Aplicaciones del amplificador operacional

Este artículo ilustra algunas aplicaciones típicas de amplificadores operacionales . El circuito equivalente de un amplificador operacional no ideal tiene una impedancia de entrada finita, una impedancia de salida distinta de cero y una ganancia finita. Un amplificador operacional real tiene una serie de características no ideales como se muestra en el diagrama ^{[ aclaración necesaria ]} , pero aquí se utiliza una notación esquemática simplificada, no se muestran muchos detalles como la selección de dispositivos y las conexiones de la fuente de alimentación. Los amplificadores operacionales están optimizados para su uso con retroalimentación negativa , y este artículo analiza solo aplicaciones de retroalimentación negativa. Cuando se requiere retroalimentación positiva, generalmente es más apropiado un comparador . Consulte Aplicaciones del comparador para obtener más información.

Consideraciones prácticas

Requisitos de parámetros de los amplificadores operacionales

Para que un dispositivo en particular pueda utilizarse en una aplicación, debe cumplir ciertos requisitos. El amplificador operacional debe

• tienen una gran ganancia de señal de bucle abierto (se obtiene una ganancia de voltaje de 200.000 en los primeros ejemplos de circuitos integrados), y
• tienen una impedancia de entrada grande con respecto a los valores presentes en la red de retroalimentación.

Una vez satisfechos estos requisitos, el amplificador operacional se considera ideal y se puede utilizar el método de tierra virtual para comprender de manera rápida e intuitiva el "comportamiento" de cualquiera de los circuitos de amplificador operacional a continuación.

Especificación del componente

Las resistencias que se utilizan en circuitos prácticos de amplificadores operacionales de estado sólido suelen estar en el rango de kΩ. Las resistencias mucho mayores que 1 MΩ causan un ruido térmico excesivo y hacen que el funcionamiento del circuito sea susceptible a errores significativos debido a corrientes de polarización o de fuga.

Corrientes de polarización de entrada y compensación de entrada

Los amplificadores operacionales prácticos consumen una pequeña corriente de cada una de sus entradas debido a los requisitos de polarización (en el caso de entradas basadas en transistores de unión bipolar) o fugas (en el caso de entradas basadas en MOSFET).

Estas corrientes fluyen a través de las resistencias conectadas a las entradas y producen pequeñas caídas de tensión a través de dichas resistencias. El diseño adecuado de la red de retroalimentación puede aliviar los problemas asociados con las corrientes de polarización de entrada y la ganancia en modo común, como se explica a continuación. La regla heurística es garantizar que la impedancia que "mira hacia afuera" de cada terminal de entrada sea idéntica.

En la medida en que las corrientes de polarización de entrada no coincidan, habrá una tensión de compensación de entrada efectiva presente, lo que puede provocar problemas en el rendimiento del circuito. Muchas ofertas comerciales de amplificadores operacionales proporcionan un método para sintonizar el amplificador operacional para equilibrar las entradas (por ejemplo, pines de "desplazamiento nulo" o "equilibrio" que pueden interactuar con una fuente de tensión externa conectada a un potenciómetro). Alternativamente, se puede agregar una tensión externa ajustable a una de las entradas para equilibrar el efecto de compensación. En los casos en que un diseño requiere que una entrada esté cortocircuitada a tierra, ese cortocircuito se puede reemplazar con una resistencia variable que se puede sintonizar para mitigar el problema de compensación.

Los amplificadores operacionales que utilizan etapas de entrada basadas en MOSFET tienen corrientes de fuga de entrada que serán, en muchos diseños, insignificantes.

Efectos de la fuente de alimentación

Aunque las fuentes de alimentación no están indicadas en los diseños de amplificadores operacionales (simplificados) que aparecen a continuación, están presentes y pueden ser fundamentales en el diseño de circuitos de amplificadores operacionales.

