Circuito Diferenciador De Op Amp - Consideraciones, Ecuaciones Y Aplicaciones.

El circuito de amplificador de operación para un diferenciador se ha utilizado en la informática analógica durante muchos años. Aunque los circuitos diferenciadores analógicos que utilizan amplificadores diferenciales hechos con componentes electrónicos discretos se han utilizado durante muchos años, la introducción del circuito integrado de amplificador operacional ha revolucionado el proceso de diseño de circuitos electrónicos.

El altísimo nivel de ganancia del amplificador operacional significa que puede proporcionar un nivel de rendimiento muy alto, mucho mejor que el que podría obtenerse utilizando componentes electrónicos discretos. Una de las aplicaciones de los circuitos diferenciadores analógicos es la transformación de diferentes tipos de formas de onda, como se muestra a continuación.

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    Conceptos básicos del diferenciador del amplificador óptico

    Un circuito diferenciador es aquel en el que la salida de tensión es directamente proporcional a la tasa de cambio de la tensión de entrada con respecto al tiempo. Esto significa que cuanto más rápido cambie la señal de tensión de entrada, mayor será el cambio de la tensión de salida como respuesta.

    Como un circuito diferenciador tiene una salida que es proporcional al cambio de entrada, algunas de las formas de onda estándar como las ondas sinusoidales, las ondas cuadradas y las ondas triangulares dan formas de onda muy diferentes a la salida del circuito diferenciador.

    Conceptos básicos del diferenciador del amplificador óptico

    Para estas formas de onda puede verse que cuanto mayor sea la tasa de cambio de la forma de onda en la entrada, mayor será la tensión de salida en ese punto. De hecho, para la entrada de onda cuadrada, sólo deberían verse picos muy cortos. Los picos estarán limitados por la pendiente de los bordes de la forma de onda de entrada y también por la salida máxima del circuito y su velocidad de giro y ancho de banda.

    Los picos también deberían decaer rápidamente. De nuevo, esto puede estar limitado por el circuito y en el diagrama, el decaimiento no se muestra para ser infinitamente fas, representando mejor lo que una forma de onda de la vida real puede parecer.

    La onda triangular de entrada se transforma en una onda cuadrada en línea con los niveles de subida y bajada de la forma de onda de entrada. La onda sinusoidal se transforma en una forma de onda coseno - dando 90 de cambio de fase de la señal. Esto puede ser útil en algunas circunstancias.

    Circuito diferenciador del amplificador óptico

    Se puede ver que el circuito del amplificador óptico para un integrador es muy similar al del diferenciador. La diferencia es que se cambian las posiciones del condensador y del inductor.

    En su forma básica el centro del circuito se basa en el propio amplificador operacional. Además, se necesitan un par de componentes electrónicos más: se conecta un condensador desde la entrada de todo el circuito a la entrada inversora del amplificador operacional.

    Una resistencia de retroalimentación se utiliza para proporcionar la retroalimentación negativa alrededor del chip del amplificador operacional, que se conecta desde la salida del amplificador operacional a su entrada inversora. La entrada no inversora se conecta a tierra.

    Circuito diferenciador del amplificador óptico

    A diferencia del circuito integrador, el amplificador operacional diferenciador tiene una resistencia en la retroalimentación desde la salida a la entrada inversora. Esto le da estabilidad de CC, un factor importante en muchas aplicaciones.

    Ecuaciones de diseño del circuito electrónico

    Para desarrollar los valores de los componentes electrónicos para el circuito diferenciador, es necesario determinar el rendimiento que se requiere. La salida de tensión para el diferenciador del amplificador operacional puede determinarse a partir de la siguiente relación:

    Ecuaciones de diseño del circuito electrónico

    Donde:

    • Vout = tensión de salida del diferenciador del amplificador operacional
    • Vin = tensión de entrada
    • t = tiempo en segundos
    • R = valor de la resistencia en el diferenciador en Ω
    • C = capacidad del condensador del diferenciador en faradios
    • dVin/dt = tasa de cambio de la tensión con el tiempo.

    Como se ha mencionado, los diferenciadores tienen problemas con el ruido y a veces inestabilidades a altas frecuencias como resultado de la ganancia y también de los cambios de fase internos dentro del amplificador operacional. Estos problemas pueden superarse añadiendo una atenuación de HF. Sólo se necesitan dos componentes electrónicos adicionales para conseguirlo.

