Amplificador operacional: ¿qué es?

amplificador operacional

Si quieres aprender algo más sobre el amplificador operacional, o si aún no sabes lo que es, aquí podrás comprender un poco más este tipo de dispositivos. Además, estos componentes electrónicos son bastante empleados en multitud de circuitos, ya que resultan muy prácticos para multitud de aplicaciones.

Gracias a ellos se pueden procesar señales analógicas, realizar multitud de operaciones con ellas, hacer comparaciones, etc. En la actualidad están presentes en muchos de los circuitos que usas a diario, incluida tu placa Arduino

¿Qué es un amplificador operacional?

símbolo amplificador operacional

El concepto de amplificador operacional aparecería en 1947. Los primeros se construyeron haciendo uso de tubos de vacío para emplearlos en las primeras computadoras analógicas. Gracias a ellos se podían realizar operaciones matemáticas fundamentales, como la suma, resta, multiplicación, división, derivación, integración, etc. De ahí que se llamen amplificadores «operacionales»…

Hasta 1964, gracias a la famosa Fairchild Semiconductor, no llegaría el primer amplificador operacional monolítico construido en un circuito integrado, tal como se distribuyen en la actualidad. Fue obra del ingeniero Robert John Widlar, y se marcó como μA702. Desde ahí iría evolucionando hasta llegar al μA741 de 1968, un chip bipolar que se ha transformado en un estándar de la industria.

Estos amplificadores operacionales (también conocidos como Op Amp), son dispositivos capaces de realizar multitud de tareas según se coloquen los componentes electrónicos que lo acompañan. Esos elementos irán unidos a sus 5 pines (pinout):

  • – input: es la entrada inversora.
  • + input: es la entrada directa, es decir, la no inversora.
  • Output: salida.
  • +Vss: es la alimentación positiva.
  • -Vss: es la alimentación negativa.

En estos dispositivos se cumplen algunas condiciones muy particulares que deberías conocer. Por ejemplo:

  • No hay corriente entrando/saliendo de los pines inversor y no inversor debido a que la impedancia entre ambas es infinita (en un amplificador operacional ideal).
  • La ganancia diferencial en uno ideal será también infinita, aunque en la práctica no es posible, ya que al alcanzar la saturación, la tensión de salida se mantiene constante.
  • La diferencia de potencial entre la entrada inversora y no inversora debe ser nula.
  • Ganancia muy elevada. Pero equilibrada, es decir, será la misma en ambas entradas. Eso implica que la salida sea cero si ambas entradas están alimentadas por señales iguales y de igual polaridad
  • Resistencia de entrada muy alta, y muy baja en la salida.
  • Como cualquier otro amplificador, pueden alcanzar su punto de saturación. En ese instante, la señal de salida no seguirá aumentando aunque sí lo haga la diferencia entre señales.
  • El ancho de banda también es infinito en el caso ideal, pero en un caso real no es posible. Ésto indica el intervalo de frecuencia dentro del cual se mantiene exacta una función operacional determinada.

Y como su propio nombre indica, un amplificador operacional es un dispositivo que puede aumentar cualquier tipo de señal (voltaje o intensidad), tanto de corriente alterna como de corriente continua. Y eso le basta para realizar multitud de operaciones según las configuraciones o modos que veremos en el apartado siguiente…

Modos de operación

Lo bueno del amplificador operacional es que puede configurarse de varias formas para que pueda trabajar de distinta manera:

Inversor

Un amplificador operacional puede trabajar como amplificador de tensión inversor y no inversor. Cuando lo hace como inversor, la tensión de salida está en oposición de fase con la de entrada (en vez de igual fase como en los no inversores).

Además, debes saber que pueden trabajar tanto con corriente continua como con corriente alterna en este tipo de configuración. En el caso de CA se incluirá un condensador C1 en serie y justo delante de R1.

En este caso, la ganancia se puede calcular con la fórmula:

Av = – R2 / R1

Mientras que también se puede calcular la resistencia que se conecta a la entrada y a tierra con:

R3 = R1 · R2 / R1 + R2

No inversor

no inversor

Un amplificador operacional no inversor estará alimentado por la entrada no inversora, y la señal de la salida se encuentra en fase con la de la entrada. En este caso también puede funcionar en esta configuración para CC como CA, agregando en el segundo caso dos condensadores, un C1 en la entrada directa, y un C2 en serie entre R1 y la tierra.

En este caso, la ganancia se calcula de forma diferente:

Av =  R1 + R2 / R1

Mientras que la tercera resistencia se sigue calculando con la misma fórmula que en el inversor…

Sumador de tensión

sumador

Un amplificador operacional puede usarse para mezclar señales de entrada que proceden de distintas fuentes. Este tipo de circuitos usan varias entradas (hasta un máximo de 10, aunque en la imagen solo haya 3).

Lo que sucede aquí es que la intensidad de corriente es igual a la suma de corrientes parciales de las entradas (según establece la ley de Kirchhoff):

Ii =  I1 + I2 + I3

Cada una de esas intensidades, aplicando la ley de Ohm, dependerá de:

I1 =  V1 / R1

I2 =  V2 / R2

I3 =  V3 / R3

Como la intensidad de corriente de entrada tiene el mismo valor y es de signo opuesto a la corriente de salida, se puede determinar que:

Ii = –  Io

Por tanto, se puede determinar que la tensión de salida será:

Vo =  Io · R4 =  -Ii · R4

En este caso, nuevamente agregando condensadores se podría hacer funcionar también con CA…

Restador de tensión

restador

En este caso, es un amplificador diferencial que está formado por uno inversor y otro no inversor. Se puede usar para restar corrientes alternas y continuas, bastará con poner o quitar los condensadores en serie con las resistencias de sus entradas.

En este caso, la tensión de salida será:

Vo =  Vo1 + Vo2 = R4 / R1 (Vo1 + Vo2)

Comparador

comparador

En una configuración como comparador, se compararán dos magnitudes del mismo tipo de una señal  y la señal de salida indicará si los valores de las entradas son iguales o no. Es decir, puede ocurrir lo siguiente:

Si Vi1 < Vi2  la salida Vo será positiva.

Si Vi1 > Vi2  la salida Vo será negativa.

Debes tener en cuenta que si se usa el circuito en lazo abierto (sin la resistencia de realimentación o feedback), se comportará como un comparador de tensión.

Otras configuraciones

Se pueden configurar otras formas para estos amplificadores operacionales, conectarlos en cascada, e incluso sustituir las resistencias por potenciómetros para hacer amplificadores de ganancia variable, como integrador, derivador, como conversores, para funciones logarítmicas y exponenciales, comparador de ventana, etc. Pero estos son menos frecuentes que los que he descrito anteriormente…

Aplicaciones

Las aplicaciones de estos amplificadores operacionales pueden ser múltiples. Seguro que los has usado. De hecho, están presentes en algunas placas de desarrollo, en calculadores digitales, en filtros de sistemas de sonido (paso alto, paso bajo, pado banda, filtros activos, osciladores), en preamplificadores y buffers de audio/vídeo, en reguladores, conversores, adaptadores de niveles (p.e. CMOS-TTL,…), rectificadores de precisión, para evitar el efecto de carga, etc.

Su versatilidad se debe a que pueden funcionar como comparadores de señales, seguidores de voltaje, amplificadores no inversores, un sumador inversor, como sumador inversor, como integrador, derivador, conversor de corriente a tensión, para funciones logarítmicas o exponenciales, como conversores Digital/Analógico, etc.

Amplificadores operacionales más usados

Si eres maker o estás haciendo algún tipo de proyecto DIY, seguro que querrás conocer algunos de los modelos de amplificador operacional más comunes. Como por ejemplo:


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