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Amplificadores operacionales

Amplificadores operacionales.

Estos circuitos integrados lograron un gran salto en la electrónica, ya que habrieron muchas posibilidades en el diseño de equipos de audio, comparadores de voltaje, etc. aunque al principio se diseñaron pensando en otros usos (Calculadoras analógicas).

Historia y teoría en wikipedia: Amplificador operacional.

Los amplificadores operacionales de uso general están formados por muchos transistores,
algunos utilizan JFETs o MOSFETs y hay amplificadores operacionales fabricados completamente con la tecnología CMOS   como LinCMOS ® (Marca registrada de Texas Instruments).

Los operacionales más comúnes son JRC4558, MC1458, LM358, LM341.
También con entrada a JFET el LF351 y el circuito operacional de precisión OPA227.
Un ejemplo de operacional que utiliza la tecnología LinCMOS ® es el TLC274.
El CA3140 utiliza entrada a MOSFET. (No lo he utilizado)

No todos son iguales, y por ello debemos conocer sus características antes de escoger alguno para nuestro proyecto.
Por ejemplo el 4558 se utiliza mucho en audio y su relación de ganancia contra ruido es más que aceptable, pero como comparador de voltaje no es recomendable, y si es para amplificar milivoltios de celdas de carga (romanas electrónicas) o termocuplas son la peor elección, pero hay amplificadores operacionales especiales para ello como el OPA227 y el OP77.

Amplificadores operacionales con audio:

La mayoría de amplificadores operacionales trabajan bien con sonido, es muy utilizado el JRC4558, que son dos operacionales en un chip de 8 patillas, similar al LM358. Tambien se utiliza el LM348 de 4 operacionales en un chip con 14 patillas similar al LM324.
Y además de las presentaciones con solo un operacional que tiene ajuste de "offset" como el LM741.


JRC4558
LM358


operacionales 4558 lm358
operacional LM348 y LM324

LM741


operacional lm741

Los circuitos integrados 4558, LM348, LF353, TL082 y el LM741 funcionan mejor con fuente dual de ±15 voltios. (30V de punta a punta.)
Siendo más versátiles en la alimentación los circuitos integrados LM358 y LM324, que pueden operar en voltajes más bajos y en fuente simple sin perder su desempeño habitual.

El LM741 cuenta con ajuste de "offset" que en aplicaciones de audio se dejan las patillas libres.

Actualmente existen gran cantidad de amplificadores operacionales que vienen con las mismas conexiones de las patillas ya que es un estándar, y se desarrollan más en versiones de superficie.



Amplificadores teóricos:

amplificador inversor con operacional
amplificador no inversor con operacional

 
En el primer diagrama vemos un amplificador inversor teórico, la entrada que se utiliza de hecho se llama entrada inversora (-), en las especificaciones en inglés es "inverting input (-)".
La forma de calcular la ganancia es dividiendo el valor de R2 entre R1.
Por ejemplo si utilizamos 100KΩ en R2 y 1KΩ en R1 será un amplificador de 100 veces.

Aunque estos modelos son teóricos, con fuente dual y determinando que el punto a tierra es el centro de la alimentación funcionan en la práctica.

En el segundo diagrama vemos un amplificador no-inversor teórico, la entrada que se utiliza se llama entrada no-inversora (+) y en las especificaciones en inglés es "non-inverting input (+)".
La forma de calcular la ganancia es poco diferente a la anterior ya que solo hay que agregar 1 al resultado de la división.
Por ejemplo: Si R2 es de 100KΩ y R1 de 1KΩ la ganancia es 101 veces (100+1).

 
Amplificadores operacionales con fuente simple:

Cuando se utiliza una fuente simple podemos utilizar los ejemplos siguientes donde se utiliza un divisor de tensión formador por R4 y R5
Se utilizan capacitores electrolíticos para acoplar tanto la entrada como la salida.

amplificador inversor real amplificador no inversor real



Este ejemplo fué realizado con un LM358 y una fuente de 9 voltios, el capacitor C4 puede ser de 100µF/16 voltios
y los demás capacitores de 10 voltios o más.

La ganancia se calcula igual que en los diseños teóricos, suponiendo que la inpedancia de los capacitores es 0Ω.

 
Amplificadores operacionales utilizando fuente dual:

La fuente más común en equipos de audio que utilizan amplificadores operacionales como mezcladoras (mixer), ecualizadores profesionales, cross-over, etc. es una fuente doble o dual de ±15 voltios.

Cuando se nos hace confuso pensar en un común (tierra o masa) y una alimentación negativa de -15 voltios, además de la alimentación positiva de +15 voltios.
Podemos pensar que es una fuente de 30 voltios con una derivación central a 15 voltios, que aunque no es la manera correcta nos ayuda a entender estas fuentes.

Fuentes para utilizar con amplificadores operacionales:

La fuente ideal es utilizando un transformador con derivación central, rectificada y regulada con circuitos integrados.

fuente dual para operacionales


El regulador positivo puede ser LM7815, L7815 o equivalente, y el regulador negativo es LM7915, L7915 o similar.
Puede ser necesario conectar capacitores en la alimentación cerca de los amplificadores operacionales para evitar ruidos u oscilaciones.

Si la fuente es de voltaje algo menor, se pueden utilizar reguladores de 12 voltios, la fuente debe dar más de 3 voltios que el voltaje regulado para garantizar estabilidad.

Cuando disponemos de un tranformador de 14 voltios sin derivación central podemos utilizar una forma de duplicar el voltaje

fuente con doblador para operacionales


En la mayoría de equipos de audio se colocan los capacitores electrolíticos de acople en la entrada y salida aún utilizando fuente dual, aunque generalmento no son indispensables.

preamplificador inversor fuente dualpreamplificador no inversor fuente dual

Los valores de las resistencias se calculan igual que los ejemplos anteriores.

Los amplificadores operacionales son ideales para construir ecualizadores, cross-over y filtros notch, utilizando filtros activos de audio, pasa bajos, pasa altos y filtros pasabanda.
Que llevan un tratado solo para ellos, que publicaremos en el futuro.

Amplificadores operacionales como comparadores de voltaje:

En muchas ocaciones se utilizan amplificadores operacionales como comparadores de voltaje, que aunque hay circuitos integrados especiales para dicho fin como el LM311 (1 comparador) y el LM339 (4 comparadores), muchas veces utilizamos los operacionales porque cada sección realiza una función diferente, por ejemplo una sección amplifica el voltaje, otra compara y las otras dos como preamplificadores de audio.
Y también que hay operacionales modernos con valores de "offset" muy bajos y elevadísima precisión.
Hay que tomar en cuenta que los circuitos integrados comparadores y los amplificadores operacionales llevan conexiones de patillas diferentes.
Como comparador de voltaje no recomiendo el LM741, LF353, ni 4558.
En circuitos como apagadores con fotoceldas y controles de temperatura con termoresistencias NTC me han funcionado bien el LM324 (KA324) y el LM358. Para equipos de mayor precisión es preferible utilizar operacionales como el OPA227, OP77 o el TLC279.

Un ejemplo de comparador de voltaje:

comparador de voltaje


Cuando el voltaje en la entrada (+) es mayor que la entrada(-) la salida es positiva.

En el ejemplo hay una resistencia (R4) que crea una realimentación positiva como disparador de Schmitt (Schmitt-trigger).

radio

Input Offset Voltage
OPA227 75µV
OP07 150µV. Max.
OP77 60µV. Max

(op07 10pcs x $4.33)
(op77 1pc x $8.50)

TI2-CAW

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