Primeros pasos con la electrónica: Amplificadores operacionales

Publicado por Loli Diéguez en

El amplificador operacional es posiblemente el dispositivo individual más útil en los circuitos electrónicos analógicos. Con solo un puñado de componentes externos, se puede hacer que realicen una amplia variedad de tareas de procesamiento de señales analógicas.

Son los componentes más básicos que se utilizan en la electrónica de la forma más rápida y sencilla posible.

Los amplificadores operacionales, son básicamente un dispositivo amplificador de voltaje diseñado para usarse con otros elementos como condensadores y resistencias entre sus terminales de entrada y salida.

Los amplificadores operacionales son dispositivos lineales que son ideales para la amplificación y se utilizan a menudo en el acondicionamiento de señales, filtrado u otras operaciones matemáticas (suma, resta, integración y diferenciación), lo que se le da el nombre de “amplificador operacional”.

También son bastante económicos y los diseños modernos también se han diseñado pensando en su durabilidad. Varios amplificadores operacionales se fabrican de manera que puedan soportar cortocircuitos directos sin sufrir daños.

Amplificador

Los audífonos son un ejemplo de dispositivos donde la aplicación de amplificadores se ve de forma clarisima. Usan un micrófono para captar sonidos del entorno externo, que luego se convierte en una señal eléctrica. Dentro de este audífono, hay un amplificador que toma esa señal, la aumenta para hacerla más fuerte y la envía a un altavoz que descansa dentro de su canal auditivo.

Todo este proceso de tomar una señal de entrada, amplificarla y enviarla como señal de salida es la esencia de los circuitos amplificadores. 

El impulso que produce un amplificador para una señal determinada es la ganancia (A). Esta es simplemente la diferencia de voltaje entre una señal de entrada y una señal de salida. Por ejemplo, si comienza con 1 V en su entrada y obtiene 5 V en su salida, entonces tiene una ganancia de 5.

¿Qué hace que un amplificador operacional sea especial?

Si bien todos los amplificadores pueden tener el mismo propósito general, cuando necesites un amplificador ideal, entonces querrás usar un amplificador operacional. Dentro de la electrónica analógica, nada se acerca a igualar el rendimiento ideal de un amplificador con características de:

  • Alta ganancia: una de las características más conocidas de los amplificadores operacionales es su muy alta ganancia, que puede oscilar entre 10.000 y 100.000.
  • Alta impedancia de entrada: otro atributo clave es una alta impedancia, y los amplificadores operacionales de ahora vienen con impedancias de entrada que son casi infinitas, midiendo 0.25 MΩ o incluso cientos de millones de ohmios.
  • Impedancia de salida baja: en un amplificador perfecto, obtendrá impedancia de salida cero, y un amplificador operacional es el único componente físico que se acerca a lograrlo. Encontrarás que la mayoría de los amplificadores operacionales basados ​​en IC tienen una impedancia de salida de menos de una centésima de ohmio.

  • Ancho de banda limitado: los amplificadores operacionales también tienen un ancho de banda limitado, lo que puede funcionar a tu favor. Muchos circuitos integrados de amplificadores operacionales utilizados para aplicaciones de audio solo experimentan su ganancia completa en un ancho de banda pequeño. Pero en otros circuitos, querrás reducir esa ganancia, que es donde un ancho de banda limitado resulta útil.

Conexiones de amplificador operacional

Independientemente de tu propósito particular, un amplificador operacional siempre tiene como objetivo entregar un voltaje de salida que aumenta o reduce los voltajes de entrada hasta que sean iguales. Pero, ¿cómo hace que eso suceda? Veamos un símbolo esquemático típico de amplificador operacional para explicar cómo funciona.

Señales de entrada (V+/V-)

Un amplificador operacional es básicamente un dispositivo de tres terminales que consta de dos señales de entrada, una entrada inversora marcada con un símbolo negativo (-) y una entrada no inversora indicada con un símbolo positivo (+). Cuando tenga una señal en su entrada inversora, obtendrá una salida amplificada que es la inversa o lo opuesto a esta señal. Entonces, si entra una señal positiva, entonces su salida será negativa. La entrada no inversora funciona al revés. Si envía una señal positiva a una entrada no inversora, obtendrá una salida que coincide con la señal de entrada, simplemente amplificada.

Señal de salida (Vout)

En el otro lado del símbolo esquemático de este amplificador operacional está la salida. Esta salida toma la diferencia entre las señales de entrada inversoras y no inversoras para producir una señal de salida amplificada hasta que los voltajes de entrada sean iguales. Esta es la razón por la que un amplificador operacional se denomina comúnmente amplificador diferencial porque proporciona un resultado de salida basado en la diferencia entre las dos señales de entrada.