Ruido de suministro

Las imperfecciones de la fuente de alimentación (por ejemplo, ondulación de la señal de alimentación, impedancia de fuente distinta de cero) pueden provocar desviaciones notables del comportamiento ideal del amplificador operacional. Por ejemplo, los amplificadores operacionales tienen una relación de rechazo de la fuente de alimentación especificada que indica qué tan bien la salida puede rechazar las señales que aparecen en las entradas de la fuente de alimentación. Las entradas de la fuente de alimentación suelen ser ruidosas en los diseños grandes porque la fuente de alimentación es utilizada por casi todos los componentes del diseño y los efectos de inductancia impiden que la corriente se entregue instantáneamente a todos los componentes a la vez. Como consecuencia, cuando un componente requiere grandes inyecciones de corriente (por ejemplo, un componente digital que cambia con frecuencia de un estado a otro), los componentes cercanos pueden experimentar caídas en su conexión a la fuente de alimentación. Este problema se puede mitigar con el uso adecuado de condensadores de derivación conectados a través de cada pin de la fuente de alimentación y tierra. Cuando un componente requiere ráfagas de corriente, el componente puede pasar por alto la fuente de alimentación al recibir la corriente directamente del condensador cercano (que luego se recarga lentamente mediante la fuente de alimentación).

Uso de corrientes de alimentación en la ruta de la señal

Además, la corriente que entra al amplificador operacional desde la fuente de alimentación se puede utilizar como entrada a circuitos externos que aumentan las capacidades del amplificador operacional. Por ejemplo, un amplificador operacional puede no ser adecuado para una aplicación particular de alta ganancia porque su salida tendría que generar señales fuera del rango seguro generado por el amplificador. En este caso, un amplificador push-pull externo se puede controlar mediante la corriente que entra y sale del amplificador operacional. Por lo tanto, el amplificador operacional puede funcionar dentro de los límites especificados de fábrica y, al mismo tiempo, permitir que la ruta de retroalimentación negativa incluya una señal de salida grande que se encuentre muy fuera de esos límites. ^[1]

Amplificadores

El primer ejemplo es el amplificador diferencial, del cual se pueden derivar muchas de las otras aplicaciones, incluyendo el amplificador inversor, no inversor y sumador , el seguidor de tensión, el integrador, el diferenciador y el girador.

Amplificador diferencial (amplificador diferencial)

Amplifica la diferencia de voltaje entre sus entradas.

El nombre "amplificador diferencial" no debe confundirse con el "diferenciador", que también aparece en esta página.

El "amplificador de instrumentación", que también se muestra en esta página, es una modificación del amplificador diferencial que también proporciona alta impedancia de entrada .

El circuito que se muestra calcula la diferencia de dos voltajes, multiplicada por un factor de ganancia. El voltaje de salida

${\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {\left(R_{\text{f}}+R_{1}\right)R_{\text{g}}}{\left(R_{\text{g}}+R_{2}\right)R_{1}}}V_{2}-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{1}=\left({\frac {R_{1}+R_{\text{f}}}{R_{1}}}\right)\cdot \left({\frac {R_{\text{g}}}{R_{\text{g}}+R_{2}}}\right)V_{2}-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{1}.}$

O, expresado como una función de la entrada de modo común V _com y la entrada diferencial V _dif :

${\displaystyle V_{\text{com}}=(V_{1}+V_{2})/2;V_{\text{dif}}=V_{2}-V_{1},}$

El voltaje de salida es

${\displaystyle V_{\text{out}}{\frac {R_{1}}{R_{\text{f}}}}=V_{\text{com}}{\frac {R_{1}/R_{\text{f}}-R_{2}/R_{\text{g}}}{1+R_{2}/R_{\text{g}}}}+V_{\text{dif}}{\frac {1+(R_{2}/R_{\text{g}}+R_{1}/R_{\text{f}})/2}{1+R_{2}/R_{\text{g}}}}.}$

