7.- Amplificadores operacionales
7.1.-. Introducción a los Circuitos Integrados. 7.1.-. Introducción a los Circuitos Integrados.
El circuito integrado (CI) o chip, es una pieza de plástico generalmente de color negro que internamente El circuito integrado (CI) o chip, es una pieza de plástico generalmente de color negro que internamente contiene muchos componentes electrónicos. Durante la década pasada a cambiado su uso por completo, contiene muchos componentes electrónicos. Durante la década pasada a cambiado su uso por completo, haciéndolo cada vez más pequeño, más económico y con mayores funciones. En la actualidad haciéndolo cada vez más pequeño, más económico y con mayores funciones. En la actualidad transistores, diodos, resistencias y capacitores microscópicos forman una sola pieza de silicio. transistores, diodos, resistencias y capacitores microscópicos forman una sola pieza de silicio. Internamente el CI contiene miles de transistores y resistencias de otros componentes que están Internamente el CI contiene miles de transistores y resistencias de otros componentes que están diseñados en una oblea, del tamaño de un lunar la cual se instala en la parte de en medio de los CI, tal diseñados en una oblea, del tamaño de un lunar la cual se instala en la parte de en medio de los CI, tal como se ilustra a continuación:
como se ilustra a continuación:
Los CI’s
Los CI’s son casi de uso exclusivo en muchos dispositivos digitales como cronómetros, relojes,son casi de uso exclusivo en muchos dispositivos digitales como cronómetros, relojes, microcomputadoras, juegos y calculadoras. También se emplea en equipos analógicos modernos como microcomputadoras, juegos y calculadoras. También se emplea en equipos analógicos modernos como son amplificadores de audio y receptores de TV.
son amplificadores de audio y receptores de TV.
Los CI’s rara vez s
Los CI’s rara vez se reparan, ya que en la actualidad es más fácil y económico reemplazar la tarjetae reparan, ya que en la actualidad es más fácil y económico reemplazar la tarjeta completa que ponerse a reparar un CI.
completa que ponerse a reparar un CI.
En la actualidad existen 3 tipos de CI’s comercialmente: En la actualidad existen 3 tipos de CI’s comercialmente:
1)
1) CI monolítico: CI monolítico: Es cuando los Es cuando los componentes forman parte de componentes forman parte de una oblea tipo una oblea tipo P o tipo P o tipo N.N. 2)
2) CI de película delgada o CI de película delgada o gruesa: Es cuando los gruesa: Es cuando los componentes electrónicos se componentes electrónicos se forman sobre unforman sobre un sustrato de cerámica o vidrio lo cual forma una película aislante.
sustrato de cerámica o vidrio lo cual forma una película aislante. 3)
3) CI hibrido: CI hibrido: En estEn este tipoe tipo de CI’s se combinan las características de los CI’s monolíticos y los dede CI’s se combinan las características de los CI’s monolíticos y los de
película delgada o gruesa. película delgada o gruesa.
Ahora en cuanto su función, los CI´s se clasifican en dos grandes grupos: Ahora en cuanto su función, los CI´s se clasifican en dos grandes grupos:
CI’s digitalesCI’s digitales:: Que procesan señales digitales y están constituidos por circuitos de pulsos. UnaQue procesan señales digitales y están constituidos por circuitos de pulsos. Una
señal digital es aquella que tiene 2 niveles discretos de voltajes, algunas veces indicados como 1 señal digital es aquella que tiene 2 niveles discretos de voltajes, algunas veces indicados como 1 lógico (+ 5Vcd) y 0 lógico (0
lógico (+ 5Vcd) y 0 lógico (0 Vcd o tierra). Su voltaje de alimentación es Vcd o tierra). Su voltaje de alimentación es de +3 a +15 Vcd.de +3 a +15 Vcd.
