ELECTRÓNICA BÁSICA - Amplificador Operacional (IX)

Una vez conocidos los componentes pasivos y activos, vamos a profundizar en los Circuitos Integrados. Como ya se comentó, estos tienen diferentes posibilidades para procesar o tratar una señal. Veremos las aplicaciones más comunes.

Amplificadores Operacionales.

Ya dijimos que, un amplificador operacional es, básicamente un dispositivo electrónico compacto activo y lineal de alta ganancia, capaz de amplificar, el cual funciona con corriente continua, y se caracteriza por poseen dos conexiones de entrada y una conexión de salida. La salida es la diferencia de las dos entradas, multiplicada por un factor de Ganancia (G):

V_out = G x (V₊ - V_-)

También, se conoce a estos dispositivos con las siglas A.O, O.A. ó OPAMP, tomado del inglés “Operational Amplifier”. Permite realizar sumas o restas de señales así como integrar o diferenciar.

El primero del que se tiene registro fue elaborado por R.J. Widlar que lo llamó μA702. Casi treinta años después apareció un modelo cuya compensación interna significo una evolución importante, conocido como OA741.

Estos equipos, en un principio, fueron diseñados con la finalidad de amplificar la potencia de la corriente. Sin embargo, también son ampliamente utilizados para otros usos, como el de acondicionamiento de señales, lo cual quiere decir que ayuda a aumentar la potencia y la intensidad.
Los Amplificadores Operacionales tienen la característica de tener muy alta la impedancia de entrada (Z), la ganancia (G) y el ancho de banda (BW). La impedancia de salida es nula así como también el tiempo de respuesta.

En el esquema, se pueden observar dos patillas de alimentación (+Vs y -Vs), una entrada no inversora (+V), una entrada inversora (-V) y una de salida (Vout).
Algunos A.O. como el LM386, disponen de una patilla adicional de bypass. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común.

i	Los Amplificadores Operacionales, poseen dos conexiones de entrada y una conexión de salida. La salida es la diferencia de las dos entradas, multiplicada por un factor de Ganancia

En los esquemas electrónicos, s suele representar de la siguiente forma:

Funcionamiento de AmpOp.

Un amplificador operacional según sea el caso, tiene un comportamiento específico. Cuando no hay una realimentación en la salida del dispositivo se denomina lazo abierto. Es el resultado de la resta entre las dos entradas que se multiplica por un valor determinado que puede llegar a ser 100.000.
Al no poder entregar más tensión que la de alimentación, se satura. Es decir, que si la tensión es superior a la que se aplica en el pin positivo, entonces el de salida corresponde al de la alimentación. Si la tensión es superior a la del pin negativo, entonces equivale al valor de la alimentación de salida VS-.
En el caso de que haya realimentación, se supone que es negativa. También, se conoce como lazo cerrado. El valor de la tensión en las dos entradas es el mismo. Cuando la tensión aumenta en la conexión positiva también la tensión aumenta en la conexión negativa. Al haber una realimentación, la tensión en la conexión negativa hace la diferencia entre ambas y se reduce. Al estabilizarse, el valor de la conexión de salida se mantiene con el mismo valor.
Cuanto menor sea la impedancia de salida esto hará que pueda funcionar mejor. En este caso, la señal de salida es independiente de las variaciones de la ganancia, en cambio si depende de la ganancia de realimentación.
También, aumenta el ancho de banda al aumentar la frecuencia de corte durante el proceso de realimentación. Si se conecta la salida con la entrada no inversora se está realizando una realimentación positiva.
Vamos a ver estas configuraciones básicas del Amplificador Operacional, muy resumidas.

Amplificador Inversor.

En este circuito, la entrada V+ está conectada a masa y la señal se aplica a la entrada V- a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2. La entrada V-, es un punto de tierra virtual, ya que está a un potencial cero.
El circuito más utilizado es el circuito de ganancia constante. El amplificador inversor amplifica e invierte una señal 180º, es decir, el valor de la tensión de salida está en oposición de fase con la de entrada y su valor se obtiene al multiplicar la tensión de la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entre R2 y R1, dando la señal invertida (desfasada).

Amplificador No Inversor.

La tensión de entrada Ve, está en fase con la de salida Vs. La tensión de salida, genera una corriente a través de R2 hacia el terminal inversor, y a su vez a través de R1, se genera una corriente hacia el mismo terminal pero de signo contrario, por lo que ambas corrientes se anulan, reflejando en la salida la tensión de entrada amplificada.
Según se ha mencionado antes, el valor de +Ve se refleja en la entrada inversora -Ve del amplificador operacional y teniendo en cuenta que se considera un «cortocircuito virtual», podemos establecer que:

Ie = Ve / R1

Y como la corriente en la entrada inversora es igual a cero, ambas son iguales, por lo que la tensión de salida, y por tanto la ganancia (Av) se puede calcular con la siguiente ecuación:

Amplificador Diferencial.

La configuración más común es permitir la entrada de señal, por ambas puertas. La señal de salida será proporcional a la diferencia entre las entradas y estará en fase con las señales aplicadas. Aunque está basado en las dos disposiciones vistas anteriormente. El amplificador diferencial tiene características únicas.
En la figura, se muestra un dispositivo activo lineal con dos entradas V1 y V2 y una salida Vo, respecto a la tensión media de alimentación o masa. En el amplificador diferencial ideal, la tensión Vo sería:

Vo = Ad (V1 – V2)

Donde Ad es la ganancia. La señal de salida no se ve afectada por cualquier señal común en ambas entradas.
Esta configuración es única porque rechaza una señal común a ambas entradas. Esto se conoce como la propiedad de tensión de entrada diferencial nula.
Puesto que, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplican señales iguales en ambas entradas, la ganancia para señales en modo común es cero.
Las impedancias de las dos entradas de etapa son distintas. Para la entrada no inversora V+, la impedancia de entrada es R1 + R2. La impedancia para la entrada inversora V- es R3. La impedancia de entrada diferencial es la impedancia entre las entradas, es decir, R1+R3.

Seguidor de Tensión.

En esta configuración, la señal de salida, se aplica a la entrada no inversora en realimentación total, por lo que la señal Ve de entrada es similar al de salida, con lo cual no existe amplificación.
Esto que aparentemente no tiene sentido, tiene aplicación en los conversores de impedancia, ya que toma la señal del circuito anterior, presentando una alta impedancia y entrega una impedancia prácticamente nula al circuito de salida.

Sumador Inversor.

El sumador inversor, es una aplicación práctica de la característica de tierra virtual en el nudo suma, en la entrada V-. Este es de los circuitos que probablemente sea el más utilizado, el amplificador sumador.
En el sumador inversor, la salida es la suma algebraica de las tensiones de cada entrada multiplicado por el factor de ganancia constante.

En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V+ está conectada a masa, por lo que la tensión V- estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente circulará a través de R4 y es la que establece la ganancia del circuito, que se comporta como en el amplificador inversor básico. La parte más interesante de esta configuración es el hecho de que la mezcla de señales lineales de entrada, no produce interacción entre las entradas, puesto que todas las fuentes de señal alimentan el punto de tierra virtual. El circuito puede admitir cualquier número de entradas.

Amplificador Integrador.

Una modificación del amplificador inversor, es el integrador. Se aplica una tensión de entrada Ve, a R1, lo que da lugar a una corriente Ie. Como ocurría con el amplificador inversor, V- = 0, puesto que V+ = 0 que, por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada ie pasa hacia el condensador Co, a esta corriente la llamamos Io.
Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, Io igual a Ie.

El elemento realimentador en el integrador es el condensador Co. Por consiguiente, la corriente constante Io, en Co da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar Co por el lazo de realimentación.
Entre las múltiples aplicaciones que tiene el amplificador operacional, es de gran importancia la del computador analógico, lo cual, consiste en la implementación y solución de sistemas de ecuaciones lineales además de la solución de ecuaciones diferenciales de cualquier orden

Amplificador Diferenciador.

Otra modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador o derivador mostrado en la figura. En el que, la tensión de salida es proporcional a la derivada de la señal de entrada Vi y a la constante de tiempo (t =RC), la cual generalmente se hace igual a la unidad. Para efectos prácticos el diferenciador proporciona variaciones en la tensión de salida ocasionadas por el ruido para el cual es muy sensible, es la razón por la cual es poco utilizado.

En próximas publicaciones, continuaremos con más circuitos integrados relevantes.

Y aquí tienes la publicaciones anteriores, por si os perdisteis alguna:

Electrónica Básica, Conceptos Básicos (I)  
Electrónica Básica, Circuitos Básicos (II)
Electrónica Básica, Resistencias (III)
Electrónica Básica, Condensadores (IV)
Electrónica Básica, Inductores (V)
Electrónica Básica, Diodos (VI)
Electrónica Básica, Transistores (VII)
Electrónica Básica, Circuitos Integrados (VIII)

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