Para que este circuito produzca una señal proporcional a la diferencia de voltaje de los terminales de entrada, el coeficiente del _término Vcom (la ganancia del modo común) debe ser cero, o

${\displaystyle R_{1}/R_{\text{f}}=R_{2}/R_{\text{g}}.}$

Con esta restricción ^{[nb 1]} en su lugar, la relación de rechazo de modo común de este circuito es infinitamente grande y la salida

${\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{\text{dif}}={\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}\left(V_{2}-V_{1}\right),}$

donde la expresión simple R _f / R ₁ representa la ganancia de lazo cerrado del amplificador diferencial.

El caso especial cuando la ganancia de bucle cerrado es la unidad es un seguidor diferencial, con

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{2}-V_{1}.}$

Amplificador inversor

Un amplificador inversor es un caso especial del amplificador diferencial en el que la entrada no inversora V ₂ de ese circuito está conectada a tierra, y la entrada inversora V ₁ se identifica con V _en la figura anterior. La ganancia de bucle cerrado es R _f / R _en , por lo tanto

${\displaystyle V_{\text{out}}=-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}V_{\text{in}}\!\,}$.

El circuito simplificado anterior es como el amplificador diferencial en el límite de R ₂ y R _g muy pequeños. En este caso, sin embargo, el circuito será susceptible a la deriva de la corriente de polarización de entrada debido al desajuste entre R _f y R _en .

Para ver intuitivamente la ecuación de ganancia anterior, calcule la corriente en R _en :

${\displaystyle i_{\text{in}}={\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{in}}}}}$

Entonces recordemos que esta misma corriente debe pasar por R _f , por lo tanto (porque V ₋ = V ₊ = 0):

${\displaystyle V_{\text{out}}=-i_{\text{in}}R_{\text{f}}=-V_{\text{in}}{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}}$

Una analogía mecánica es un balancín, con el nodo V _{− (entre} R _in y R _f ) como punto de apoyo, en el potencial de tierra. V _in está a una distancia R _in del punto de apoyo; V _out está a una distancia R _f . Cuando V _in desciende "por debajo del suelo", la salida V _out aumenta proporcionalmente para equilibrar el balancín, y viceversa . ^[2]

Como la entrada negativa del amplificador operacional actúa como tierra virtual, la impedancia de entrada de este circuito es igual a R _en .

Amplificador no inversor

Un amplificador no inversor es un caso especial del amplificador diferencial en el que la entrada inversora V ₁ de ese circuito está conectada a tierra, y la entrada no inversora V ₂ se identifica con V _en lo anterior, con R ₁ ≫ R ₂ . Con referencia al circuito inmediatamente anterior,

${\displaystyle V_{\text{out}}=\left(1+{\frac {R_{\text{2}}}{R_{\text{1}}}}\right)V_{\text{in}}\!\,}$.

Para ver intuitivamente esta ecuación de ganancia, utilice la técnica de tierra virtual para calcular la corriente en la resistencia R ₁ :

${\displaystyle i_{1}={\frac {V_{\text{in}}}{R_{1}}}\,,}$

Entonces recordemos que esta misma corriente debe pasar por R ₂ , por lo tanto:

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}+i_{1}R_{2}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)}$

A diferencia del amplificador inversor, un amplificador no inversor no puede tener una ganancia menor a 1.

Una analogía mecánica es una palanca de clase 2 , con un terminal de R ₁ como punto de apoyo, en potencial de tierra. V _in está a una distancia R ₁ desde el punto de apoyo; V _out está a una distancia R ₂ más allá. Cuando V _in asciende "por encima del suelo", la salida V _out aumenta proporcionalmente con la palanca.