    Ecuaciones de diseño del circuito electrónico

    La elección de los componentes electrónicos: el condensador C2 y la resistencia R2 depende en gran medida de las condiciones: el nivel de ruido y el ancho de banda del diferenciador necesario. Los valores más grandes de los componentes electrónicos proporcionan una mayor estabilidad y reducción de ruido a costa del ancho de banda.

    El valor de R2 se puede calcular a partir de la ecuación:

    calcular a partir de la ecuación

    Aunque no siempre se incluye, se puede añadir el condensador C2 para reducir aún más el ruido. Un valor inicial adecuado para ello puede estimarse a partir de la ecuación siguiente.

    calcular a partir de la ecuación

    Con los componentes electrónicos adicionales,, C2 y R2, el circuito comienza a convertirse en un integrador a altas frecuencias (f " 1 / 2 R1 C1 ). Esto ocurre como resultado de la planicidad de la retroalimentación y la compensación global dentro del propio amplificador operacional.

    Consideraciones sobre el diseño del diferenciador de amplificadores operacionales

    Hay una serie de consideraciones de diseño de circuitos electrónicos que deben tenerse en cuenta cuando se utiliza un circuito diferenciador de amplificadores operacionales.

    Recuerde que la salida aumenta con la frecuencia: Una de las facetas clave de tener un condensador en serie es que tiene una respuesta de frecuencia aumentada a frecuencias más altas. La salida del diferenciador aumenta linealmente con la frecuencia, aunque en algún momento las limitaciones del amplificador óptico harán que esto no se mantenga.

    Por lo tanto, es necesario tomar precauciones para tener en cuenta esto durante el diseño del circuito electrónico y el proceso de construcción. El circuito, por ejemplo, será muy susceptible a los ruidos de alta frecuencia, a las captaciones parásitas, etc. El circuito, y su entrada en particular, deben estar protegidos de las captaciones parásitas, ya que, de lo contrario, podrían interrumpir su funcionamiento.

    Límites de los valores de los componentes electrónicos: Siempre es mejor mantener los valores de los componentes electrónicos, es decir, el condensador y sobre todo la resistencia, dentro de unos límites razonables. A menudo, los valores inferiores a 100k para la resistencia son los mejores. De este modo, la impedancia de entrada del amplificador óptico no debería afectar al funcionamiento del circuito.

    Aplicaciones

    El circuito diferenciador tiene muchas aplicaciones en varias áreas del diseño electrónico. El diferenciador de amplificadores operacionales es particularmente fácil de usar y, por lo tanto, es posiblemente una de las versiones más utilizadas.

    Obviamente el circuito se utiliza en ordenadores analógicos donde es capaz de proporcionar una manipulación de diferenciación en la tensión analógica de entrada.

    Posiblemente el circuito diferenciador se utiliza más ampliamente en la instrumentación de procesos. Aquí se puede utilizar para controlar la tasa de cambio de varios puntos. Si el dispositivo de medición devuelve una tasa de cambio mayor que un determinado valor, esto dará una tensión de salida por encima de un determinado umbral y esto puede ser medido utilizando un comparador y utilizado para establecer una alarma o indicación de advertencia.

    Lee: Fundamentos De Los Op-Amp: ¿Qué Es Un Amplificador Operacional?

    De hecho, hay muchas aplicaciones de acondicionamiento de señales en las que puede ser necesario un diferenciador. De las diversas opciones que tiene el diseñador de circuitos electrónicos, la solución de amplificadores operacionales suele ser la más atractiva, ya que requiere pocos componentes y, al mismo tiempo, ofrece un excelente nivel de rendimiento.

    El circuito de amplificador de operación para un diferenciador se ha utilizado en muchas aplicaciones informáticas analógicas, pero también se utiliza en transformaciones de forma de onda cuando es necesario procesar señales.

    La ganancia del circuito de amplificadores operacionales hace que la transformación no sea perfecta, aunque el ruido puede ser un problema y, por esta razón, estos circuitos no se utilizan tanto como podrían.

    Utilizando sólo unos pocos componentes electrónicos y algunas ecuaciones sencillas de diseño de circuitos electrónicos, estos circuitos de amplificadores operacionales son fáciles de implementar.

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