UNIVERSIDAD DE LA COSTA, CUC DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS FACULTAD DE INGENIERÍA
AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y DIFERENCIALES Mario Martínez Cueto. Rafael Olivo Díaz Profesor(a): Elkin Travecedo. Grupo AD1. 08-08-2012 Electrónica II, Universidad de la Costa, Barranquilla
INTRODUCCIÓN
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
En el presente ensayo, descrito en forma de un artículo, se hará énfasis a la introducción de los amplificadores operacionales y amplificadores diferenciales, tratando puntos básicos como la historia, la simbología, encapsulado, terminales del circuito, datos técnicos, especificaciones y principales aplicaciones de estos. De esta manera poder familiarizarse y comprender los diferentes comportamientos y usos que presentan los amplificadores operacionales y diferenciales en la electrónica. Esto con la ayuda de consultas realizadas en diferentes textos especializados en las temáticas, con la finalidad de adquirir un manejo natural de los temas, que serán necesarios para el buen desarrollo de las temáticas plantadas en la asignatura de Electrónica II y sus respectivo laboratorio.
Según los planteados por los autores Robert F. Coughlin y Frederick F. Driscoll haciendo referencia al mundo de los amplificadores operacionales en el Capítulo 1 de su libro titulado “ AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES”, donde describen aspectos importantes y detallados de los amplificadores operacionales tales como la historia, especificaciones y funcionamiento de estos integrados, [1]. A continuación, se describirán las temáticas mencionadas en la sección “INTRODUCCIÒN”, según lo planteado en el texto citado anteriormente.
OBJETIVOS Objetivos Generales Familiarizare con las concepciones teóricas y usos generales de un amplificador operacional y un amplificador diferencial. Objetivos Específicos 1. Realizar consultas orientadas a la introducción de amplificadores operacionales y diferenciales, por medio de textos y sitios web especializados en los temas. 2. Revisar las hojas técnicas de los principales amplificadores operacionales y diferenciales.
Haciendo énfasis a la historia de los amplificadores operacionales, George Philbrick unos de los principales atribuyen tés a la invención de estos integrados, en 1984 introdujo al mercado unos de sus diseños de amplificadores operacionales con un solo tuvo de vacío. Estos principales diseños de amplificadores y sus versiones posteriores eran exclusivamente utilizados o empleados para computadoras analógicas. Para Aquellas épocas la palabra operacional en términos de dispositivos hacía referencia a operaciones matemáticas, para lo cual, los primeros amplificadores operacionales eran utilizados para construir circuitos capaces de realizar operaciones matemáticas tales como suma, resta, multiplicación, división e incluso para resolver ecuaciones diferenciales. diferenciales. Entre los años 1964 y 1967, Fairchild desarrollo amplificadores operacionales aplicados en circuitos integrados, tales como
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el 702, 709 y el 741, por otra parte, la empresa National Semiconductor lanzo al mercado los integrados 101/301. Estos amplificadores aplicados en circuitos integrados, causaron gran revolución en la electrónica por su pequeño tamaño y bajo costo de producción. A medida que la tecnología avanza, la fabricación y diseño de los integrados de amplificadores operacionales se hace cada vez más rápida, precisa y menos costosa. Además, se han realizado notables mejoras en los integrados, Entre los avances más revolucionarios se destacan los en capsulados de doble y cuádruple amplificador, presentado en un encapsulado de 14 terminales, los cuales se encuentran en el mercado con las referencias LM358 y LM324 respectivamente. Los amplificadores operacionales son circuitos que normalmente se presentan en forma de un circuito integrado, cuentan con dos entradas y una salida, una alimentación positiva y una alimentación negativa. Entre sus principales aplicaciones son: Módulos para sonar de emisión y recepción Amplificadores múltiples Amplificadores de ganancia programable Instrumentación y control automotriz Circuitos integrados para comunicaciones Circuitos integrados de radio, audio y video.
Figura 1. Simbología de un amplificador operacional de propósito general 741.
Los fabricantes de amplificadores operacionales actualmente, combinan la simbología del circuito con la simbología del encapsulado como se presenta en las siguientes figuras, [1]
Figura 2. Simbología de un amplificador operacional de 8 terminales.
El Amplificador operacional de propósito general 741, es uno de los amplificadores más usuales y comunes en el mercado, su simbología es un triángulo que apunta a la dirección del flujo de señal, y gráficamente se representa en la Figura 1. Figura 3. Simbología de un amplificador operacional de 10 terminales.
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AMPLIFICADORES DIFERENCIALES
Figura 4. Simbología de un amplificador operacional de 14 terminales.
Figura 5. Simbología de un amplificador operacional de 8 terminales, (471).
Por otra parte, los encapsulados de los amplificadores operacionales son fabricados en un diminuto chip de silicio con un encapsulado adecuado dependiendo de la referencia del amplificador y alambres muy finos que conectan al chip con los terminales externos que salen de los encapsulados que suele ser metálico, de pasta o cerámico. En la Figura 6. Se podrán observar los diferentes encapsulados en los amplificadores operacionales.
Teniendo en cuenta lo planteado por los autores Robert F. Coughlin y Frederick F. Driscoll en el capítulo 8 de su libro titulado “ AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES”, donde se hace énfasis al estudio de los amplificadores diferenciales, de instrumentación y de puente. De la citación anterior, se describirá de forma introductoria lo concerniente a los amplificadores diferenciales, [2]. Un amplificador diferencial es un circuito conformado por piezas fundamentales de diferentes amplificadores comparadores, las principales funciones de dichos amplificadores, son medir y amplificar pequeñas señales que quedan ocultas en señales mucho más intensas.