La impedancia de entrada del amplificador no inversor simplificado es alta:

${\displaystyle Z_{\text{in}}=(1+A_{\text{OL}}B)Z_{\text{dif}}}$

donde Z _dif es la impedancia de entrada del amplificador operacional a señales diferenciales, y A _OL es la ganancia de voltaje de lazo abierto del amplificador operacional (que varía con la frecuencia), y B es el factor de retroalimentación (la fracción de la señal de salida que regresa a la entrada). ^{[3] [4]} En el caso del amplificador operacional ideal, con A _OL infinito y Z _dif infinito, la impedancia de entrada también es infinita. En este caso, sin embargo, el circuito será susceptible a la deriva de la corriente de polarización de entrada debido al desajuste entre las impedancias que impulsan las entradas V ₊ y V ₋ del amplificador operacional.

El bucle de retroalimentación disminuye de manera similar la impedancia de salida:

${\displaystyle Z_{\text{out}}={\frac {Z_{\text{OL}}}{1+A_{\text{OL}}B}}}$

donde Z _out es la impedancia de salida con retroalimentación y Z _OL es la impedancia de salida de lazo abierto. ^[4]

Seguidor de tensión (amplificador de búfer unitario)

Se utiliza como amplificador de búfer para eliminar los efectos de carga (por ejemplo, conectar un dispositivo con una impedancia de fuente alta a un dispositivo con una impedancia de entrada baja ).

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\!}$

${\displaystyle Z_{\text{in}}=\infty }$(de manera realista, la impedancia de entrada diferencial del propio amplificador operacional (1 MΩ a 1 TΩ), multiplicada por la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional)

Debido a la fuerte retroalimentación (es decir, ganancia unitaria ) y a ciertas características no ideales de los amplificadores operacionales reales, este sistema de retroalimentación es propenso a tener márgenes de estabilidad deficientes . En consecuencia, el sistema puede ser inestable cuando se conecta a cargas suficientemente capacitivas. En estos casos, se puede utilizar una red de compensación de retardo (por ejemplo, conectando la carga al seguidor de voltaje a través de una resistencia) para restablecer la estabilidad. La hoja de datos del fabricante del amplificador operacional puede proporcionar orientación para la selección de componentes en redes de compensación externa. Alternativamente, se puede elegir otro amplificador operacional que tenga una compensación interna más apropiada.

La impedancia de entrada y salida se ven afectadas por el bucle de retroalimentación de la misma manera que el amplificador no inversor, con B = 1. ^{[3] [4]}

Amplificador sumador

Un amplificador sumador produce el negativo de la suma de varios voltajes (ponderados):

${\displaystyle V_{\text{out}}=-R_{\text{f}}\left({\frac {V_{1}}{R_{1}}}+{\frac {V_{2}}{R_{2}}}+\cdots +{\frac {V_{n}}{R_{n}}}\right)}$

• Cuando , y independiente ${\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}}$ ${\displaystyle R_{\text{f}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!}$

• Cuando ${\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}=R_{\text{f}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=-(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!}$

• La impedancia de entrada de la entrada n es ( es una tierra virtual ) ${\displaystyle Z_{n}=R_{n}}$ ${\displaystyle V_{-}}$

Amplificador de instrumentación

Combina una impedancia de entrada muy alta , un alto rechazo de modo común , una baja compensación de CC y otras propiedades que se utilizan para realizar mediciones muy precisas y con bajo nivel de ruido.

• Se realiza agregando un buffer no inversor a cada entrada del amplificador diferencial para aumentar la impedancia de entrada.

Osciladores

Oscilador de puente de Viena

Produce una onda sinusoidal con muy baja distorsión . Utiliza compensación de temperatura negativa en forma de bombilla o diodo.

Filtros

Los amplificadores operacionales se pueden utilizar en la construcción de filtros activos , proporcionando funciones de paso alto, paso bajo, paso de banda, rechazo y retardo. La alta impedancia de entrada y la ganancia de un amplificador operacional permiten un cálculo sencillo de los valores de los elementos, lo que permite una implementación precisa de cualquier topología de filtro deseada con poca preocupación por los efectos de carga de las etapas en el filtro o de las etapas posteriores. Sin embargo, las frecuencias en las que se pueden implementar filtros activos son limitadas; cuando el comportamiento de los amplificadores se aleja significativamente del comportamiento ideal asumido en el diseño elemental de los filtros, el rendimiento del filtro se degrada.