Ejemplo de un circuito digital: Ejemplo de un circuito digital:
CI’s lineales o analógicosCI’s lineales o analógicos:: QueQue sirven para procesar señales analógicas. Una señal analógicasirven para procesar señales analógicas. Una señal analógica
es aquella que varia en forma continua en proporción a su entrada. Las pastillas de
es aquella que varia en forma continua en proporción a su entrada. Las pastillas de CI’s linealesCI’s lineales
contienen varios circuitos amplificadores para señales de amplitud de frecuencia o contienen varios circuitos amplificadores para señales de amplitud de frecuencia o radiofrecuencia. Su voltaje de alimentación oscila entre
radiofrecuencia. Su voltaje de alimentación oscila entre +15 a +40 Vcd.+15 a +40 Vcd. Ejemplo de un circuito analógico:
Una diferencia entre los
Una diferencia entre losCI’s digitales y los CI’s analógicosCI’s digitales y los CI’s analógicos es que los digitales maneja 0 y 1 y su niveles que los digitales maneja 0 y 1 y su nivel de control es estable, y los analógicos manejan voltajes y su nivel de control no es estable. Mientras que de control es estable, y los analógicos manejan voltajes y su nivel de control no es estable. Mientras que para los CI´s digitales únicamente existen 2 valores posibles (el 1 o 0), para los CI´s analógicos una para los CI´s digitales únicamente existen 2 valores posibles (el 1 o 0), para los CI´s analógicos una pequeña variación de corriente o voltaje representa un valor específico y diferente comparado con los pequeña variación de corriente o voltaje representa un valor específico y diferente comparado con los otros valores obtenidos.
otros valores obtenidos.
Ahora de a
Ahora de acuerdo a cuerdo a su complejidad su complejidad los CI’S digitalos CI’S digitales se clasificales se clasifican en:n en:
VLSI (Very Large Scale Integration = de integración a escala muy grande): Contiene unaVLSI (Very Large Scale Integration = de integración a escala muy grande): Contiene una
circuitería
circuitería igual o igual o mayor mayor a a 1000 c1000 compuertas lógicas.ompuertas lógicas.
LSI (Large Scale Integration = de LSI (Large Scale Integration = de integración a gran escala): Contiene integración a gran escala): Contiene una circuitería una circuitería de entrede entre
100 a 1000 compuertas lógicas. 100 a 1000 compuertas lógicas.
MSI (Medium Scale Integration = de integración a mediana escala): Contiene una circuitería entreMSI (Medium Scale Integration = de integración a mediana escala): Contiene una circuitería entre
12 y 100 compuertas lógicas. 12 y 100 compuertas lógicas.
SSI (Small Scale Integration = de integración a pequeña escala): Contiene un número deSSI (Small Scale Integration = de integración a pequeña escala): Contiene un número de
compuertas menor a 12 compuertas lógicas (que son los que emplearemos en este curso). compuertas menor a 12 compuertas lógicas (que son los que emplearemos en este curso).
Una oblea de silicio es más pequeña que una moneda de 12 mm de diámetro. Los CI´s se diseñan en Una oblea de silicio es más pequeña que una moneda de 12 mm de diámetro. Los CI´s se diseñan en diferentes tipos de encapsulados, aunque generalmente son de forma rectangular y de plástico color diferentes tipos de encapsulados, aunque generalmente son de forma rectangular y de plástico color negro, aunque lo existen redondos y metálicos. Estos dispositivos lucen como transistores extra grandes negro, aunque lo existen redondos y metálicos. Estos dispositivos lucen como transistores extra grandes distinguiéndose en que tienen 10 ó 12 terminales en vez de 3. La mayoría de los circuitos modernos distinguiéndose en que tienen 10 ó 12 terminales en vez de 3. La mayoría de los circuitos modernos vienen en encapsulados de doble fila de terminales, o sea los DIP (Dual-Inline Package) que son vienen en encapsulados de doble fila de terminales, o sea los DIP (Dual-Inline Package) que son empaques rectangulares de plástico que tienen 2 filas ó líneas paralelas de terminales. Los DIP empaques rectangulares de plástico que tienen 2 filas ó líneas paralelas de terminales. Los DIP normalmente tienen 8, 14 ó 16 terminales. Normalmente son de color negro, aunque los existen de otros normalmente tienen 8, 14 ó 16 terminales. Normalmente son de color negro, aunque los existen de otros colores. En todos los CI´s existe una ranura o un círculo grabado en la parte superior del envase para colores. En todos los CI´s existe una ranura o un círculo grabado en la parte superior del envase para identificar la terminal 1. Algunos dispositivos MSI y LSI tienen 24, 28 ó inclusive 40 terminales. La mayor identificar la terminal 1. Algunos dispositivos MSI y LSI tienen 24, 28 ó inclusive 40 terminales. La mayor parte de los CI´s se ilustran en los diagramas esquemáticos como bloques.
