LM386

El LM386 es un amplificador de potencia, diseñado para el empleo en usos de consumo de voltaje bajos. La ganancia interna es puesta a 20 para mantener la parte externa en cuenta baja, pero la adición de una resistencia externa y un condensador entre los pines 1 y 8 aumentarán la ganancia a cualquier valor entre 20 y 200.

Las entradas son referidas a tierra, mientras la salida influye automáticamente a la mitad de tensión del suministro. El drenador de potencia es de sólo 24 miliwatios aplicando un suministro de 6 voltios, esto hace ideal el LM386 para la operación en baterías.

El amplificador operacional, está constituido por un circuito de entrada diferencial, en el diagrama anterior se aprecian los dos transistores que forman el amplificador diferencial y también las entradas (pines 1-8) para el control de ganancia. El encapsulado DIL es de 8 pines y se muestra en la figura.

Para hacer al LM386 que proporcione un amplificador más versátil, dispone de dos pines (1 y 8) para el control de ganancia. Con los pines 1 y 8 abiertos, una resistencia de 1.35 kW pone la ganancia en 20 (26 dB). Si se pone un condensador del pin 1 al 8, como bypas de la resistencia interna de 1.35 k W, la ganancia se acercará a 200 (46 dB). Si colocamos una resistencia en serie con el condensador, la ganancia puede ser puesta a cualquier valor entre 20 y 200. El control de ganancia también se puede hacer capacitivamente acoplando una resistencia (o FET) del pin 1 a masa.

Con componentes adicionales externos, colocados en paralelo con las resistencias de regeneración internas, se puede adaptar la ganancia y la respuesta en frecuencia para usos concretos. Por ejemplo, podemos compensar la pobre respuesta de bajos del altavoz por frecuencia, mediante la realimentación. Esto se hace con una serie RC del pin 1 a 5 (resistencia en paralelo a la interna de 15 k).

Para un estimulador de bajos (bass boost) de 6 dB eficaces: R± 15 k W, el valor más bajo para una buena operación estable es R = 10 kW si el pin 8 está al aire. Si los pines 1 y 8 se evitan, entonces la R usada puede ser tan baja como 2 k. Esta restricción es porque el amplificador sólo es compensado para ganancias en lazo cerrado mayor de 9.

El esquema muestra que ambas entradas (2-3), están puestas a masa con una resistencia de 50 kW. La corriente de base de los transistores de entrada es aproximadamente de 250 nA, entonces las entradas están en aproximadamente 12.5 mV cuando están abiertas. Si la resistencia de la fuente dc que maneja el LM386 es más alta de 250 kW esto contribuirá a una muy pequeña compensación adicional (aproximadamente 2.5 mV en la entrada, 50 mV en la salida). Si la resistencia de la fuente dc es menos de 10 k, podemos eliminar el exceso compensado, poniendo una resistencia en la entrada no usada a masa, mantendrá la compensación baja (aproximadamente 2.5 mV en la entrada y 50 mV en la salida).

Para resistencias de fuente dc menor de 10 k, podemos eliminar el exceso compensado, poniendo una resistencia de la entrada no usada a masa, igual al valor de la resistencia de la fuente dc. Desde luego todos los problemas de compensación son eliminados si es acoplada la entrada capacitivamente. Usando el LM386 con ganancias más altas (evitando la resistencia de 1.35 k interna entre pines 1 y 8) es necesario evitar la entrada no usada, previniendo la degradación de ganancia e inestabilidades posibles. Esto se hace con un condensador de 0,1 uF o un corto a masa según la resistencia de la fuente dc sobre la entrada manejada.

Esta bien, veamos algunos circuitos típicos:

En el circuito amplificador de la figura anterior, la ganancia es de 20, que es el valor mínimo que se consigue al dejar libres los terminales 1 y 8. Sin embargo si lo que queremos es una ganancia Av de 200, debemos conectar un condensador entre los mencionados terminales, como se aprecia en la siguiente figura.