Comparador

Si es necesario, se puede obligar a un amplificador operacional a actuar como comparador. La diferencia más pequeña entre los voltajes de entrada se amplifica enormemente, lo que hace que la salida oscile hasta casi igualar el voltaje de suministro. Sin embargo, suele ser mejor utilizar un comparador dedicado para este propósito, ya que su salida tiene una velocidad de respuesta más alta y puede llegar a cualquiera de los rieles de la fuente de alimentación. Algunos amplificadores operacionales tienen diodos de bloqueo en la entrada que impiden su uso como comparador. ^[5]

Integración y diferenciación

Integrador inversor

El integrador se utiliza principalmente en ordenadores analógicos , convertidores analógico-digitales y circuitos de modelado de ondas. Una versión sencilla es:

Suponiendo elementos ideales, integra la señal de entrada (multiplicada por ) durante un intervalo de tiempo de t ₀ a t ₁ , produciendo un voltaje de salida en el tiempo t = t ₁ de: ${\displaystyle -{\tfrac {1}{RC}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}(t_{1})=V_{\text{out}}(t_{0})-{\frac {1}{RC}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}V_{\text{in}}(t)\,dt,}$

donde V _out ( t ₀ ) es el voltaje inicial del capacitor en el tiempo t = t ₀ . En otras palabras, el voltaje de salida del circuito cambia durante el intervalo de tiempo en una cantidad proporcional a la integral temporal del voltaje de entrada:

${\displaystyle -{\frac {1}{RC}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}V_{\text{in}}(t)\,dt.}$

Este circuito puede verse como un filtro electrónico de paso bajo activo con un solo polo en CC (es decir, donde ). ${\displaystyle \omega =0}$

Su viabilidad se ve limitada por un problema importante: a menos que el condensador se descargue periódicamente, el voltaje de salida acabará saliendo del rango de funcionamiento del amplificador operacional. Esto puede deberse a una combinación de los siguientes factores:

• un componente de CC distinto de cero en la entrada V _en ,
• una corriente de polarización de entrada del amplificador operacional distinta de cero,
• un voltaje de compensación de entrada del amplificador operacional distinto de cero. ^[6]

El siguiente circuito ligeramente más complejo puede mejorar los dos segundos problemas y, en algunos casos, también el primero, pero tiene un ancho de banda de integración limitado:

Aquí, la resistencia de retroalimentación R _f proporciona una ruta de descarga para el capacitor C _f . La resistencia en serie R _n en la entrada no inversora alivia la corriente de polarización de entrada y los problemas de modo común, siempre que se configure en la resistencia paralela de R _i || R _f :

${\displaystyle R_{\text{n}}=R_{\text{i}}||R_{\text{f}}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{\text{i}}}}+{\frac {1}{R_{\text{f}}}}}}\,.}$

Integrador de amplificador operacional § El circuito práctico explica la deriva de salida que agrega un pequeño voltaje de error de CC finito:

${\displaystyle V_{\text{error}}=\left({\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{i}}}}+1\right)\left(V_{\text{OS}}+I_{\text{B-}}\left(R_{\text{f}}\parallel R_{\text{i}}\right)\right).}$

Debido a que el circuito es un filtro paso bajo de primer orden con una respuesta plana hasta su frecuencia de corte , solo funciona como integrador para frecuencias significativamente más altas que ese corte. ${\displaystyle {\tfrac {1}{2\pi C_{f}R_{f}}}}$

Diferenciador inversor

Suponiendo elementos ideales, este circuito diferencia la señal (multiplicada por ) a lo largo del tiempo: ${\displaystyle -RC}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=-RC{\frac {dV_{\text{in}}}{dt}},}$

donde y son funciones del tiempo. ${\displaystyle V_{\text{in}}}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

La función de transferencia del diferenciador inversor tiene un único cero en el origen (es decir, donde la frecuencia angular es ). Las características de paso alto de un amplificador diferenciador pueden generar problemas de estabilidad cuando el circuito se utiliza en un bucle servo analógico (por ejemplo, en un controlador PID con una ganancia derivada significativa). En particular, como lo demostraría un análisis del lugar de las raíces , el aumento de la ganancia de retroalimentación impulsará un polo de bucle cerrado hacia la estabilidad marginal en el cero de CC introducido por el diferenciador. ${\displaystyle \omega =0}$

Elementos sintéticos

Girador de inductancia

Simula un inductor (es decir, proporciona inductancia sin el uso de un inductor posiblemente costoso). El circuito aprovecha el hecho de que la corriente que fluye a través de un condensador se comporta a través del tiempo como el voltaje a través de un inductor. El condensador utilizado en este circuito es geométricamente más pequeño que el inductor que simula, y su capacitancia está menos sujeta a cambios en el valor debido a cambios ambientales. Las aplicaciones en las que este circuito puede ser superior a un inductor físico son la simulación de una inductancia variable o la simulación de una inductancia muy grande.

Este circuito es de uso limitado en aplicaciones que dependen de la propiedad de fuerza contraelectromotriz de un inductor, ya que este efecto estará limitado en un circuito giratorio a los suministros de voltaje del amplificador operacional.

Convertidor de impedancia negativa (NIC)

Crea una resistencia que tiene un valor negativo para cualquier generador de señales.

En este caso, la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada (y por lo tanto la resistencia de entrada) viene dada por

${\displaystyle R_{\text{in}}=-R_{3}{\frac {R_{1}}{R_{2}}}.}$

En general, los componentes , , y no necesitan ser resistencias; pueden ser cualquier componente que pueda describirse con una impedancia . ${\displaystyle R_{1}}$ ${\displaystyle R_{2}}$ ${\displaystyle R_{3}}$

No lineal

Rectificador de precisión

La caída de tensión V _F en el diodo polarizado directamente en el circuito de un rectificador pasivo no es deseable. En esta versión activa, el problema se resuelve conectando el diodo en el bucle de retroalimentación negativa. El amplificador operacional compara la tensión de salida en la carga con la tensión de entrada y aumenta su propia tensión de salida con el valor de V _F . Como resultado, la caída de tensión V _F se compensa y el circuito se comporta casi como un ( super ) diodo ideal con V _F = 0 V.

El circuito tiene limitaciones de velocidad a alta frecuencia debido a la retroalimentación negativa lenta y a la baja velocidad de respuesta de muchos amplificadores operacionales no ideales.

Salida exponencial

La ecuación del diodo Shockley proporciona la relación corriente-voltaje para un diodo semiconductor ideal :

${\displaystyle I_{\text{D}}=I_{\text{S}}\left(e^{\frac {V_{\text{D}}}{V_{\text{T}}}}-1\right),}$

donde es la corriente de saturación , es el voltaje directo a través del diodo y es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a temperatura ambiente). Cuando la corriente del diodo es aproximadamente proporcional a una función exponencial : ${\displaystyle I_{\text{S}}}$ ${\displaystyle V_{\text{D}}}$ ${\displaystyle V_{\text{T}}}$ ${\displaystyle V_{\text{D}}\gg V_{\text{T}},}$

${\displaystyle I_{\text{D}}\simeq I_{\text{S}}e^{\frac {V_{\text{D}}}{V_{\text{T}}}}.}$

La entrada inversora del amplificador operacional está prácticamente conectada a tierra y, en condiciones ideales, no consume corriente. Por lo tanto, el voltaje de salida será:

${\displaystyle V_{\text{out}}=-RI_{\text{D}}.}$

Por tanto, la tensión de salida es aproximadamente una función exponencial de la tensión de entrada : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle V_{\text{in}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}\simeq -RI_{\text{S}}e^{\frac {V_{\text{in}}}{V_{\text{T}}}}\,.}$

Esta implementación no considera la estabilidad de la temperatura ni otros efectos no ideales.

