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viernes, 24 de abril de 2009

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ( II )

El op-amp tiene muchísimas otras aplicaciones para muchísimos otros diseños además del uso que se le acaba de dar arriba para construír amplificadores de señal. A manera de ejemplo, a continuación tenemos un diseño en el cual el op-amp está siendo usado para construír un amplificador para una señal de audio:


Y en el siguiente circuito, tenemos un diseño que nos permite convertir una medición de temperatura en una medición de voltaje, para lo cual utilizamos un componente transductor, el conocido sensor de temperatura AD590 fabricado por la empresa Analogue Devices:



A continuación tenemos lo que en audio se conoce como un filtro activo de paso bajo:


Para un técnico en electrónica, explicar el funcionamiento de un circuito de este tipo, aún sin las fórmulas, no representa gran problema. Para frecuencias lo suficientemente bajas, el condensador (capacitor) C2 puesto en paralelo con la resistencia R2 actúa como un circuito abierto, pudiendo ser ignorado, con lo cual lo que tenemos aquí es esencialmente un amplificador inversor. Y para frecuencias lo suficientemente altas, el condensador C2 actúa como un corto circuito, con lo cual el efecto resistivo de R2 queda nulificado y la ganancia, de acuerdo con la fórmula para el amplificador inversor, se vuelve cero. En pocas palabras, el circuito amplifica y deja pasar las señales de bajas frecuencias (que en una señal de audio correspondería a los sonidos bajos o bass), y bloquea las señales de altas frecuencias. Este comportamiento es representado con una figura conocida como la curva de responsiva a la frecuencia (frequency response curve) que para un filtro de paso bajo toma la siguiente apariencia:


Muchos usuarios de equipo de audio sin saberlo ya están familiarizados con este tipo de curvas de responsiva de frequencia debido a que su equipo cuenta al frente en su panel de controles con varios deslizadores (sliders) que forman parte del ecualizador (equalizer) de su aparato de audio, e inclusive muchos programas de audio para computadora cuentan con la opción de activar y mostrar en la pantalla un ecualizador gráfico (graphic equalizer) como el siguiente (el programa de Microsoft conocido como Windows Media Player para la ejecución de archivos de audio y video en diversos formatos cuenta con su propio ecualizador gráfico activable desde la línea del menú):


La disposición de los controles deslizadores en este tipo de objetos no es casualidad alguna, los controles están situados el uno junto al otro de modo tal que tomados en conjunto sugieran el tipo de responsiva de frecuencia que se le dará a la señal de audio, como lo muestra la gráfica de responsiva de frecuencia del ecualizador gráfico arriba mostrado situada debajo de los controles; obsérvese cómo la disposición de los controles deslizadores en la parte superior parece sugerir la forma de la responsiva de frecuencia en la parte inferior del ecualizador gráfico.Es importante agregar que además del filtro de paso bajo arriba mostrado, con el op-amp también se pueden construír filtros de paso alto (los cuales bloquean las señales de bajas frecuencias permitiendo el paso de las señales agudas de alta frecuencia), filtros de paso de banda (bandpass) que permiten pasar las frecuencias intermedias dentro de cierto rango, filtros Butterworth, filtros Bessel, etc., lo cual por sí solo requiere ser tratado en un curso especializado a nivel universitario.Además del op-amp 741, hay otros op-amps disponibles en el mercado, como el LM324, el cual es un circuito integrado que contiene el equivalente de cuatro op-amps 741, cuyo bajo costo lo hace casi tan accesible como el mismo 741, y el cual tiene otra característica muy deseable: a diferencia del op-amp 741 que requiere de dos fuentes de poder, una positiva (+V) y una negativa (-V) el LM 324 sólo requiere de una fuente de poder. A continuación tenemos el diseño de un filtro activo de paso-de-banda usando uno de los op-amps del LM324, en donde es obvio que estamos utilizando una sola fuente de poder de +15 volts sin necesidad de tener que utilizar una fuente de poder de -15 volts:


