El amplificador "operativo"

Mucho antes del advenimiento de la tecnología electrónica digital, las computadoras se construyeron para realizar cálculos electrónicamente empleando voltajes y corrientes para representar cantidades numéricas. Esto fue especialmente útil para la simulación de procesos físicos. Un voltaje variable, por ejemplo, podría representar velocidad o fuerza en un sistema físico. Mediante el uso de divisores de voltaje resistivos y amplificadores de voltaje, las operaciones matemáticas de división y multiplicación podrían realizarse fácilmente en estas señales.

Función derivada de cálculo como base para calcular la corriente del capacitor

Las propiedades reactivas de los condensadores y los inductores se prestan bien a la simulación de variables relacionadas mediante funciones de cálculo. Recuerde cómo la corriente a través de un capacitor era una función de la tasa de cambio del voltaje y cómo esa tasa de cambio se designó en cálculo como la derivada ? Bueno, si el voltaje a través de un capacitor se hiciera para representar la velocidad de un objeto, la corriente a través del capacitor representaría la fuerza requerida para acelerar o desacelerar ese objeto, la capacitancia del capacitor representa la masa del objeto:

Este cálculo electrónico analógico de la función derivada del cálculo se conoce técnicamente como diferenciación , y es una función natural de la corriente de un capacitor en relación con el voltaje aplicado a través de él. Tenga en cuenta que este circuito no requiere "programación" para realizar esta función matemática relativamente avanzada como lo haría una computadora digital.

Los circuitos electrónicos son muy fáciles y económicos de crear en comparación con los sistemas físicos complejos, por lo que este tipo de simulación electrónica analógica se utilizó ampliamente en la investigación y el desarrollo de sistemas mecánicos. Sin embargo, para una simulación realista, estos primeros ordenadores necesitaban circuitos amplificadores de alta precisión y fácil configuración.

Ventaja del diferencial sobre el amplificador de un solo extremo

En el curso del diseño de computadoras analógicas se descubrió que los amplificadores diferenciales con ganancias de voltaje extremadamente altas cumplían estos requisitos de precisión y configurabilidad mejor que los amplificadores de un solo extremo con ganancias diseñadas a la medida. Usando componentes simples conectados a las entradas y salidas del amplificador diferencial de alta ganancia, virtualmente cualquier ganancia y cualquier función podría obtenerse del circuito, en general, sin ajustar o modificar los circuitos internos del amplificador en sí. Estos amplificadores diferenciales de alta ganancia se conocieron como amplificadores operacionales , o amplificadores operacionales, debido a su aplicación en operaciones matemáticas de computadoras analógicas.

Algunas características de los amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales modernos, como el popular modelo 741, son circuitos integrados económicos y de alto rendimiento. Sus impedancias de entrada son bastante altas, las entradas dibujan corrientes en el rango de medio microamperio (máximo) para el 741, y mucho menos para amplificadores operacionales que utilizan transistores de entrada de efecto de campo. La impedancia de salida suele ser bastante baja, alrededor de 75 Ω para el modelo 741, y muchos modelos tienen protección contra cortocircuitos de salida incorporada, lo que significa que sus salidas pueden cortocircuitarse directamente a tierra sin dañar los circuitos internos. Con el acoplamiento directo entre las etapas de transistores internos de los amplificadores operacionales, pueden amplificar las señales de CC tan bien como las de CA (hasta ciertos límites de tiempo de aumento de voltaje máximo). Costaría mucho más en dinero y tiempo diseñar un circuito amplificador de transistor discreto comparable para igualar ese tipo de rendimiento, a menos que se requiera una capacidad de alta potencia. Por estas razones, los amplificadores operacionales tienen amplificadores de señal de transistores discretos obsoletos en muchas aplicaciones.

El siguiente diagrama muestra las conexiones de clavijas para amplificadores operacionales individuales (741 incluido) cuando se encuentran en un DIP de 8 clavijas ( D ual I en línea P ackage) circuito integrado:

Algunos modelos de amplificador operacional vienen dos en un paquete, incluidos los modelos populares TL082 y 1458. Se denominan unidades "duales" y, por lo general, también se encuentran en un paquete DIP de 8 pines, con las siguientes conexiones de pines:

Los amplificadores operacionales también están disponibles cuatro por paquete, generalmente en arreglos DIP de 14 pines. Desafortunadamente, las asignaciones de pines no son tan estándar para estos amplificadores operacionales "cuádruples" como lo son para las unidades "duales" o individuales. Consulte las hojas de datos del fabricante para obtener más detalles.

Las ganancias de voltaje del amplificador operacional práctico están en el rango de 200,000 o más, lo que los hace casi inútiles como un amplificador diferencial analógico por sí mismos. Para un amplificador operacional con una ganancia de voltaje (A _V ) de 200.000 y una oscilación máxima de voltaje de salida de + 15V / -15V, ¡todo lo que se necesitaría es un voltaje de entrada diferencial de 75 µV (microvoltios) para conducirlo a saturación o corte! Antes de echar un vistazo a cómo se utilizan los componentes externos para reducir la ganancia a un nivel razonable, investiguemos las aplicaciones para el amplificador operacional "básico" por sí mismo.

Comparador

Una aplicación se llama comparador . Para todos los propósitos prácticos, podemos decir que la salida de un amplificador operacional estará saturada completamente positiva si la entrada (+) es más positiva que la entrada (-), y saturada completamente negativa si la entrada (+) es menos positiva. que la entrada (-). En otras palabras, la ganancia de voltaje extremadamente alta de un amplificador operacional lo hace útil como dispositivo para comparar dos voltajes y cambiar los estados de voltaje de salida cuando una entrada supera a la otra en magnitud.

