cos(wt) y Vo.

16. Amplificadores de instrumentaciónLos amplificadores de instrumentación se caracterizan por

tener una gran impedancia de entrada lo que lo hace inmune al ruido y se utiliza para amplificar señales pequeñas y poder tratarlas más fácilmente.

Fig. 17.1. Amplificador de instrumentación.

Fig. 17.2. Aplicaciones del amplificador de instrumentación.

Otros circuitos que se utilizan con el A.O son los filtros activos y la generación de inductancias a partir de capacitancias

II. CONCLUSIONES

En este trabajo se mostraron muchos de los principales circuitos formados con amplificadores operaciones, de estos circuitos pueden salir otras aplicaciones como es la solución a una ecuación diferencial y otros más.

El amplificador operacional proporciona varias aplicaciones cuando se polariza solo con resistencias, funciones básicas que dan pie a otras más complejas, y al agregar otros elementos como condensadores y diodos proporciona más alternativas de aplicaciones y soluciones a problemas como el ruido de las señales, al utilizar las entradas positiva o negativa se puede tener circuitos inversores y no inversores según se necesite.

REFERENCIAS

[1] Apuntes de electrónica III. Edgar H. Betancourt Uscategui.[2] Daatasheet de INA114 de

www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/I/N/A/.../INA114.[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional