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Amplificador Operacional

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Antes de que existiesen los computadores de hoy en día, que realizan operaciones rápidamente, y dan respuestas precisas, existían unos computadores llamados analógicos, estos se apoyaban sobre unos dispositivos semiconductores, que podían sumar, restar, derivar, integrar, multiplicar, dividir, realizar comparaciones de magnitud,  y otras operaciones más, todo de manera analógica,  a estos dispositivos se les conoce con el nombre de amplificadores operacionales. Físicamente un amplificador operacional tiene mínimo 5 pines, el pin inversor (V-), el pin no inversor (V+), pin de polarización positiva (VCC o VDD), pin de polarización negativa (VEE o VSS), y el pin de salida (VO). 

amplificador operacional opamp figura 1

La ganancia de un Opamp esta por el orden de 100000 o mas en lazo abierto. Al tener dos entradas permite realizar realimentación negativa o positiva, según se requiera. El valor de ri esta por el orden de 100 Megaohm o mas, el valor de ro esta por el orden de 100 Ohm. Normalmente cuando se diseña, no se toma en cuenta los voltajes de polarización, mas sin embargo, se debe garantizar, que mínimo estén un voltios por debajo y por arriba de los máximos picos de la señal de salida. En un diseño circuital con un amplificador operacional hay dos condiciones básicas, la primera es que se considera que la corriente de entrada a los pines inversor y no inversor es nula, y la segunda es que el el pin no inversor y el pin inversor, están mismo voltaje, es decir que si el pin inversor esta a x voltios, pues el pin no inversor tiene el mismo voltaje, y viceversa, esta segunda condición se conoce con el nombre de corto virtual.Normalmente el análisis se realiza por nodos. Un amplificador presenta errores, como el voltaje off set y las corrientes de entradas, que se explicaran a continuación.

Voltaje Off Set : Se supone que al ingresar dos señales idénticas a los pines de entrada del Opamp, la salida debería ser cero, mas esto en la realidad nunca se da. Entonces para que la salida sea cero se debe variar algunas de las dos entradas ya sea subiendo el nivel DC o bajando el nivel DC. Cuando la salida sea cero, el voltaje DC que se subió, o que se bajo de la señal que se vario de entrada, es conocido como el voltaje de offset. Algunos Opamp traen un pin específico para anular el voltaje de offset.

Corrientes de Entrada:  En un Opamp real siempre se presentan corrientes muy pequeñas de entrada. Cuando no hay resistencias en el circuito que se realizo con el Opamp, estas corrientes no afectan en nada, pero como esto rara vez es así, aun en un comparador o en un seguidor, el circuito que se conecta a la entrada debe presentar alguna impedancia de salida.

Estas corrientes de entrada afectan como tal el voltaje real que ingresa al amplificador. En el siguiente gráfico se observa mejor la situación.

amplificador operacional opamp figura 2

La ecuación anterior representa la malla de voltajes de entrada al amplificador, donde vd (voltaje diferencial) es el voltaje entre V+ y V-, R+ y R- son las resistencias que ven los pines de entrada cuando se apagan todas las señales de entrada. En los manuales no aparecen las corrientes de entrada i+ e i-, sino que aparecen dos corrientes denominadas: corriente de Bias (iB) y corriente de Offset (iOS).  Las corrientes  i+ e i-, se pueden escribir  en función de estas dos:

amplificador operacional opamp figura 3

Al reemplazar i+ e i- en la primera ecuación se tiene:

amplificador operacional opamp figura 4

En esta ecuación se observa que si R+ es igual a R- se elimina en gran parte el error de las corrientes de entrada. El error producido por ios no se puede eliminar, pero es mucho menor que el error que generaba iB.

 Para hallar R+ o R- basta con apagar todas las fuentes, y observar la resistencia que observa cada pin de entrada. En el siguiente grafico se observa la manera de hallar R- en un Opamp inversor.

amplificador operacional opamp figura 5

Se observa que hacer todas las entradas cero, el voltaje vd también es cero, por tanto la fuente dependiente es cero también, por lo que es reemplazada por un corto circuito. R- es igual al paralelo entre R1 y RF. Cabe destacar que el modelo que se uso fue el ideal. Para balancear el circuito basta con poner una resistencia del pin no inversor a tierra del valor de R-.

amplificador operacional opamp figura 6