Señales de potencia (Vcc)

También necesitas alimentar tu dispositivo. En la parte superior e inferior del símbolo del amplificador operacional, tiene un Vcc+ y Vcc-, que denota los lados positivo y negativo de una conexión de alimentación de CC. Estos rieles de suministro de energía a menudo no se muestran en los diagramas de circuitos, ya que se supone que siempre estarán conectados. Ya sea que los vea o no, encontrarás amplificadores operacionales conectados a un riel de alimentación de + (5 a 15) V y - (5 a 15) V, todo basado en las especificaciones del chip de amplificador operacional que planees usar .

Lazo abierto

En el circuito del amplificador operacional de bucle abierto, la entrada no inversora está conectada a tierra y se coloca una señal de entrada en la entrada inversora. En esta disposición, el voltaje a amplificar es el mismo que el voltaje de la entrada inversora.

La ganancia de voltaje en un circuito de amplificador operacional de bucle abierto es extraordinariamente alta, del orden de decenas o incluso cientos de miles.

Suponte que estás usando un amplificador operacional cuya ganancia de voltaje de bucle abierto es 200,000 y que la fuente de alimentación es de 9 V. En ese caso, un voltaje de entrada de +0,000025 V dará como resultado un voltaje de salida de +5 V. Un voltaje de entrada de +0,00004 V le dará un voltaje de salida de 8 V.

El voltaje de salida nunca puede exceder el voltaje de la fuente de alimentación. De hecho, la tensión de salida máxima suele ser aproximadamente 1 V menor que la tensión de la fuente de alimentación. Por lo tanto, si estás utilizando un par de baterías de 9 V para proporcionar una fuente de alimentación de 9 V, el voltaje de salida máximo es de 8 V. 

Como resultado, lo máximo que un circuito de amplificador operacional de bucle abierto con una ganancia de bucle abierto de 200,000 puede amplificar de manera confiable es de 0.00004 V. Si la diferencia de voltaje de entrada es mayor que 0.00004 V, se dice que el amplificador operacional está saturado, y la tensión de salida llegará al máximo. 

No importa cuánto dinero hayas invertido en un voltímetro de alta calidad, que no es lo suficientemente sensible para medir voltajes tan pequeños. Por lo que para todos los propósitos prácticos, 0.00004 V es lo mismo que 0 V. 

Como resultado, una de las características básicas de un circuito de amplificador operacional de bucle abierto es que si la diferencia de voltaje de entrada es diferente de cero, el amplificador operacional se saturará y el voltaje de salida será el mismo en su máximo. 

Entonces, si el voltaje de salida máximo es 8 V y la entrada es una onda sinusoidal, la salida será uno de estos tres voltajes: +8 V, 0 V o –8 V. 

Bucle cerrado

Los circuitos de amplificador operacional de bucle abierto no son muy útiles como amplificadores electrónicos porque se saturan muy fácilmente. 

Para que un amplificador operacional sea útil como amplificador, debes usarlo en un circuito de retroalimentación, lo que reduce la ganancia a una cantidad más manejable para que los voltajes de entrada se puedan amplificar de manera confiable.

Probablemente ya estés familiarizado con el concepto de retroalimentación. Lo más seguro es que hayas estado sentado en un auditorio escuchando a alguien hablar por un micrófono cuando de repente un chillido penetrante salió del orador. Ese chillido es la retroalimentación. En ese caso, el micrófono recogió parte de la salida de los altavoces y la envió de vuelta a través del amplificador nuevamente. El resultado es un molesto chillido agudo. 

Pero en un circuito amplificador con amplificadores operacionales, la retroalimentación se usa para reducir la enorme ganancia de amplificación de bucle abierto a una ganancia más manejable. Si la salida de un amplificador operacional se retroalimenta a su entrada inversora y se aplica una señal de voltaje a la entrada no inversora, encontraríamos que el voltaje de salida del amplificador operacional sigue de cerca ese voltaje de entrada.

A medida que aumenta el voltaje de entrada, el voltaje de salida aumentará de acuerdo con la ganancia diferencial. Sin embargo, a medida que aumenta el voltaje de salida, ese voltaje de salida se retroalimenta a la entrada inversora, actuando así para disminuir la diferencia de voltaje entre las entradas, lo que actúa para reducir la salida.

Lo que sucederá para cualquier entrada de voltaje dada es que el amplificador operacional generará un voltaje casi igual al voltaje de entrada, pero lo suficientemente bajo como para que quede suficiente diferencia de voltaje entre el voltaje de entrada y la entrada inversora para ser amplificado para generar el voltaje de salida.

El circuito alcanzará rápidamente un punto de estabilidad, donde el voltaje de salida es la cantidad justa para mantener la cantidad correcta de diferencia, que a su vez produce la cantidad correcta de voltaje de salida. Tomar el voltaje de salida del amplificador operacional y acoplarlo a la entrada inversora es una técnica conocida como retroalimentación negativa , y es la clave para tener un sistema autoestabilizador. Esta estabilidad le da al amplificador operacional la capacidad de trabajar en su modo lineal (activo), en lugar de simplemente estar completamente saturado. Las resistencias se utilizan generalmente para reducir el voltaje que se realimenta a la entrada.