El amplificador operacional, con el apoyo de unos cuantos componentes pasivos externos (resistencias y/o condensadores) puede llevar a cabo operaciones aritméticas de suma, resta, multiplicación, e inclusive las operaciones de diferenciación e integración propias del cálculo infinitesimal. Es por esto mismo que no hace mucho tiempo, todavía hasta las décadas de los setentas y los ochentas, los amplificadores operacionales junto con componentes pasivos adicionales eran utilizados como los bloques fundamentales de computadoras analógicas con el fin de poder resolver problemas matemáticos que inclusive involucraban la simulación de sistemas físicos modelados por algo conocido en el campo de las matemáticas como ecuaciones diferenciales, las cuales son fórmulas matemáticas que involucran derivadas como las siguientes:




La desventaja de utilizar amplificadores operacionales para resolver este tipo de problemas es que los resultados tienen una precisión limitada a dos o tres dígitos, porque los valores tanto de las entradas como de las salidas de las operaciones aritméticas o de los sistema físicos que están siendo simulados son esencialmente voltajes, valores medidos. Esta es la razón por la cual el advenimiento de las computadoras digitales volvió obsoleta la tecnología de los amplificadores operacionales aplicada con operaciones matemáticas en mente. De cualquier modo, para aplicaciones especializadas, es bueno saber que esta posibilidad está siempre disponible. Podemos obtener mayores detalles acerca del uso de los amplificadores operacionales en la solución de problemas matemáticos en algún enlace como el siguiente:http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/Semi/SEMI_9.html#xtocid1561110Para poder obtener alguna "práctica" en el uso y manejo de los amplificadores operacionales, se le recomienda al lector visitar el siguiente sitio mantenido por el Profesor Constantinos E. Efstathiou, Director del Laboratorio de Química Analítica de la Universidad Nacional y Kapodristiana de Atenas, en el cual el usuario se puede divertir "jugando" un buen rato con amplificadores operacionales simulados:http://www.chem.uoa.gr/applets/AppletOpAmps/Appl_OpAmps2.htmlEn esta página del Profesor Efstathiou, el simulador de amplificadores operacionales aparece del lado derecho de la pantalla, y en cuyo borde inferior se puede escoger una de varias opciones para poder experimentar: Inverting Amp. (amplificador inversor), Summing Amp (amplificador sumador), Difference Amp (amplificador de diferencias) e Integrator (integrador). La forma en la cual trabaja este simulador es la siguiente: supóngase que se quiere experimentar un rato con la opción más elemental de todas, la opción Inverting Amp. Al seleccionar esta opción, a la izquierda del circuito estará activado únicamente uno de los controles "deslizadores", el control marcado como V1. A un lado del control se le dan al usuario dos opciones de rangos de voltaje, ±2 volts y ±20 volts. Supóngase que las resistencias Ri y Rf tienen valores de 10 KΩ (10 mil ohms) y 100 KΩ (100 mil ohms) respectivamente, lo cual de acuerdo con la fórmula de la ganancia para un circuito inversor dará una ganancia de -10. Suponiendo que se ha seleccionado la opción de ±2 volts, entonces si el control deslizador está situado justo en el extremo medio poniendo a la entrada del circuito un voltaje de 0 volts, a la salida en el indicador numérico simulado leermos un también un voltaje de 0 volts, lo cual era de esperarse porque no se está llevando a cabo la amplificación de nada. Pero si a la entrada ponemos un voltaje de +0.25 volts, a la salida tendremos un voltaje de -2.5 volts. Esto nos indica que el voltaje de entrada está siendo amplificado diez veces, y el cambio de signo en la polaridad de voltaje nos indica que efectivamente se está llevando a cabo una inversión en la polaridad, lo cual era de esperarse para un amplificador inversor. La ventaja del simulador es que le podemos cambiar los valores a las resistencias para cambiar con ello la ganancia del circuito. A manera de ejemplo, si a las resistencias Ri y Rf les damos valores de 20 KΩ (20 mil ohms) y 100 KΩ (100 mil ohms) respectivamente, con lo cual obtendremos una ganancia de -4, entonces si le aplicamos al circuito un voltaje de entrada de +0.25 volts obtendremos un voltaje a la salida de -0.625 volts, como era de esperarse.

2 comentarios:

cristina dijo...

Grandísimo trabajo.

Javo dijo...

No sabes cual es la formula que describe la respuesta en frecuencia del lm324??? Vi todos los datasheets de ese integrado y en ninguno esta la formula, solo la grafica...

Gracias