parte de los CI´s se ilustran en los diagramas esquemáticos como bloques.
Un amplificador operacional (Amp Op) es sin duda el tipo más común de CI lineal o analógico, ya que es Un amplificador operacional (Amp Op) es sin duda el tipo más común de CI lineal o analógico, ya que es un amplificador de amplia ganancia acoplado directamente. La ganancia del amplificador depende de un amplificador de amplia ganancia acoplado directamente. La ganancia del amplificador depende de una red externa de retroalimentación, desde la salida hasta la entrada, que determina las características una red externa de retroalimentación, desde la salida hasta la entrada, que determina las características de operación. La ganancia de un amplificador se fija por medio de resistencias externas. Su nombre de operación. La ganancia de un amplificador se fija por medio de resistencias externas. Su nombre proviene del hecho de que los primeros Amp Op. fueron utiliz
proviene del hecho de que los primeros Amp Op. fueron utilizados por las computadoras analógicas ados por las computadoras analógicas parapara llevar a cabo las operaciones matemáticas.
llevar a cabo las operaciones matemáticas. Uno Uno de de los los CI’s CI’s más más popularespopulares y económicos es el CI 741,y económicos es el CI 741, éste CI puede venir en empaques de 8 y 14 terminales. En algunas ocasiones este número es precedido éste CI puede venir en empaques de 8 y 14 terminales. En algunas ocasiones este número es precedido o seguido por letras clave que identifican al fabricante, el tipo de encapsulado, el rango de temperatura, o seguido por letras clave que identifican al fabricante, el tipo de encapsulado, el rango de temperatura,
14 14 13 13 12 12 11 11 10 10 99 88 11 22 33 44 55 66 77 Parte Parte Superior Superior (Vcc) (Vcc) (GND) (GND) Parte Parte Superior Superior 11 22 33 44 88 77 66 55 Parte Parte Superior Superior (Vcc) (Vcc) (GND) (GND) 11 22 33 44 55 66 77 88 16 16 15 15 14 14 13 13 12 12 11 11 10 10 99 (GND) (GND) (Vcc) (Vcc)
el contenido, etc. Estas letras o números son útiles para los ingenieros que diseñan circuitos electrónicos.
Símbolo: Ejemplo de la configuración interna de un CI 741:
V
V
Un amp op tiene 2 terminales de entrada del lado izquierdo, la inversora (-) y la no inversora (+), y una terminal de salida que está en la parte derecha de su símbolo. Todo amp op requiere de alimentarse de voltaje positivo y negativo con su referencia a tierra. La entrada no inversora (+) estará en fase con la señal de salida o mejor dicho, la salida del amp op estará en fase con una señal de entrada en esta terminal. Para la otra entrada inversora (-), la señal de salida estará 180° fuera de fase con una señal de entrada en esta terminal. El CI741 se puede configurar en innumerables configuraciones como son: como inversor, como no inversor, como integrador, como restador, como diferencial, como integración, como diferenciación y como comparador.
7.2.- Configuraciones principales:
Amplificador inversor:
En este tipo de configuración la salida está fuera de “fase” 180º con respecto a la entrada. Cuando la señal de entrada aumenta (se hace mas positiva), el voltaje de salida decrece (se hace mas negativa) y viceversa. El Amp.Op. tiene una resistencia R2 que retroalimenta parte de la señal de salida a la entrada. La resistencia a la entrada R1 está conectada en serie con R2 para hacer el lazo de retroalimentación. La señal se aplica a la entrada inversora (-) del amplificador. La ganancia de voltaje del amp op dependerá del valor de la resistencia de entrada R1 y el de retroalimentación R2.
Amplificador no inversor:
Esta configuración se diferencia con la anterior en que usa la entrada NO inversora (+) en lugar de la entrada inversora. La salida estará en “fase” con respecto a la entrada.
inversora inversora
=
En esta configuración la señal de entrada se amplifica pero no sufre inversión de polaridad alguna, por lo que se dice que las señales de entrada y salida están en fase. En estos amplificadores puede utilizarse como entrada voltajes de CD o CA. La ganancia de voltaje depende del coeficiente de las resistencias externas (R1 y R2).
Ejercicios:
1. Calcular el voltaje de salida y las corrientes que circulan por el circuito de un multiplicador de ganancia constancia inversor, cuando el voltaje de entrada es de 2 Vcd , R2 = 500 kΩ R1 = 100
KΩ.
2. Si cuentas con una batería de 9 volts y quieres alimentar tu autoestereo, diseñar el circuito eléctrico apropiado con amp op para realizar la anterior. En lista todo el material que vayas a utilizar.
3. Diseñar un circuito que amplifique un señal de 500 mV originario de un teclado de computadora, para que esta señal pueda ser interpretada por los circuitos digitales que se encuentran en la tarjeta madre.
Amplificador sumador:
Sin duda es el mas útil de las configuraciones en Amp. Op. utilizados en las computadoras, ya que en su circuito considera 2 o más entradas de voltaje, el cual brinda un medio para sumar algebraicamente voltajes de entrada, cada uno multiplicado por un factor de ganancia constante.
Ejercicios:
1. Calcular el voltaje de salida y todas sus corrientes de un amplificador sumador para el siguiente juego de voltajes de entrada y de resistencia cuando se cuenta con una resistencia de 1 MΩ en el
R3 R2 R1 R4 V3 V2 V1
a) V1=+1V, V2=+2V, V3=+3V, R1=500 KΩ, R2=1MΩ y R3=1MΩ. b) V1= -2V, V2=+3v, V3=+1V, R1=200 KΩ, R2=500 KΩ, R3=1MΩ
c) V1=+5V,V2= -6V,V3=+2V, V4= -3V, R1=150 KΩ, R2=220 MΩ, R3=550 MΩ, R4=330 Ω
Amplificador Integrador:
Hasta ahora las configuraciones que se han visto utilizan solamente resistencias, en este tipo de configuraciones se utiliza un capacitor en el lazo de retroalimentación. La ganancia del amp op variará con la frecuencia, ya que la reactancia del capacitor es dependiente de la frecuencia. A medida que la frecuencia de entrada aumente, la reactancia del capacitor en el circuito de retroalimentación disminuye, nulificando más y más la señal de entrada a las frecuencias más altas, de ahí que también se le conoce como “filtro pasa bajos activo”. El término “activo” es porque más bien amplifica en lugar de producir atenuación.
Amplificador restador o diferencial:
Si se aplican señales diferentes a cada una de las señales de entrada de un amplificador con ganancia unitaria, la salida será igual a la diferencia entre las señales de entrada. Este tipo de configuración resta las 2 señales de entrada que puede tener el Amp. Op (Entrada inversora y no inversora).
Amplificador diferenciador:
Este es el proceso opuesto a la integración, ya que en vez de utilizar un capacitor en el lazo de retroalimentación utiliza resistencia, y en vez de la resistencia de entrada se sustituye por un capacitor. El circuito diferenciador no es un circuito de computadora tan útil como el integrador debido a problemas prácticos con el ruido. Como el capacitor esta en la línea de entrada, las frecuencias bajas son bloqueadas antes de que tengan oportunidad de alcanzar al propio amp op. A las frecuencias más altas se les permite el paso y son amplificadas como en un amplificador inversor ordinario, razón por la cual también sele conoce “filtro pasa altos activo”.
R1 C V2 = V3 + V4 Amplitud f (Hz) Banda de paso