Amplificador operacional o op amp
Un amplificador operacional o op amp és un amplificador de tensió acoblada en corrent contínua amb una ganància de tensió molt alta.
L'op amp és bàsicament un amplificador multietapa en el qual diverses etapes d'amplificació estan interconnectades de manera molt complicada. El seu circuit intern consta de molts transistors, FETs i resistències. Tot això ocupa molt poc espai.
Així, es paqueta en un petit paquet i està disponible en forma de Circuit Integrat (CI). El terme Op Amp s'utilitza per denotar un amplificador que es pot configurar per realitzar diverses operacions com l'amplificació, la subtracció, la diferenciació, l'addició, la integració, etc. Un exemple és el molt popular IC 741.
El símbol i la seva aparició real en forma de CI es mostren a continuació. El símbol apareix com una punta de fletxa que indica que el senyal flueix de la sortida a la entrada.
Terminals d'entrada i sortida d'un amplificador operacional
Un op-amp té dos terminals d'entrada i un terminal de sortida. L'op-amp també té dos terminals d'alimentació de tensió, com es veu a dalt. Dos terminals d'entrada formen la entrada diferencial. Anomenem el terminal marcat amb el signe negatiu (-) com a terminal inversor i el terminal marcat amb el signe positiu (+) com a terminal no inversor de l'amplificador operacional. Si apliquem un senyal d'entrada al terminal inversor (-), llavors el senyal de sortida amplificat estarà 180o fora de fase respecte al senyal d'entrada aplicat. Si apliquem un senyal d'entrada al terminal no inversor (+), llavors el senyal de sortida obtingut estarà en fase, és a dir, no tindrà desplaçament de fase respecte al senyal d'entrada.
Alimentació d'un amplificador operacional
Com es veu del símbol de circuit superior, té dos terminals d'alimentació d'entrada de tensió +VCC i –VCC. Per al funcionament d'un op-amp, és essencial una alimentació DC de doble polaritat. En la alimentació de doble polaritat, connectem el +VCC a l'alimentació DC positiva i el terminal –VCC a l'alimentació DC negativa. No obstant això, alguns op-amps també poden funcionar amb una alimentació de polaritat única. Noteu que no hi ha cap terminal de terra comú en els op-amps, per tant, la terra s'ha d'establir externament.
Principi de funcionament de l'Op-Amp
Funcionament en bucle obert d'un amplificador operacional
Com s'ha dit anteriorment, un op-amp té una entrada diferencial i una sortida simple. Així, si apliquem dos senyals, un al terminal inversor i un altre al terminal no inversor, un op-amp ideal amplificarà la diferència entre els dos senyals d'entrada aplicats. Anomenem aquesta diferència entre dos senyals d'entrada com la tensió d'entrada diferencial. La equació següent dóna la sortida d'un amplificador operacional.
On, VOUT és la tensió al terminal de sortida de l'op-amp. AOL és la ganància en bucle obert per a l'op-amp donat i és constant (idealmement). Per a l'IC 741 AOL és 2 x 105.
V1 és la tensió al terminal no inversor.
V2 és la tensió al terminal inversor.
(V1 – V2) és la tensió d'entrada diferencial.
És clar a partir de l'equació anterior que la sortida serà no zero només si la tensió d'entrada diferencial és no zero (V1 i V2 no són iguals), i serà zero si V1 i V2 són iguals. Noteu que aquesta és una condició ideal, pràcticament hi ha petites desigualtats en l'op-amp. La ganància en bucle obert d'un op-amp és molt alta. Per tant, un amplificador operacional en bucle obert amplifica una petita tensió d'entrada diferencial a un valor enorme.
També és cert que si apliquem una petita tensió d'entrada diferencial, l'amplificador operacional l'amplifica a un valor considerable, però aquest valor significatiu a la sortida no pot superar la tensió d'alimentació de l'op-amp. Per tant, no viola la llei de conservació de l'energia.
Funcionament en bucle tancat
La operació explicada anteriorment de l'op-amp era per a bucle obert, és a dir, sense retroalimentació. Introduïm la retroalimentació en la configuració de bucle tancat. Aquest camí de retroalimentació porta el senyal de sortida a la entrada. Així, a les entrades, hi ha simultàniament dos senyals. Un d'ells és el senyal aplicat original, i l'altre és el senyal de retroalimentació. La equació següent mostra la sortida d'un op-amp en bucle tancat.
On VOUT és la tensió al terminal de sortida de l'op-amp. ACL és la ganància en bucle tancat. El circuit de retroalimentació connectat a l'op-amp determina la ganància en bucle tancat ACL. VD = (V1 – V2) és la tensió d'entrada diferencial. Diem que la retroalimentació és positiva si el camí de retroalimentació porta el senyal del terminal de sortida de volta al terminal no inversor (+). La retroalimentació positiva s'utilitza en oscil·ladors. La retroalimentació és negativa si el camí de retroalimentació porta part del senyal del terminal de sortida de volta al terminal inversor (-). Utilitzem la retroalimentació negativa als op-amps utilitzats com a amplificadors. Cada tipus de retroalimentació, negativa o positiva, té els seus avantatges i inconvenients.
Retroalimentació Positiva ⇒ Oscil·lador
Retroalimentació Negativa ⇒ Amplificador
L'explicació anterior és el principi de funcionament més bàsic de l'amplificador operacional.
Característiques d'un Op-Amp Ideal
