5.17: Amplificador operacional simple

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Cuatro transistores NPN — modelos 2N2222 o 2N3403 recomendados (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos transistores PNP: se recomiendan los modelos 2N2907 o 2N3906 (Radio Shack catálogo # 276-1604 es un paquete de quince transistores PNP ideal para este y otros experimentos)
• Dos potenciómetros de 10 kΩ, una sola vuelta, conicidad lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 270 kΩ
• Tres resistencias de 100 kΩ
• Una resistencia de 10 kΩ

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito amplificador diferencial utilizando espejos de corriente.
• Efectos de la retroalimentación negativa en un amplificador diferencial de alta ganancia.

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este diseño de circuito mejora en el amplificador diferencial mostrado anteriormente. En lugar de usar resistencias para bajar voltaje en el circuito de par diferencial, se usa un conjunto de espejos de corriente, el resultado es una mayor ganancia de voltaje y un rendimiento más predecible. Con una ganancia de voltaje más alta, este circuito es capaz de funcionar como un amplificador operacional de trabajo o amplificador operacional. Los amplificadores operacionales forman la base de muchos circuitos semiconductores analógicos modernos, por lo que es importante comprender el funcionamiento interno de un amplificador operacional.

Los transistores PNP _Q1 y _Q2 forman un espejo de corriente que intenta mantener la corriente dividida por igual a través de los dos transistores de par diferencial Q ₃ y Q ₄. Los transistores NPN Q ₅ y Q ₆ forman otro espejo de corriente, ajustando la corriente total del par diferencial a un nivel predeterminado por la resistencia R _prg.

Mida el voltaje de salida (voltaje en el colector de Q ₄ con respecto a tierra) a medida que se varían los voltajes de entrada. Observe cómo los dos potenciómetros tienen diferentes efectos sobre el voltaje de salida: una entrada tiende a accionar la tensión de salida en la misma dirección (no inversora), mientras que la otra tiende a accionar la tensión de salida en la dirección opuesta (invirtiendo). Notarás que el voltaje de salida responde más a los cambios en la entrada cuando las dos señales de entrada son casi iguales entre sí.

Una vez que se ha probado la respuesta diferencial del circuito (el voltaje de salida pasa bruscamente de un nivel extremo a otro cuando una entrada se ajusta por encima y por debajo del nivel de voltaje de la otra entrada), está listo para usar este circuito como un amplificador operacional real. Un circuito simple de amplificador operacional llamado seguidor de voltaje es una buena configuración para probar primero. Para hacer un circuito seguidor de voltaje, conecte directamente la salida del amplificador a su entrada inversora. Esto significa conectar los terminales colector y base de Q ₄ juntos, y descartar el potenciómetro “inversor”:

Observe el símbolo triangular del amplificador operacional que se muestra en el diagrama esquemático inferior. Las entradas inversoras y no inversoras se designan con símbolos (-) y (+), respectivamente, con el terminal de salida en el vértice derecho. El cable de retroalimentación que conecta la salida a la entrada inversora se muestra en rojo en los diagramas anteriores.

Como seguidor de voltaje, el voltaje de salida debe “seguir” muy de cerca el voltaje de entrada, desviándose no más de unas pocas centésimas de voltio. Este es un circuito seguidor mucho más preciso que el de un solo transistor colector común, ¡descrito en un experimento anterior!

Un circuito de amplificador operacional más complejo se llama amplificador no inversor, y usa un par de resistencias en el bucle de retroalimentación para “retroalimentar” una fracción del voltaje de salida a la entrada inversora, lo que hace que el amplificador emita un voltaje igual a algún múltiplo del voltaje en la entrada no inversora. Si usamos dos resistencias de igual valor, el voltaje de retroalimentación será 1/2 el voltaje de salida, haciendo que el voltaje de salida se convierta en el doble del voltaje impreso en la entrada no inversora. Así, tenemos un amplificador de voltaje con una ganancia precisa de 2:

Al probar este circuito amplificador no inversor, puede notar ligeras discrepancias entre los voltajes de salida y entrada. De acuerdo con los valores de la resistencia de retroalimentación, la ganancia de voltaje debe ser exactamente 2. No obstante, puede notar desviaciones del orden de varias centésimas de voltio entre cuál es el voltaje de salida y cuál debería ser. Estas desviaciones se deben a imperfecciones del circuito amplificador diferencial y pueden verse muy disminuidas si agregamos más etapas de amplificación para aumentar la ganancia de voltaje diferencial. Sin embargo, una forma en la que podemos maximizar la precisión del circuito existente es cambiar la resistencia de R _prg. Esta resistencia establece el punto de control del espejo de menor corriente y, al hacerlo, influye en muchos parámetros de rendimiento del amplificador operacional. Intente sustituir valores de resistencia de diferencia, que van de 10 kΩ a 1 MΩ. No use una resistencia inferior a 10 kΩ, o de lo contrario los transistores de espejo actuales pueden comenzar a sobrecalentarse y “huir” térmicamente.

Algunos amplificadores operativos disponibles en unidades preempaquetadas proporcionan una manera para que el usuario “programe” de manera similar el espejo de corriente del par diferencial y se denominan amplificadores operacionales programables. La mayoría de los amplificadores operacionales no son programables y tienen sus puntos de control de espejo de corriente internos fijados por una resistencia interna, recortados a un valor preciso en la fábrica.