AMPLIFICADOR OPERACIONAL EMPLEADO COMO SEGUIDOR DE GANANCIA UNIDAD


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Este es el principal circuito de aplicación práctica que analizaremos. Reci be varios nombres relacionados directamente con sus posibilidades de aplicación. Seguidor de ganancia unidad, seguidor de tensión, adaptador de impedancias de ganancia unidad, separador, buffer, etc.


Antes de abordar el análisis del circuito en cuestión, vamos a establecer las relaciones básicas y aproximaciones a tener en cuenta en lo sucesivo (figura 7),

La impedancia de entrada del A.O. es muy elevada. En consecuencia y por aproximación podemos tomar Zi @ ¥.

 

Por otra parte, de verificarse el supuesto anterior Zi @ ¥ la intensidad de circulación a través de las entradas diferenciales puede considerarse des preciable: Ii @ 0,

 

     amplificador operacional seguidor de ganancia

Por último, de acuerdo a la expresión Vi = Ii × Zi y teniendo en cuenta las relaciones de aproximación establecidas, resulta que, en definitiva po demos considerar Vi @ 0,


Volviendo al estudio del seguidor de ganancia unidad (figura 8), observa mos que la señal de entrada se aplica directamente a la entrada no inver sora del operacional. Se constata, asimismo, la ausencia de resistencia o componente alguno que establezca la realimentación. Sin embargo, la se ñal de salida se realimenta íntegramente hacia la entrada inversora.


En estas condiciones podemos demostrar fácilmente que la tensión de sa lida del montaje es igual a la introducida por la entrada no inversora. De ahí que esta disposición circuital reciba el nombre de seguidor de tensión o seguidor de ganancia unidad.

seguidor de ganacia

Según lo expuesto anteriormente:



Vi @ 0 Ii @ 0 Zi @ ¥



(Zi del A.O. sin realimentar) y observando el circuito de la figura 8,


Podemos establecer:

Vo = V1



Siendo:

V1 = V2 + Vi


Para el valor de Vi considerado V1 = V2 para Vi = 0,


Luego, en definitiva, se demuestra que el seguidor de tensión proporciona una señal de salida igual a la entrada:

 

V0 = V2


Evidentemente, la ganancia en tensión del montaje será la unidad, ya que:

Gv= V0/V2 = 1

En principio, puede aparecer que la utilidad del circuito seguidor de ganan cia unidad es mínima o tal vez inexistente. Su interés radica en la transfe rencia de impedancias que lleva a cabo: extrae la señal del circuito ante rior presentando una impedancia de entrada muy elevada y la ceda al cir cuito de carga con impedancia de salida prácticamente nula.


Se observa, pues, que es un adaptador entre capas cuyo comportamiento es próximo al ideal.


Para el diseño de este tipo de circuitos hay que conocer las expresiones que permitan el cálculo de las impedancias de entrada y salida del montaje en función de las propias del A.O. utilizado en bucle abierto.

 

 

1. Impedancia de salida de los amplificadores en lazo cerrado }figura @)

 

Siendo  Zo  la impedancia de salida de un A.O. en lazo abierto y Zs  es la del lazo cerrado, vamos a demostrar que ésta última  Zs  es mucho menor que la primera   Zo, Esto es muy importante puesto que nos acercamos más al amplificador ideal.

 

Si cargamos el circuito con una  RL  y queremos mantener un incremento de corriente de salida vo, ya que:

D vo = D IL × Zo Þ D IL = D vo/Zo

Pero esta tensión de salida se mantendrá si aumentamos la de la entrada negativa, ya que:

D vo = D Vi × A

Siendo A la ganancia en lazo abierto. Como este montaje es un separador:

DVi = DVo

La impedancia de salida en lazo cerrado será:

amplificadores lazo cerrado

formula impedancia

En la última expresión vemos que la impedancia de salida  Zs  en lazo ce rrado, es igual a la del lazo abierto  Zo  dividido por la ganancia del A.O.  A en lazo abierto.

 

Si el A.O. que empleamos en el montaje es un mA702A y buscamos en el catálogo vemos que Zo = 200 W  y A = 6,000,

 

Entonces la impedancia de salida en lazo cerrado será:

impedancia de salida en lazo cerrado

Prácticamente nula.

2. Impedancia de entrada de los A.O. en lazo cerrado }figura 10)

 

Siendo  Zi  la impedancia de entrada de un A.O. en lazo abierto y  Ze  la del lazo cerrado, vamos a demostrar que la segunda es mucho mayor que la primera. Ocurriendo que  Ze >> Zi  nos acercamos más cerrando el lazo al amplificador ideal.

 

El voltaje en la entrada del amplificador, Vi   es igual al de salida dividido por la ganancia en lazo abierto:

 

Vi =  A/Vo

impedancia lazo cerrado

impedancia lazo cerrado

Luego la impedancia de entrada en lazo es igual al producto de la ganancia por la impedancia de entrada en lazo abierto.

 

EJEMPLOS. Si el amplificador de la figura 10 es un mA741C, en sus características tiene como: Zi = 106 y A = 105,

 

Luego:

Ze = A × Zi = 105 × 106 = 1011 W

MÉTODO DE DISEÑO

Para poder emplear este tipo de circuito como adaptadores de impedancias tenemos que conocer los datos siguientes:

 

·      Impedancia de salida de la etapa anterior Zs (a),

 

·      Impedancia de entrada del circuito posterior Ze (p),

 

·      Frecuencia máxima de trabajo Þ f (máx),

 

Según el A.O. que se elija, tenemos que ir a las características suministradas por el fabricante y ver: A, Zi  y Zo,

A: Ganancia del operacional en bucle abierto. Debe hallarse sobre la frecuencia máxima de trabajo y de la tensión de alimentación adoptada.

 

Zi: Impedancia de entrada del A.O. en bucle abierto.

 

Zo: Impedancia de salida del A.O. en bucle abierto.

 

Ambos datos se hallan sobre los gráficos correspondientes, en función de la frecuencia máxima de trabajo establecida y de la temperatura ambiente de funcionamiento.

 

EJEMPLO PRÁCTICO. En el diseño de adaptadores de impedancia utilizando circuitos seguidores de ganancia unidad, nos hallamos con el caso típico siguiente: se desean adaptar dos etapas cuyas características se indican seguidamente:  Zs (a) = 10 W, Ze (p) = 100 W   y la frecuencia máxima de trabajo es f (máx) = 400 KHz,

Este planteamiento puede responder a un caso típico de adaptación entre la etapa amplificadora de alta frecuencia y el circuito de carga.

 

Para solventar el problema elegimos un A.O. de tipo comercial en cuyas hojas de datos observamos las siguientes especificaciones:

A = 80 dB = 104     Zi = 100 kW             Zo = 75 W

Todo ello para la frecuencia máxima de trabajo establecida y para la alimentación fijada (por ejemplo: Vcc  ± 9 voltios) (figura 11),

adaptadores de impedancia

Para poder utilizar este A.O. como adaptador de impedancias, no queda más que comprobar si la impedancia de entrada  Ze  es mucho mayor que Zs (a) y la impedancia de salida Zs  es notablemente inferior a Ze (p),

Como ya se vio anteriormente, las expresiones a utilizar son:

 

Ze @ Zi × A               Zs = A/Zo

  Zs =  75/104 = 7,5 mW
De acuerdo a los valores obtenidos podemos afirmar que:
Ze >> Zs (a) Zs << Ze (p)
1,000 MW > >10 kW 75 × 104 W << 100 W
Efectivamente, observamos que el A.O. elegido se puede utilizar como adaptador de impedancias ya que evita cualquier tipo de carga mutua entre las etapas acopladas.

Ze = 105 × 104 = 109 = 1,000 MW

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