Fundamentos Esenciales y Técnicas de Medición en Amplificadores Operacionales

1. Funcionamiento de un Amplificador Operacional

Las señales de entrada aplicadas a la base de Q1 y Q2 se amplifican en cuatro etapas en cascada:

1. Etapa Diferencial: Compuesta por Q1 y Q2, que forman un amplificador diferencial.
2. Etapa Seguidora de Emisor: Compuesta por Q3, que actúa como un seguidor de emisor. La señal de entrada se aplica a la base, el colector se conecta a masa y la señal de salida se toma del emisor.
3. Etapa de Amplificación: Constituida por Q4, que es un amplificador en emisor común.
4. Etapa de Salida: Formada por Q5, R6, Re1 y Re2.

2. Efecto de Condensadores de Acoplo y Desacoplo

Condensadores de Acoplo

Los condensadores de acoplo bloquean las tensiones de continua (por ejemplo, de polarización) y permiten el paso de una señal de un punto a otro sin que sufra atenuación. Suelen ir en serie y se calculan según la frecuencia máxima a la que esté trabajando el sistema y el voltaje máximo del mismo.

Condensadores de Desacoplo

Los condensadores de desacoplo derivan señales para que no pasen por ningún elemento, enviándolas a tierra. También se utilizan para eliminar componentes no deseadas a altas frecuencias. Suelen ir en paralelo y derivan las componentes de alterna para obtener una corriente lo más continua posible, ayudando a equilibrar ganancias e impedancias de entrada ($Z_{in}$).

La fórmula para el cálculo de la capacitancia de desacoplo es:

$$C = \frac{1}{2 \pi R_{in} f}$$

3. Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR)

El CMRR es un indicador de lo bien que suprime el amplificador operacional la señal de modo común respecto a la señal diferencial. Se calcula mediante la siguiente expresión:

$$CMRR = 20 \log\left(\frac{A_d}{A_{cm}}\right)$$

Donde $A_d$ es la ganancia diferencial y $A_{cm}$ es la ganancia en modo común.

4. Tipos de Realimentación

La realimentación consiste en devolver parte de la señal de salida de un sistema a la entrada.

Realimentación Negativa

Una parte de la señal de salida es devuelta a la entrada y se opone a la señal de entrada original. Es la más útil en el diseño de amplificadores.

Realimentación Positiva

La señal de realimentación refuerza a la entrada original. Se utiliza principalmente en el diseño de osciladores.

Efectos de la Realimentación Negativa en Amplificadores

La realimentación negativa tiene la desventaja de reducir la ganancia de un amplificador, pero ofrece múltiples ventajas:

• Estabilización de la ganancia.
• Reducción de la distorsión no lineal.
• Reducción de ciertos tipos de ruido.
• Control de las impedancias de entrada y salida.
• Aumento del ancho de banda.

5. Determinación Experimental de las Frecuencias de Corte

Para determinar experimentalmente las frecuencias de corte (inferior y superior), debemos encontrar los puntos donde la ganancia baja 3 dB respecto de la banda pasante en ambos lados.

Para obtenerlas de manera experimental, se debe obtener el valor de tensión máxima ($V_{max}$) en la banda pasante y luego calcular el valor de tensión en el cual se produce la reducción de 3 dB:

$$V_0 = \frac{V_{max}}{\sqrt{2}}$$

Posteriormente, en el generador de funciones, se aumenta o disminuye la frecuencia ($f$) hasta obtener el valor de dicha tensión, lo que define la frecuencia de corte.

6. Determinación Experimental de la Impedancia de Entrada de un Amplificador

Para determinar la impedancia de entrada ($Z_{in}$) de un amplificador, se debe modificar el circuito original para dejarlo de la forma: Generador ($V_g$) en serie con $R_s$ y $C$.

Se mide la tensión entre $C$ y $R_s$ para obtener $V_{in2}$ y así poder despejar $Z_{in}$ de la expresión del divisor de tensión:

$$V_{in2} = \frac{V_g}{R_s + Z_{in}} \cdot Z_{in}$$