En el circuito anterior, tenemos un amplificador operacional conectado como comparador, comparando el voltaje de entrada con un voltaje de referencia establecido por el potenciómetro (R ₁ ). Si V _en cae por debajo del voltaje establecido por R ₁ , la salida del amplificador operacional se saturará a + V, iluminando así el LED. De lo contrario, si V _en está por encima del voltaje de referencia, el LED permanecerá apagado. Si Vin es una señal de voltaje producida por un instrumento de medición, este circuito comparador podría funcionar como una alarma "baja", con el punto de disparo establecido por R ₁ . En lugar de un LED, la salida del amplificador operacional podría activar un relé, un transistor, un SCR o cualquier otro dispositivo capaz de cambiar la energía a una carga, como una válvula solenoide, para actuar en caso de una alarma baja.

Convertidor de onda cuadrada

Otra aplicación para el circuito comparador que se muestra es un convertidor de onda cuadrada. Suponga que el voltaje de entrada aplicado a la entrada inversora (-) fuera una onda sinusoidal de CA en lugar de un voltaje de CC estable. En ese caso, el voltaje de salida cambiaría entre estados opuestos de saturación siempre que el voltaje de entrada fuera igual al voltaje de referencia producido por el potenciómetro. El resultado sería una onda cuadrada:

Los ajustes a la configuración del potenciómetro cambiarían el voltaje de referencia aplicado a la entrada no inversora (+), que cambiaría los puntos en los que se cruzaría la onda sinusoidal, cambiando los tiempos de encendido / apagado, o ciclo de trabajo de la onda cuadrada:

Debería ser evidente que el voltaje de entrada de CA no tendría que ser una onda sinusoidal en particular para que este circuito realice la misma función. El voltaje de entrada podría ser una onda triangular, una onda de diente de sierra o cualquier otro tipo de onda que pase suavemente de positivo a negativo y a positivo nuevamente. Este tipo de circuito comparador es muy útil para crear ondas cuadradas de ciclo de trabajo variable. Esta técnica a veces se denomina modulación por ancho de pulso o PWM (variando o modulando una forma de onda según una señal de control, en este caso la señal producida por el potenciómetro).

Controlador de gráfico de barras

Otra aplicación de comparación es la del controlador de gráfico de barras. Si tuviéramos varios amplificadores operacionales conectados como comparadores, cada uno con su propio voltaje de referencia conectado a la entrada inversora, pero cada uno monitoreando la misma señal de voltaje en sus entradas no inversoras, podríamos construir un medidor estilo gráfico de barras como el que comúnmente se usa. visto en la cara de los sintonizadores estéreo y ecualizadores gráficos. A medida que aumentaba el voltaje de la señal (que representa la intensidad de la señal de radio o el nivel de sonido del audio), cada comparador se "enciende" en secuencia y envía energía a su respectivo LED. Con cada comparador encendiéndose a un nivel diferente de sonido de audio, la cantidad de LED iluminados indicaría qué tan fuerte era la señal.

En el circuito que se muestra arriba, el LED1 sería el primero en encenderse a medida que aumenta el voltaje de entrada en una dirección positiva. A medida que el voltaje de entrada continuaba aumentando, los otros LED se iluminarían sucesivamente hasta que todos estuvieran encendidos.

Esta misma tecnología se utiliza en algunos convertidores de señal de analógico a digital, a saber, el convertidor flash , para traducir una cantidad de señal analógica en una serie de voltajes de encendido / apagado que representan un número digital.

REVISAR:

• Una forma de triángulo es el símbolo genérico de un circuito amplificador, el extremo ancho significa la entrada y el extremo estrecho significa la salida.
• A menos que se especifique lo contrario, todos los voltajes en los circuitos amplificadores están referenciados a una tierra común punto, generalmente conectado a un terminal de la fuente de alimentación. De esta manera, podemos hablar de una cierta cantidad de voltaje "en" un solo cable, mientras nos damos cuenta de que el voltaje siempre se mide entre dos puntos.
• Un amplificador diferencial es uno que amplifica la diferencia de voltaje entre dos entradas de señal. En tal circuito, una entrada tiende a conducir el voltaje de salida a la misma polaridad de la señal de entrada, mientras que la otra entrada hace todo lo contrario. En consecuencia, la primera entrada se denomina no inversora (+) entrada y la segunda se llama inversión (-) entrada.
• Un amplificador operacional (o amplificador operacional para abreviar) es un amplificador diferencial con una ganancia de voltaje extremadamente alta (A _V =200.000 o más). Su nombre proviene de su uso original en circuitos de computadora analógicos (realizar operaciones matemáticas).
• Los amplificadores operacionales suelen tener impedancias de entrada muy altas e impedancias de salida bastante bajas.
• A veces, los amplificadores operacionales se utilizan como comparadores de señales , operando en modo de saturación o corte total dependiendo de qué entrada (inversora o no inversora) tiene el mayor voltaje. Los comparadores son útiles para detectar condiciones de señal "mayor que" (comparando una con otra).
• Una aplicación de comparación se llama modulador de ancho de pulso , y se realiza comparando una señal de CA de onda sinusoidal con un voltaje de referencia de CC. A medida que se ajusta el voltaje de referencia de CC, la salida de onda cuadrada del comparador cambia su ciclo de trabajo (tiempos positivos versus negativos). Por lo tanto, el voltaje de referencia de CC controla o modula el ancho de pulso del voltaje de salida.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de amplificadores operacionales básicos