Amplificador operacional simple

PIEZAS Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Cuatro transistores NPN:se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (el catálogo de Radio Shack n. ° 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos transistores PNP:se recomiendan los modelos 2N2907 o 2N3906 (el catálogo de Radio Shack # 276-1604 es un paquete de quince transistores PNP ideal para este y otros experimentos)
• Dos potenciómetros de 10 kΩ, una vuelta, cono lineal (catálogo de Radio Shack # 271-1715)
• Una resistencia de 270 kΩ
• Tres resistencias de 100 kΩ
• Una resistencia de 10 kΩ

REFERENCIAS CRUZADAS

essons en circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 4:“Transistores de unión bipolar” Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionales"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Diseño de un circuito amplificador diferencial utilizando espejos de corriente.
• Efectos de la retroalimentación negativa en un amplificador diferencial de alta ganancia.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Este diseño de circuito mejora el amplificador diferencial mostrado anteriormente. En lugar de usar resistencias para reducir el voltaje en el circuito de par diferencial, se usa un conjunto de espejos de corriente, el resultado es una mayor ganancia de voltaje y un rendimiento más predecible.

Con una ganancia de voltaje más alta, este circuito puede funcionar como un amplificador operacional de trabajo o op-amp . Los amplificadores operacionales forman la base de una gran cantidad de circuitos semiconductores analógicos modernos, por lo que es importante comprender el funcionamiento interno de un amplificador operacional.

Transistores PNP Q ₁ y Q ₂ formar un espejo de corriente que intenta mantener la corriente dividida por igual a través de los dos transistores de par diferencial Q ₃ y Q ₄ . Transistores NPN Q ₅ y Q ₆ formar otro espejo actual, estableciendo el total corriente de par diferencial a un nivel predeterminado por la resistencia R _prg .

Mida el voltaje de salida (voltaje en el colector de Q ₄ con respecto a tierra) ya que los voltajes de entrada varían. Observe cómo los dos potenciómetros tienen diferentes efectos sobre el voltaje de salida:una entrada tiende a impulsar el voltaje de salida en la misma dirección (no inversora), mientras que la otra tiende a impulsar el voltaje de salida en la dirección opuesta (inverso).

Notará que el voltaje de salida responde mejor a los cambios en la entrada cuando las dos señales de entrada son casi iguales entre sí.

Una vez que se ha probado la respuesta diferencial del circuito (el voltaje de salida cambia bruscamente de un nivel extremo a otro cuando una entrada se ajusta por encima y por debajo del nivel de voltaje de la otra entrada), está listo para usar este circuito como un amplificador operacional real. Un circuito de amplificador operacional simple llamado seguidor de voltaje es una buena configuración para probar primero.

Para hacer un circuito seguidor de voltaje, conecte directamente la salida del amplificador a su entrada inversora. Esto significa conectar el colector y los terminales base de Q ₄ juntos, y descartando el potenciómetro "inversor":

Tenga en cuenta el símbolo triangular del amplificador operacional que se muestra en el diagrama esquemático inferior. Las entradas inversoras y no inversoras se designan con los símbolos (-) y (+), respectivamente, con el terminal de salida en el vértice derecho.

El cable de retroalimentación que conecta la salida a la entrada inversora se muestra en rojo en los diagramas anteriores. Como seguidor de voltaje, el voltaje de salida debe "seguir" el voltaje de entrada muy de cerca, desviándose no más de unas pocas centésimas de voltio.

Este es un circuito seguidor mucho más preciso que el de un solo transistor colector común, descrito en un experimento anterior. Un circuito de amplificador operacional más complejo se llama amplificador no inversor , y utiliza un par de resistencias en el circuito de retroalimentación para "retroalimentar" una fracción del voltaje de salida a la entrada inversora, lo que hace que el amplificador emita un voltaje igual a algún múltiplo del voltaje en la entrada no inversora.

Si usamos dos resistencias de igual valor, el voltaje de retroalimentación será la mitad del voltaje de salida, lo que hará que el voltaje de salida sea el doble del voltaje impreso en la entrada no inversora. Por lo tanto, tenemos un amplificador de voltaje con una ganancia precisa de 2:

Al probar este circuito amplificador no inversor, es posible que observe ligeras discrepancias entre los voltajes de salida y entrada. Según los valores de la resistencia de retroalimentación, la ganancia de voltaje debe ser exactamente 2.

Sin embargo, es posible que observe desviaciones del orden de varias centésimas de voltio entre el voltaje de salida y el que debería ser. Estas desviaciones se deben a imperfecciones del circuito del amplificador diferencial y pueden disminuir en gran medida si agregamos más etapas de amplificación para aumentar la ganancia de voltaje diferencial.

Sin embargo, una forma en que podemos maximizar la precisión del circuito existente es cambiar la resistencia de R _prg . Esta resistencia establece el punto de control del espejo de corriente inferior y, al hacerlo, influye en muchos parámetros de rendimiento del amplificador operacional.

Intente sustituir valores de resistencia de diferencia, que van desde 10 kΩ a 1 MΩ. No utilice una resistencia inferior a 10 kΩ, de lo contrario, los transistores de espejo de corriente pueden comenzar a sobrecalentarse y "escaparse" térmicamente.

Algunos amplificadores operacionales disponibles en unidades empaquetadas proporcionan una forma para que el usuario "programe" de manera similar el espejo de corriente del par diferencial y se denominan programables amplificadores operacionales. La mayoría de los amplificadores operacionales no son programables y tienen sus puntos de control de espejo de corriente internos fijados por una resistencia interna, recortada a un valor preciso en la fábrica.