Salida logarítmica

Dado que el logaritmo es la función inversa de la exponenciación, el circuito de salida exponencial descrito anteriormente se puede reorganizar intercambiando el diodo en la ruta de retroalimentación del amplificador operacional para formar un amplificador logarítmico :

Dado que la entrada inversora del amplificador operacional está virtualmente conectada a tierra e idealmente no consume corriente, y la corriente que fluye desde la fuente a través de la resistencia y el diodo es: ${\displaystyle V_{\text{out}}{=}V_{\text{D}}}$

${\displaystyle {\frac {V_{\text{in}}}{R}}=I_{\text{R}}=I_{\text{D}},}$

¿Dónde está la corriente a través del diodo, que como se describió anteriormente es aproximadamente: ${\displaystyle I_{\text{D}}}$

${\displaystyle I_{\text{D}}\simeq I_{\text{S}}e^{\frac {V_{\text{D}}}{V_{\text{T}}}}.}$

Al resolver se obtiene una relación aproximadamente logarítmica entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle V_{\text{in}}}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}\simeq -V_{\text{T}}\ln \left({\frac {V_{\text{in}}}{I_{\text{S}}R}}\right)\,.}$

Esta implementación no considera la estabilidad de la temperatura ni otros efectos no ideales.

Salida lineal por partes

Las funciones lineales por partes pueden aproximarse a las funciones no lineales como una serie de segmentos de línea conectados . Los circuitos de compresión de ganancia (como los de seno o raíz cuadrada ) utilizan diodos o transistores para cambiar entre segmentos de línea con pendientes determinadas por redes divisoras de voltaje resistivas . Se pueden construir circuitos de expansión utilizando un circuito de compresión como retroalimentación de un amplificador operacional. ^[7]

Compresión compensada por temperatura

Función de compresión de tres segmentos con compensación de temperatura

El esquema mostrado para una "función de compresión de tres segmentos con compensación de temperatura" ^{[8] [9]} produce una función de transferencia de compresión de ganancia donde cada segmento de línea subsiguiente reduce la pendiente de la función de transferencia. Para señales pequeñas, los transistores Q2 y Q3 producen muy poca corriente de base, y por lo tanto la ganancia del circuito está determinada simplemente por la resistencia de retroalimentación de R2 dividida por la resistencia de entrada de R1. Una vez que el voltaje de salida excede alrededor de 2 V (cuyo voltaje exacto depende de R3 y R4 y la fuente de -15 V), entonces Q3 se satura, por lo que la resistencia de retroalimentación del circuito está determinada por R4 en paralelo con R2, reduciendo la ganancia. A medida que el voltaje de salida aumenta más, Q2 se saturará, por lo que la ganancia del circuito se reduce nuevamente por la inclusión adicional de R6 en la resistencia de retroalimentación paralela. Los transistores de compensación de temperatura Q4 y Q1 cancelan la caída de voltaje directo de la unión p-n base-emisor dependiente de la temperatura de Q3 y Q2. Se pueden agregar segmentos lineales adicionales utilizando copias adicionales de las cadenas de resistencia-transistor-resistencia (como la cadena R5, Q2, R6 o la cadena R3, Q3, R4 pero con valores diferentes) de manera similar para comprimir aún más la entrada. La función de compresión de este circuito solo funciona para entradas negativas. El diodo D1 fuerza la salida a cero si se aplica una entrada positiva.

