El amplificador operacional, denominado amplificador operacional, es un amplificador de voltaje de alta ganancia con acoplamiento de CC, entrada de modo diferencial (modo diferencial) y, generalmente, salida de un solo extremo. Un amplificador operacional puede producir un potencial de salida (con respecto a tierra) que es cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial en los terminales de entrada. Recibió su nombre porque al principio se usaba principalmente en circuitos aritméticos analógicos, como la suma y la resta.

1. Principio de funcionamiento del amplificador operacional.

La entrada diferencial del amplificador operacional incluye un voltaje de entrada no inversor y un voltaje de entrada inversor. Un amplificador operacional ideal solo amplifica la diferencia entre los dos voltajes. Este es el llamado voltaje de entrada en modo diferencial. El voltaje de salida del amplificador operacional está dado por:

Vsalida=(V+ - V-)*Ado

Ado: la ganancia diferencial de bucle abierto del amplificador operacional.

2. Amplificador operacional ideal

Un amplificador operacional ideal generalmente debería tener las siguientes características:

① Gran ganancia de bucle abierto (Ado = +∞): una propiedad importante del amplificador operacional ideal es que en el estado de bucle abierto, la señal diferencial en el extremo de entrada tiene una ganancia de voltaje infinita. Esta característica hace que el amplificador operacional sea muy adecuado. Para aplicaciones prácticas. Además de configuración de retroalimentación negativa.

②Impedancia de entrada infinita (Zin/Rin = ∞): el terminal de entrada del amplificador operacional ideal no permite que fluya corriente. Es decir, las señales de corriente en los puntos finales V+ y V- en la figura anterior son siempre cero, es decir, la impedancia de entrada es infinita.

③Voltaje de compensación de entrada cero

④Ancho de banda infinito (BW=∞) con cambio de fase cero y velocidad de respuesta infinita: un amplificador operacional ideal amplificará la señal de entrada de cualquier frecuencia con la misma ganancia diferencial, que no cambia debido a los cambios en la frecuencia de la señal.

⑤Impedancia de salida cero (Zout/Rout = ∞): El extremo de salida de un amplificador operacional ideal es una fuente de voltaje perfecta No importa cómo cambie la corriente que fluye hacia la carga del amplificador, el voltaje de salida del amplificador siempre es un valor determinado, es decir. es decir, la impedancia de salida es cero.

⑥Cero ruido

⑦Relación de rechazo de modo común infinito (CMRR = ∞): el amplificador operacional ideal solo puede responder a la diferencia de voltaje entre los dos puntos finales de V+ y V-, es decir, solo amplifica la parte (V+ - V-). La parte idéntica de las dos señales de entrada (es decir, la señal de modo común) se ignorará por completo.

⑧Relación de rechazo de voltaje de fuente de alimentación infinita

Ninguna de estas idealizaciones puede realizarse plenamente. Se pueden utilizar resistencias y condensadores equivalentes en modelos de amplificadores operacionales para simular los parámetros no infinitos o distintos de cero de un amplificador operacional real. Esto permite al diseñador tener en cuenta estos efectos en el rendimiento general del circuito final. Algunos parámetros pueden tener un impacto insignificante en el diseño final, pero se deben calcular otros parámetros que realmente controlan el desempeño final.

3. Diseños de aplicaciones comunes

(1) Amplificador inversor de circuito cerrado

La imagen de arriba es el circuito de un amplificador inversor de circuito cerrado. Suponiendo que este amplificador de circuito cerrado utiliza un amplificador operacional ideal, debido a que su ganancia de circuito abierto es infinita, los dos terminales de entrada del amplificador operacional son tierra virtual. Y como la impedancia de entrada es infinita, la corriente de Vin a V- es igual a la corriente de V- a Vout, entonces:

(2) Amplificador de bucle cerrado de fase positiva

La imagen de arriba es el circuito de un amplificador de circuito cerrado de fase positiva. La retroalimentación negativa determina la ganancia de circuito cerrado Acl=Vout/Vin a través de las resistencias divisorias de voltaje Rf y Rg. El equilibrio se establecerá cuando Vout sea suficiente para hacer que el voltaje del terminal inversor sea igual a Vin. Por lo tanto, la ganancia de voltaje de todo el circuito es 1+Rf/Rg. La fórmula del voltaje de salida es:

(3) sumador

La imagen de arriba es un circuito sumador. En las condiciones de un amplificador operacional ideal, debido a que la impedancia de entrada es infinita, las corrientes que fluyen a través de R1 y R2 son iguales y, de manera similar, las corrientes que fluyen a través de R3 y R4 también son iguales. Luego están:

(4) Circuito integrador

La imagen de arriba es un circuito integrador. En condiciones ideales de amplificador operacional, la ganancia de bucle abierto es infinita y el voltaje en el terminal de entrada inversor es igual al terminal no inversor. Debido a que la impedancia de entrada es infinita, la corriente a través de R1 es igual a la corriente a través de C1.

El voltaje de salida es proporcional a la integral del voltaje de entrada en el tiempo. Este es un circuito integrador.

(5) Circuito diferencial

La imagen de arriba es un circuito diferenciador. En condiciones ideales de amplificador operacional, la ganancia de bucle abierto es infinita y el voltaje en el terminal de entrada inversor es igual al terminal no inversor. Debido a que la impedancia de entrada es infinita, la corriente a través de R1 es igual a la corriente a través de C1.

Si V1 es una tensión continua súbitamente añadida, la salida Vout corresponde a un impulso en dirección opuesta a V1.