Una gran ventaja de usar un amplificador operacional con retroalimentación negativa es que la ganancia de voltaje real del amplificador operacional no importa, siempre que sea muy grande.

Las ganancias del amplificador operacional, por lo tanto, no tienen que ser establecidas con precisión por la fábrica para que el diseñador del circuito construya un circuito amplificador con una ganancia precisa.

La retroalimentación negativa hace que el sistema se corrija automáticamente. El circuito anterior en su conjunto simplemente seguirá el voltaje de entrada con una ganancia estable de 1.

Los amplificadores operacionales tienen una ganancia extremadamente alta que no podrás cambiar. Es por eso que agregará retroalimentación a su circuito de amplificador operacional con la adición de resistencias y  condensadores o inductores para controlar la ganancia y obtener diferentes resultados de su circuito.

Esta adición de bucles de retroalimentación también le permite crear fácilmente variaciones en un circuito de amplificador operacional para obtener resultados muy diferentes. Estos son los circuitos más comunes que construirás cuando comiences:

Seguidor de voltaje

El circuito más básico es el búfer de voltaje, ya que no requiere ningún componente externo. 

Este circuito permite la creación de una entrada de muy alta impedancia y una salida de baja impedancia. Esto es útil para interconectar niveles lógicos entre dos componentes o cuando una fuente de alimentación se basa en un divisor de voltaje.

 

Amplificador operacional inversor

En esta configuración, la salida se retroalimenta a la entrada negativa o inversora a través de una resistencia (R2). La señal de entrada se aplica a este pin inversor a través de una resistencia (R1). El pin positivo está conectado a tierra. 

Esta configuración permite la producción de una señal de salida que es opuesta a la señal de entrada.

Debido al signo negativo, las señales de entrada y salida están desfasadas. Si ambas señales deben estar en fase, se utiliza un amplificador no inversor.

 

Amplificador operacional no inversor

Esta configuración es muy similar al amplificador de operación inversora. Para el no inversor, el voltaje de entrada se aplica directamente al pin no inversor y el final del circuito de retroalimentación está conectado a tierra.

Estas configuraciones permiten la amplificación de una señal. Es posible amplificar varias señales utilizando amplificadores sumadores.

Amplificador sumador no inversor

Para agregar 2 voltajes, solo se pueden agregar 2 resistencias en el pin positivo al circuito amplificador operacional no inversor.

Vale la pena notar que agregar varios voltajes no es una solución muy flexible. De hecho, si se agrega un tercer voltaje con exactamente las mismas resistencias, la fórmula sería V out = 2/3 (V1 + V2 + V3).

Entonces, las resistencias deberían cambiarse para obtener V out = V1 + V2 + V3, o una solución alternativa es usar un amplificador sumador inversor.

 

Amplificador sumador inversor

Al agregar resistencias en paralelo en el pin de entrada inversora del circuito amplificador de operación inversora, se suman todos los voltajes. 

A diferencia del amplificador sumador no inversor, se puede agregar cualquier cantidad de voltajes sin cambiar los valores de la resistencia.

 

Amplificador diferencial

El amplificador operacional inversor amplificó un voltaje que se aplicó en el pin inversor y el voltaje de salida estaba desfasado. El pin no inversor se conectó a tierra en esta configuración.

Si el circuito anterior se modifica aplicando un voltaje a través de un divisor de voltaje en la entrada no inversora, terminamos con un amplificador diferencial como se muestra a continuación, amplificando la diferencia de voltaje entre las dos entradas.

Un amplificador es útil no solo porque te permite sumar, restar o comparar voltajes. Muchos circuitos te permiten modificar señales. Veamos los más básicos:

Amplificador operacional integrador

Una onda cuadrada es muy fácil de generar, simplemente alternando un pin IO de un microcontrolador, por ejemplo. Si un circuito necesita una forma de onda triangular, una buena forma de hacerlo es simplemente integrando la señal de onda cuadrada. Al colocar un condensador en la ruta de retroalimentación inversora y una resistencia en el pin de entrada inversora como se muestra a continuación, se integrará la señal de entrada.

 

Ten en cuenta que a veces se conecta una resistencia en paralelo al condensador para evitar problemas de saturación. Porque si la señal de entrada fuera una onda sinusoidal de muy baja frecuencia, el capacitor actuaría como un circuito abierto y bloquearía el voltaje de retroalimentación. El amplificador actuaría entonces como un amplificador de bucle abierto normal que tiene una ganancia de bucle abierto muy alta, y el amplificador estaría saturado. Gracias a una resistencia en paralelo del condensador, el circuito se comporta como un amplificador inversor de baja frecuencia y se evita la saturación.

Amplificador operacional diferenciador

El diferenciador funciona de manera similar al integrador al intercambiar el condensador y la resistencia.

Conclusiones

Pues bien, aquí te hemos mostrado todo lo que necesitas saber sobre amplificadores operacionales, son mucho mas complejos que lo que hemos comentado pero nuestraintencion era indicarte lo basico para que tu puedas continuar tu investigacion sobre este componente.


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