Figura 6. Circuito de un amplificador diferencial básico.
En la figura anterior (Figura 6.), se describe el circuito de un amplificador diferencial básico, como se puede lograr observar, el circuito está conformado por cuatro resistencia de precisión y un amplificador operacional, el cual se mencionó en la sección anterior, dos terminales de entradas, denominadas entrada negativa y entrada positiva, correspondiente a las terminales más cercanas del amplificador operacional. Figura 6. Diferentes Tipos de encapsulados de amplificadores operacionales.
El Amplificador diferencial se caracteriza por presentar dos transistores idénticos con
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similares características, tanto internas como de las redes de polarización. Ya que el circuito dispone dos entradas y dos salidas de señal, existen cuatro configuraciones posibles realizando las distintas combinaciones entre entradas y salida. Entrada y salida simétrica: Es la forma más típica de un amplificador diferencial, tiene dos entrada v1 y v2, El voltaje de salida se obtiene de la diferencia entre las salidas de los colectores. Entrada asimétrica y salida simétrica: En algunas aplicaciones sólo se usa uno de los terminales de entrada con la otra conectada a tierra, mientras que la salida se obtiene entre los colectores de los dos transistores del circuito. Entrada simétrica y salida asimétrica: Esta es la forma más práctica y utilizada porque puede excitar cargas asimétricas o de un solo terminal como lo hacen los amplificadores EC, emisor seguidor y otros circuitos. Esta etapa es la que se usa para la etapa de entrada de la mayor parte de los Amplificadores Operacionales comerciales. Presenta dos entradas de señal para las bases de cada transistor mientras que la salida se obtiene únicamente de uno de los colectores respecto a masa Entrada y salida asimétrica: Esta configuración presenta tanto para la entrada como para la salida un único terminal. Este tipo de configuración es útil para las etapas de acoplamiento directo donde se requiere sólo amplificar una entrada. Por otra parte, según lo planteado por el autor María Isabel Shiavon en su articula en la web titulado “AMPLIFICADORES DIFERENCIALES”, [3]. Nos describe las condiciones de un amplificador diferencial ideal. “El amplificador diferencial ideal es aquel que a la salida tiene sólo presente la componente diferencial, o sea que rechaza las señales a modo común (ganancia a modo
común nula) amplificando sólo las señales a modo diferencial. Se define un factor de mérito para el amplificador diferencial que evalúa la capacidad de rechazo del circuito a las señales a modo común frente a la capacidad de amplificar las señales a modo diferencial, el factor de rechazo que es la relación entre la ganancia a modo diferencial y la ganancia a modo común. Normalmente se expresa en decibeles.
Es posible construir circuitos amplificadores diferenciales con cualquier dispositivo semiconductor que pueda funcionar como amplificador. Puede implementarse con transistores bipolares o transistores de efecto de campo. En ambos casos se trata de acoplar dos dispositivos idénticos en su configuración amplificadora (emisor o fuente común) por el terminal común (emisor o fuente) correspondiente a la configuración, resultando el circuito simétrico de la figura 7, donde Q1 y Q2 representan los dispositivos en forma general.
Figura 7. Circuito Generalizado del amplificador diferencial.
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El circuito generalizado está alimentado por dos fuentes de polaridades opuestas (V1 y V2) que en general tienen valores +V y -V respectivamente, de esta manera es posible acoplar directamente en las entradas señales con componente de continua nula, e incluso aplicar diferencia de tensiones de continua. Si el circuito se alimentara con una única fuente contra masa sería necesario establecer una red de polarización para las entradas de los dispositivos y la excitación de señal debería conectarse con capacitares de acople que independicen la polarización de los transistores. Este circuito es la configuración óptima para las etapas de ganancia de los circuitos integrados lineales, en ese caso los dispositivos que lo constituyen son especialmente apareados durante el proceso de fabricación. Esta configuración presenta excelentes propiedades de aislación entre salida y entrada simplificando la disposición de posibles elementos de realimentación. La corriente de los dispositivos está fijada por una fuente de corriente constante (IO), que puede ser implementada de diferentes formas; en forma muy simple con una resistencia, o con circuitos con dispositivos semiconductores en la configuración adecuada, obteniéndose diferentes calidades en cuanto a la estabilidad de la corriente y al valor de su resistencia equivalente, y en consecuencia, en cuanto a la calidad del amplificador diferencial. En todo el análisis se supondrá que una fuente que fija el valor IO y que presenta una resistencia equivalente de valor rF.”
CONCLUSIONES Después de haberse realizado varias consultas en diferentes textos y páginas web donde se hace referencia a los amplificadores operacionales y amplificadores diferenciales, tales como “Diseños Electrónicos Circuitos de Sistema” del autor Savant C. J. y “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales” del autor Robert F. Coughlin, se logró recopilar la información básica donde se encontraron las concepciones teóricas de los amplificadores operacionales y diferenciales, su historia, su simbología, sus aplicaciones y la representación gráfica de los diferentes encapsulados. De esta manera, se logra familiarizare con las representaciones graficas de los amplificadores, la simbología de cada encapsulado de los diferentes amplificadores, el circuito básico de un amplificador operacional y diferencial y las diversas aplicaciones a las que se sujetan estos integrados.
Bibliografía [1] Robert F. Coughlin y Frederick F. Driscoll AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES – PRENTICE HALL – Capitulo 1. [2] Robert F. Coughlin y Frederick F. Driscoll AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES – PRENTICE HALL – Capitulo 8. [3] Consultado en: http://www.fceia.unr.edu.ar/eca1/files/teori as/AD-2010.pdf (09/08/12)
Figura 8. Amplificador Diferencial