Otras aplicaciones

• Preamplificadores y buffers de audio y video
• filtros
• regulador de voltaje y regulador de corriente
• convertidor analógico a digital
• convertidor digital a analógico
• pinza de voltaje
• Osciladores y generadores de formas de onda
• Ordenador analógico
• Multiplicador de capacitancia
• Amplificador de carga

Véase también

• Amplificador operacional de realimentación de corriente
• Compensación de frecuencia
• Amplificador operacional
• Amplificador de transconductancia operacional
• Amplificador de transimpedancia

Notas

1. Si piensa en el lado izquierdo de la relación como la ganancia de bucle cerrado de la entrada inversora y el lado derecho como la ganancia de la entrada no inversora, entonces hacer coincidir estas dos cantidades proporciona una salida insensible al voltaje de modo común de y . ${\displaystyle V_{1}}$ ${\displaystyle V_{2}}$

Referencias

1. Paul Horowitz y Winfield Hill, El arte de la electrónica . 2.ª ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN  0-521-37095-7
2. Teoría electrónica básica, Delton T. Horn, 4.ª ed. McGraw-Hill Professional, 1994, págs. 342–343.
3. "Beneficios de la retroalimentación negativa". HyperPhysics . Consultado el 7 de mayo de 2018 .
4. Simpson, Robert E. (1987). "7.2 Retroalimentación de voltaje negativo". Introducción a la electrónica para científicos e ingenieros (2.ª ed.). Boston: Allyn and Bacon. pág. 291. ISBN 0205083773. OCLC  13821010. La impedancia de entrada de un amplificador sin retroalimentación negativa aumenta al agregar retroalimentación negativa. .. .. la impedancia de salida .. disminuye .. ${\displaystyle Z_{\mathrm {inf} }=(1+A_{0}B)Z_{\mathrm {ino} }}$ ${\displaystyle Z_{\mathrm {outf} }=Z_{\mathrm {out} }/(1+A_{0}B)}$
5. "Amplificadores operacionales utilizados como comparadores: ¿es correcto? - Señal - Archivos - Foros de soporte de TI E2E".
6. "AN1177 Op-Amp Precision Design: DC Errors" (PDF) . Microchip. 2 de enero de 2008. Archivado (PDF) desde el original el 2019-07-09 . Consultado el 26 de diciembre de 2012 .
7. Kuhn, Kenneth A. (24 de marzo de 2004). "Circuitos lineales por partes" (PDF) .
8. "Amplificador operacional monolítico AN-4: el componente lineal universal" (PDF) . Texas Instruments . Abril de 1968.
9. "Nota de aplicación 31 de National Semiconductor" (PDF) . Septiembre de 2002.

Lectura adicional

Enlaces externos

• "Colección de circuitos de amplificador operacional con fuente de alimentación única" (PDF) . (163  KiB )
• "Colección de circuitos de amplificadores operacionales" (PDF) . (2980  KiB )
• "Una colección de aplicaciones de amplificadores" (PDF) . (1,06  MiB )  – Nota de aplicación de Analog Devices
• "Aplicaciones básicas de amplificadores operacionales" (PDF) . (173  KiB )
• "Manual de aplicaciones del amplificador operacional" (PDF) . (2,00  MiB )  – Nota de aplicación de Texas Instruments
• Detección de corriente de lado bajo mediante amplificadores operacionales Archivado el 8 de abril de 2009 en Wayback Machine
• "Generadores logarítmicos/antilogarítmicos, generadores cúbicos, amplificadores de multiplicación/división" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2008-05-09. (165  KiB )
• Ganancia variable logarítmicamente a partir de un componente variable lineal
• Transformaciones de impedancia y admitancia utilizando amplificadores operacionales por DH Sheingold
• Técnicas de amplificadores de alta velocidad muy prácticas y legibles, con fotografías y formas de onda reales
• Terminación adecuada de un amplificador operacional no utilizado