En caso de necesitar una Av intermedia, por ejemplo 50, debemos conectar una resistencia en serie con el condensador, como se aprecia en la figura que sigue.

En estas páginas se ha usado este dispositivo como amplificador de salida de baja frecuencia en la aplicación etapa final del estetoscopio electrónico, en esa ocasión se probó con una ganancia de 200 y luego se bajo a 20, parece que en ese momento era suficiente. Existen muchas aplicaciones en distintos medios electrónicos para este dispositivo.

Filtro activo pasa banda con Amplificador Operacional

Ancho de banda, factor de calidad Q, frecuencia central

Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos últimos son sólo combinación de resistencias, capacitores e inductores.

En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada.

En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores.

En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la entrada.

Filtro activo pasa banda con Amplificador Operacional

El filtro Pasa Banda tiene la siguiente curva de respuesta de frecuencia. Dejará pasar todas las tensiones de la señal de entrada que tengan frecuencias entre la frecuencia de corte inferior f1 y la de corte superior f2. Las tensiones fuera de este rango de frecuencias serán atenuadas y serán menores al 70.7 % de la tensión de entrada. La frecuencia central de este tipo de filtro se obtiene con la siguiente fórmula:

fo = 1 / [ 2πC x (R₃R)^1/2 ]

En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada.

En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores.

En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la entrada.

Curva de respuesta de un filtro pasa banda.

Si se seleccionan los capacitores y resistores de modo que:

C1 = C2 = C y R1 = R2 = R

El ancho de banda será: BW = f2 - f1 = 1.41 R / [ CR₃ (R₃R)^1/2 ]
El factor de calidad Q = fo / BW.

Las líneas discontinuas verticales sobre f1 y f2 y la línea horizontal del 70.7% representan la respuesta de un filtro pasa banda ideal.

Nota: F1 y f2 (frecuencias de corte) son puntos en la curva de transferencia en que salida ha caído 3 dB (decibeles) desde su valor máximo.

Amplificador Diferencial

Los amplificadores Operacionales y otros circuitos analógicos, suelen basarse en:

1 - Los amplificadores diferenciales
2 - Etapas de ganancia implementados por amplificadores intermedios acoplados en corriente continua y...
3 - Una etapa de salida tipo push-pull (etapa clase B en contrafase)

Ver el siguiente gráfico, donde se muestra el diagrama de bloques con la configuración interna de un amplificador operacional.

Principio de funcionamiento del Amplificador diferencial

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Analizar el gráfico:

El amplificador diferencial básico tiene 2 entradas V1 y V2.

Si la tension de V1 aumenta, la corriente del emisor del transistor Q1 aumenta (acordarse que IE = BxIB), causando una caida de tensión en Re.

Si la tensión de V2 se mantiene constante, la tensión entre base y emisor del transistor Q2 disminuye, reduciéndose también la corriente de emisor del mismo transistor.

Esto causa que la tensión de colector de Q2 (Vout+) aumente.

La entrada V1 es la entrada no inversora de un amplificador operacional

Del mismo modo cuando la tensión en V2 aumenta, también aumenta la la corriente de colector del transistor Q2, causando que la tensión de colector del mismo transistor disminuya. (Vout+) disminuye.

La entrada V2 es la entrada inversora del amplificador operacional

Si el valor de la resistencia RE fuera muy grande, obligaría a la suma de las corrientes de emisor de los transistores Q1 y Q2, a mantenerse constante, comportándose como una fuente de corriente

Entonces, al aumentar la corriente de colector de un transistor, disminuirá la corriente de colector del otro transistor.

Por eso cuando la tensión V1 crece, la tensión en V2 decrece.

Comparador con Amplificador Operacional

Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de las dos señales en sus entradas es mayor. ( se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat).

Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima)

La ganancia real de un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 – V2)

Donde:
- Vout = tensión de salida
- AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más)
- V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)

Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación negativa o positiva. (normalmente este valor es unos 2 voltios menos que el valor de la fuente ( V+ ó V- ).

Del gráfico se ve que el valor de la entrada en V2 es mayor que la de V1 (que se utiliza como referencia y tiene un valor fijo), hasta que en un momento t1, V2 cambia y ahora es menor que V1.

Como V2 está conectado a la entrada no inversora del operacional, la salida (Vout) está en saturación positiva, hasta que llega a t1, en donde la salida ahora está en saturación negativa.

Comparador No inversor

En este comparador la tensión de referencia se aplica a la entrada inversora, y la señal a detectar será aplicada a la entrada no inversora. La tensión de referencia puede ser positiva o negativa

- Si la señal a detectar tenga una tensión superior a la tensión de referencia, la salida será una tensión igual a +Vsat (tensión de saturación positiva).
- Si la señal de entrada tiene una tensión inferior a la señal de referencia, la salida será igual a -Vsat (tensión de saturación negativa)

Comparador Inversor

En este comparador la tensión de referencia se aplica a la entrada no inversora, y la señal a detectar será aplicada a la entrada inversora. La tensión de referencia puede ser positiva o negativa

- Si la señal a detectar tenga una tensión superior a la tensión de referencia, la salida será una tensión igual a -Vsat (tensión de saturación negativa).

- Si la señal de entrada tiene una tensión inferior a la señal de referencia, la salida será igual a +Vsat (tensión de saturación positiva).

Sumador Inversor

Podemos usar el amplificador operacional para sumar varias señales, con su masa común. Un amplificador de este tipo se denomina amplificador sumador. Amplificadores de este tipo se encuentran en cualquier mesa de mezclas.

La forma básica del sumador inversor es:

Si te fijas un poco verás que no es mas que un amplificador inversor con dos entradas, y por lo tanto, con dos resistencias de entrada. Para facilitar el análisis pondremos estas dos resistencias iguales (R1).

V1 y V2 representan las señales de entrada. El circuito se analiza igual que el amplificador inversor con la diferencia que aquí la I3 es la suma de las corrientes I1 e I2:

I3 = I1 + I2

Calculamos I1:

V1 = I1 * R1

I1 = V1 / R1

Calculamos I2:

V2 = I2 * R1

I2 = V2 / R1

Igualando I3 = I1 + I2:

I3 = I1 + I2

I3 = V1/R1 + V2/R1

I3 = (V1+V2) / R1

Pero por otra parte podemos calcular tambien I3, como la corriente que pasa por R3 con una tensión de 0 - Vout = -Vout:

-Vout = I3 * R3

I3 = -Vout / R3

Sustituyendo este valor de I3 en la ecuación antes obtenida tenemos que:

-Vout / R3 = (V1+V2) / R1

Vout = -(R3/R1) * (V1+V2)

Esta ecuación nos dice que la salida será la suma de las dos entradas multiplicadas por un número: Av = -(R3/R1). Puedes ponerle todas las entradas que queiras y la salida será la suma de todas las entradas por Av.

Aplicación práctica:

Te propongo este circuito, es un mezclador de audio. Fíjate bien y verás que esta formado por bloques que ya hemos estudiado. El operacional empleado es el LM833, que es un amplificador operacional doble especial para audio.

Las dos entradas (V1 y V2) pasan antes de ser mezcladas por sendos amplificadores inversores de ganancia variable. La ganancia de V1 será, según lo que hemos visto hasta ahora, Av1= -(R3 / R1). como R1 es 10K y R3 puede variar entre 0 y 10K, la ganancia de V1 variará entre 0 y -1. esto quiere decir que podremos variar el volumen de la entrada V1 desde 0 hasta el mismo nivel de entrada. Y lo mismo pasa con V2.

El Amplificador Operacional

La enorme ventaja de los circuitos lógicos es que no se requiere tener muchos conocimientos de electrónica para poder comprender cómo trabajan funcionalmente dichos circuitos. Existen muchos sistemas digitales en los que la mayoría del sistema basa su funcionamiento en electrónica puramente digital. Las computadoras de escritorio son un buen ejemplo de ello. Sin poseer conocimientos detallados de electrónica, cualquiera que haya asimilado los principios esenciales del libro puede muy bien ensamblar un circuito lógico, comprar en el mercado una fuente de poder que proporcione los voltajes requeridos para que los componentes del circuito puedan trabajar, y conectar todo de modo apropiado para que pueda funcionar. Sin embargo, existen también sistemas en los cuales es necesario interconectar componentes propios de la electrónica digital (bloques AND, OR y NOT) que siempre trabajan con valores discretos de voltaje, con componentes propios de la electrónica analógica, en donde se trabaja con voltajes que pueden variar continuamente entre dos límites pudiendo tomar cualquier valor posible entre dichos límites. Estos sistemas son esencialmente sistemas híbridos que combinan en un solo diseño aspectos de la electrónica digital y de la electrónica analógica. El texto principal del libro no presupone de parte del lector conocimiento alguno de electrónica analógica. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que entre los lectores haya técnicos con algunos conocimientos básicos de electrónica analógica que estén tal vez interesados en instruirse un poco más en aquellos circuitos integrados con los cuales los circuitos integrados propios de la electrónica digital suelen interactuar. Es con este auditorio en mente que se ha preparado este Suplemento que trata sobre uno de los componentes más versátiles para los diseños de circuitos analógicos: el amplificador operacional. Así como en la familia lógica de circuitos integrados TTL el circuito integrado 7400 es el componente fundamental de referencia del cual parten todos los demás, y así como en el mundo de los microprocesadores el microprocesador 8008 marcó la pauta a seguir por todos los demás microprocesadores que le sucedieron, del mismo modo en el mundo de los amplificadores operacionales el punto de referencia es un amplificador designado con el número 741.Si fuéramos a comprar en el mercado un amplificador operacional 741 fabricado por la empresa Motorola, dicho componente tendría el siguiente aspecto físico:

El diagrama esquemático de este circuito integrado en relación con sus ocho terminales muestra las siguientes designaciones funcionales de cada una de dichas terminales o "pins":

Esencialmente, el amplificador operacional es representado en los diagramas esquemáticos tal y como se muestra arriba, como un triángulo, con dos terminales de entrada, una entrada inversora (inverting input) identificada con un símbolo menos (-) y una terminal no-inversora (non-inverting input) identificada con un símbolo más (+).
Precaución: Los términos terminal inversora y terminal no-inversora en un amplificador operacional no tienen absolutamente nada que ver con las definiciones usadas en el mundo de los circuitos lógicos en relación con el bloque NOT. El símbolo triangular utilizado para representar un amplificador operacional encierra cómodamente para nosotros algo que es esencialmente un circuito analógico algo complejo, cuyo esquemático detallado es el siguiente:

Aunque el amplificador operacional lo podemos usar como una "caja negra" sin tener que preocuparnos por los detalles internos que muestra este último diagrama, de cualquier modo tenemos que saber cómo llevar a cabo conexiones externas al mismo para poder obtener del mismo algunas funciones analógicas que nos puedan ser de utilidad. Como su nombre lo indica, este componente es un amplificador, un amplificador de una señal analógica que puede variar continuamente entre un rango de valores. Y al amplificar la señal, lo puede hacer invirtiendo la polaridad de la señal con respecto a la señal de entrada (convirtiendo los valores de voltaje positivos a negativos, y los valores de voltaje negativos a positivos) , en cuyo caso lo usamos como amplificador inversor, o dejando que la polaridad de la señal de salida se mantenga con la misma polaridad que la señal de entrada, o sea como un amplificador no-inversor. Para poder utilizarlo en cualquiera de estas dos maneras, es necesario conectarle a cada configuración unas resistencias eléctricas externas como lo muestran los siguientes diagramas:

En el diagrama superior tenemos un amplificador inversor, y en el diagrama inferior tenemos un amplificador no-inversor. Antes de entrar en detalles sobre el funcionamiento de estos circuitos, observemos primero que para poder trabajar adecuadamente el amplificador operacional requiere de dos voltajes, un voltaje positivo +V aplicado en la terminal 7, y un voltaje negativo -V aplicado en la terminal 4. Si fueramos a proporcionar estos voltajes con baterías externas de modo tal que el voltaje positivo sea +V=+15 volts y el voltaje negativo sea -V=-15 volts, lo haríamos utilizando algo como lo siguiente:

Obsérvese en los diagramos de los dos circuitos amplificadores mostrados arriba que no es necesario conectar ninguna de las terminales del amplificador operacional al punto intermedio entre las dos baterías designado en el esquemático como la tierra eléctrica. Una fuente dual de voltajes fácil de implementar con dos baterías desechables proporcionando un voltaje positivo +V=+9 volts y un voltaje negativo -V=-9 volts sería la siguiente:

Sin embargo, como la desventaja de una fuente dual de voltajes construída con baterías desechables es que las baterías tienen una vida de uso limitada, para un diseño fijo que no se estará moviendo mucho de un lugar a otro se puede construír una fuente dual de voltajes alimentada con corriente alterna de línea como la que se muestra a continuación:

Regresemos ahora a los circuitos amplificadores. La señal de entrada una vez amplificada será proporcionada por el amplificador operacional u op-amp en su terminal de salida 6 (output). La ganancia (gain) del op-amp es la medida de la amplificación de voltaje del circuito y se define simplemente como el valor instantáneo del voltaje de salida Vout en la terminal 6 entre el valor del voltaje Vin de entrada:

De este modo, si el voltaje de entrada es de 1 volt y el voltaje de salida es de 10 volts, el op-amp estará amplificando la señal por un factor de 10: la señal de salida será diez veces más grande que la señal de entrada. Si el diseño que utilizaremos será el de un amplificador inversor, entonces usaremos el circuito designado arriba como "inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 2 (inverting input). En este caso, nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de cinco tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser cinco veces más grande que la resistencia R1. Una vez escogidos los valores de las resistencias R1 y R2 el valor de la resistencia R3 estará prácticamente prefijado por la fórmula que nos dice cuál debe ser el valor de dicha resistencia (en algunos diseños, se prescinde de esta resistencia por completo). En la fórmula de la ganancia:
Gain = -R2/R1el signo menos indica que la polaridad de la señal estará invertida con respecto a la polaridad de la señal de entrada, que es justo lo que debe hacer un amplificador inversor.Si por el contrario queremos diseñar un amplificador no-inversor, entonces usamos el circuito designado arriba como "non-inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 3 (non-inverting input) directamente. Aquí también nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual a 1 sumado al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de tres tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser dos veces más grande que la resistencia R1, lo cual sumado a la unidad nos dá una ganancia de tres:
Gain = 1 + (R2/R1) = 1 + (2/1) = 1 + 2 = 3Los valores de las resistencias generalmente deben estar seleccionados en el rango de los miles de ohms (K ohms). Valores demasiado bajos de resistencias, situados por debajo de 1 Kohm, producen corrientes eléctricas grandes que pueden producirle daño al circuito, mientras que valores demasiado grandes de resistencias, situados por encima de 1 Megohm, inducen un efecto indeseable conocido como el ruido térmico (en inglés, thermal noise) o ruido Johnson-Nyquist. A continuación tenemos un amplificador no-inversor construído en torno a un op-amp en el cual se han seleccionado resistencias R1 y R2 con valores respectivos de 1K (mil ohms) y 15K (15 mil ohms), con lo cual obtenemos un factor de multiplicación de 16 sobre la señal de entrada: