¿Qué son los Amplificadores Operacionales?
Es un circuito integrado con dos terminales de entrada y uno de salida que puede amplificar una señal eléctrica en el lado de entrada y emitirla.
También se denomina amplificador operacional. Mediante el diseño de los elementos del circuito que se van a conectar, los amplificadores operacionales no sólo pueden amplificar, sino también proporcionar funciones aritméticas como la suma, la resta y la integración temporal de las tensiones de entrada.
Los circuitos de amplificación analógica que utilizan estas características son muy utilizados en la actualidad.
Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales
Se conoce una gran variedad de circuitos que utilizan amplificadores operacionales, los más comunes de los cuales se enumeran a continuación.
- Amplificadores de sensor
- Circuitos seguidores de tensión
- Circuitos de amplificación diferencial
- Circuitos de amplificación aditiva
- Circuitos integrales
- Circuitos de diferenciación
- Circuitos de detección lineal
- Circuitos de amplificación logarítmica
- Circuitos osciladores de fase
- Filtros activos
1. Amplificadores de Sensores
Los amplificadores operacionales se utilizan en el campo de los amplificadores de sensores para amplificar diversas micro señales de salida de micrófonos, sensores ópticos, sensores de presión, etc. hasta un nivel de señal que pueda ser manejado por un convertidor A/D. Para evitar los efectos del ruido, se utiliza una configuración de amplificador diferencial o un filtro de paso de banda para eliminar el ruido fuera de la banda de frecuencia de la señal, etc. En este caso se utilizan siempre Amplificadores Operacionales.
2. Seguidor de Tensión
Los amplificadores operacionales también se utilizan como seguidores de tensión. Las fuentes de señal de alta impedancia son susceptibles al ruido y no se puede aumentar la longitud de los cables. El uso de amplificadores operacionales permite utilizar cables más largos y reduce el efecto del ruido.
Principios de los Amplificadores Operacionales
Un op-amp consta de dos terminales de entrada y uno de salida y tiene las siguientes características ideales:
- Ganancia en bucle abierto: infinita
- Corriente de entrada: 0 A
- Impedancia de salida: 0 Ω
En la práctica, la ganancia en bucle abierto es superior a 90 dB, la corriente de entrada es de varios nA a 1 µA y la impedancia de salida es de 0,1 Ω a varios Ω. En principio, se puede suponer lo anterior.
Los dos terminales de entrada del amplificadores operacionales también tienen las siguientes funciones:
- Terminal de Entrada Inversor
Se trata de un terminal en el que la fase de la señal de entrada se invierte 180° y se emite, indicado con un “-” en el símbolo del circuito. - Terminal de Entrada no Inversor
Este terminal produce una salida en fase con la señal de entrada y se indica con un “+” en el símbolo del circuito.
Tipos de Amplificadores Operacionales
Los tipos de amplificadores operacionales pueden clasificarse en función de su “elemento”, “configuración de la fuente de alimentación” y “características”.
1. Clasificación por Elemento
Existen tres tipos de op-amps en función de los elementos que componen el circuito.
- Amplificadores Operacionales Compuestos Únicamente por Transistores Bipolares
Amplificadores operacionales generales, de los que existen muchos tipos que van desde los de alto rendimiento con excelentes características hasta los de uso general. - Amplificadores Operacionales que Utilizan FET como Terminales de Entrada
Aunque se componen básicamente de transistores bipolares, la primera etapa del circuito de entrada es un seguidor de fuente de tipo diferencial que utiliza J-FETs, lo que da como resultado una alta impedancia de entrada y grandes características de slew rate. - Amplificadores Operacionales Construidos en CMOS
Aunque la tensión soportada es relativamente baja, la corriente de polarización de entrada está a un nivel extremadamente bajo y el consumo de corriente es bajo. Otra ventaja es el amplio rango dinámico de entrada/salida y la capacidad de manejar señales de gran amplitud. Sin embargo, no pueden manejar señales de alta frecuencia.
2. Clasificación Según la Configuración de la Fuente de Alimentación
Los amplificadores operacionales pueden clasificarse en los dos tipos siguientes según la configuración de la fuente de alimentación utilizada para su funcionamiento.
- Tipo de Fuente de Alimentación Doble
Amplificadores operacionales que requieren tensiones de alimentación positiva y negativa con respecto al nivel de tierra. - Tipo de Fuente de Alimentación Único
Amplificadores operacionales que funcionan únicamente con tensión de alimentación positiva o negativa.
3. Clasificación por Características
Se suministran amplificadores operacionales con diferentes características, dependiendo las más importantes de la aplicación. Los siguientes son ejemplos de tales dispositivos, que deben seleccionarse adecuadamente en función de las especificaciones requeridas.
- Gran ancho de banda
- Bajo ruido
- Alta precisión
- Funcionamiento Rail-to-Rail
- Baja corriente de polarización
- Bajo consumo de corriente
- Alta corriente de salida
Cómo Utilizar los Amplificadores Operacionales
Los amplificadores operacionales tienen factores de error específicos de los circuitos analógicos. Además, las desviaciones de las características ideales descritas en la sección “principios de los amplificadores operacionales” pueden tener un efecto adverso en el funcionamiento del circuito. Por lo tanto, deben tomarse medidas para evitarlas. A continuación se describen medidas específicas.
- La fuente de alimentación suministrada a los amplificadores operacionales debe producir una tensión estable con bajo nivel de ruido.
- Deben montarse condensadores que absorban el ruido cerca de los terminales de la fuente de alimentación.
- Manténgalo alejado de los circuitos de procesamiento digital, o colóquelo en una caja blindada.
- Instálelo en un entorno donde las fluctuaciones de temperatura sean mínimas.
- Si se requieren características precisas de amplificación y frecuencia, diseñe el dispositivo basándose en la precisión de los elementos del circuito de realimentación y las características de temperatura.
También deben tomarse otras precauciones, pero para las medidas individuales, consulte la literatura especializada o la documentación facilitada por el fabricante del amplificador operacional.
- Anulación de la tensión de offset
- Prevención de señales salientes
- Asegurar el rango dinámico
- Eliminación de los efectos de la corriente de polarización
- Garantizar la capacidad de alimentación de corriente
- Protección contra señales de entrada excesivas
Más Información sobre Amplificadores Operacionales
Fundamentos de los Circuitos de Amplificación
Los amplificadores operacionales tienen una ganancia en bucle abierto extremadamente alta, por lo que las diversas funciones descritas en la sección anterior pueden conseguirse ajustando adecuadamente el circuito de realimentación desde los terminales de salida a los terminales de entrada. A continuación se explican, como ejemplos reales, dos circuitos básicos de amplificadores operacionales.
1. Amplificador Inversor
La señal Vi se conecta al terminal de entrada inversor mediante una resistencia Ri, y el terminal de entrada inversor y el terminal de salida se conectan mediante una resistencia Rf. El terminal de entrada no inversor se conecta directamente a tierra. La señal de salida Vo obtenida con esta configuración es (-Rf/Ri) × Vi.” -” indica que la fase está invertida.
2. Amplificador no Inversor
La señal Vi se conecta directamente al terminal de entrada no inversor. El terminal de entrada inversor se conecta a tierra mediante Ri y al terminal de salida mediante Rf. La señal de salida Vo obtenida en esta configuración es (Rf/Ri) × Vi.