agosto 23, 2021

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¿Qué es un amplificador operacional? y tipos de circuitos

amplificador operacional
Amplificador operacional

El amplificador operacional es un circuito integrado común y base de la electrónica analógica. Como su nombre lo indica, permite realizar varias operaciones con él.

Actualmente es un circuito integrado que internamente cuenta con varios transistores conectados en diversas configuraciones. Lo anterior le permite tener gran cantidad de ventajas en sus diversas aplicaciones.

En esta publicación te platicaré sobre el amplificador operacional. Inicialmente te voy a explicar su funcionamiento básico. Posteriormente, hablaré sobre su grandes virtudes. Finalmente te explicaré el funcionamiento de sus circuitos básicos de conexión, tanto en lazo abierto (sin retroalimentación), como en lazo cerrado (con retroalimentación).

Bases del amplificador operacional

amplificador operacional
Símbolo de amplificador operacional

Los primeros amplificadores operacionales se construyeron de tubos al vacío y eran utilizados principalmente para realizar las operaciones de suma, resta, división y multiplicación o amplificación. Su símbolo es el que se muestra antes de este párrafo. Como se puede observar, básicamente cuenta con dos entradas y una salida, aparte de sus terminales de polarización que generalmente no se indican. La entrada con el símbolo menos (-) se conoce como entrada inversora y la entrada con el símbolo de suma (+), se conoce como entrada no inversora.

Dentro de sus principales características tenemos que cuenta con una ganancia o capacidad de amplificar, en lazo abierto, de un valor muy grande. Prácticamente se encuentra limitada por el voltaje de alimentación y esta ganancia, al igual que otros parámetros, son dados a conocer por su fabricante en su hoja de datos.

También se debe considerar que su ancho de banda es bastante amplio. Es decir, puede responder y hacer operaciones con señales que cambian en el tiempo de frecuencias muy bajas o muy altas. Lo anterior indica que no tendremos que cambiar de amplificador operacional si cambia la frecuencia de las señales con que opera. Cabe señalar que existe amplificadores diseñados para operar en rangos de frecuencia mas específicos, por si se requiere.

También, el amplificador operacional cuenta con una impedancia de entrada alta. Esto indica que tiene un consumo de corriente muy bajo a las fuentes o circuitos conectados a sus entradas. Finalmente, otra característica es que cuenta con una impedancia de salida cero. LO anterior ayuda a una transferencia de energía adecuada para los circuitos que tomen su señal de salida.

Cabe señalar que generalmente el amplificador operacional de polariza con una fuente bipolar, aunque existen versiones que sólo requieren un voltaje positivo.

Circuitos del amplificador operacional en lazo abierto

Como indica el título, los circuitos descritos en esta sección son en lazo abierto. Es decir, que no se toma parte de la señal de salida, específicamente corriente, para insertarse o aplicarse en alguna de las entradas.

Esto generalmente se hace con mediante la conexión de resistencias o capacitores. Los circuitos que voy a explicar a continuación se consideran básicos. Son aquellos donde el amplificador prácticamente realiza la operación de comparación.

Detectores de cruce por cero

Para este detector comenzaremos con el circuito que se muestra a continuación. Se llama circuito detector de cruce por cero no inversor. Como se puede observa, la entrada inversora va conectada a tierra y la señal a analizar (Ei), se conecta en la entrada no inversora.

La operación de este circuito es cambiar su voltaje de salida (señal cuadrada), entre positivo y negativo, cada que la señal de entrada (señal triangular), pasa por cero volts. Dicho de otra forma, el voltaje de salida será positivo cuando el voltaje de entrada tenga esa polaridad. Por otro lado, cuando el voltaje de entrad sea negativo, así lo será el voltaje de salida.

amplificador operacional
Amplificador detector de cruce por cero no inversor

A continuación, se muestra el circuito detector de cruce por cero inversor. A diferencia del anterior, ahora la entra no inversora va conectada a tierra o 0 V y en la entrada inversora se conecta la señal a analizar (Ei).

El funcionamiento del circuito es el siguiente, proporcionar un voltaje de salida de polaridad opuesta a la del voltaje de entrada. Es decir, considerando la imagen, si el voltaje de entrada, que es la señal triangular, es positivo, la salida tiene un voltaje negativo. Por otro lado, si el voltaje de entrada es negativo, el voltaje de salida tiene polaridad positiva.

amplificador operacional
Amplificador detector de cruce por cero inversor

Detectores de nivel

El primer circuito que voy a explicar es el detector de nivel no inversor. Su circuito se muestra a continuación, así como un ejemplo de su funcionamiento con una señal de entrada triangular, una señal de referencia y el voltaje de salida, que corresponde a la señal rectangular.

Este circuito se caracteriza por comparar los dos voltajes de entrada. Se conecta una señal de referencia en la entrada inversora (Vref), y la señal a analizar (Ei), en la entrada no inversora. Cuando el voltaje de Ei sea mayor a la magnitud del voltaje de referencia, el voltaje de salida tendrá polaridad positiva. Por otro lado, cuando el voltaje de entrada sea menor al de referencia, la señal del voltaje de salida tendrá polaridad negativa.

amplificador operacional
Amplificador detector de nivel no inversor

Continuamos con el circuito conocido como detector de nivel inversor. Como se puede observar en la siguiente imagen, el voltaje de referencia ahora se conecta en la entrada no inversora y el voltaje a analizar se conecta en la entrada inversora.

Considerando que el voltaje de analizar tiene la forma de onda triangular, como se muestra, tenemos el siguiente funcionamiento del circuito. Cuando el voltaje Ei es mayor que el voltaje de referencia, el voltaje de salida tendrá polaridad negativa. Por otro lado, si el voltaje de entrada es menor que el voltaje de referencia, entonces el voltaje de salida tendrá polaridad positiva.

detector de nivel inversor
Amplificador detector de nivel inversor

Cabe resaltar que, como se vio en los circuitos anteriores, cuando se habla de un circuito inversor, el circuito cambiará la polaridad del voltaje a analizar (Ei). Es decir, cuando este voltaje sea mayor que cero o mayor a un nivel de referencia, el voltaje tendrá polaridad negativa.

Circuitos del amplificador operacional en lazo cerrado

Este tipo de circuitos se caracterizan por que existe algún dispositivo, generalmente resistencia, conectado entre la salida del amplificador y una de sus entradas. Es decir, se toma parte de la corriente de salida y se aplica en alguna de sus entradas, sumándose con la corriente que genere el circuito conectado a la entrada.

Cabe señalar que este tipo de conexión se le llama de realimentación o retroalimentación. En el caso del amplificador operacional, generalmente se hace entre la salida y la entrada entrada inversora.

La resistencia que se utiliza para retroalimentación se utiliza, para de cierta forma, ajustar la ganancia del amplificador operacional. Cabe señalar, que incluso si tenemos ganancias muy grandes, el voltaje de salida está limitado por el proporcionado mediante las fuentes de alimentación.

Generalmente, tanto en voltaje con polaridad positiva, como con polaridad negativa el máximo voltaje que puede proporcionar el amplificador operacional es igual de alimentación menos 2 V.

Amplificador inversor

Como se puede observar en la imagen, la entrada no inversora se conecta a tierra y la señal que se desea amplificar (Vent), se conecta en la entrada inversora. También existe una resistencia conectada entre la salida y la entrada inversora (Rf).

Cabe señalar, que a diferencia de los circuitos vistos anteriormente, aquí se utilizan resistencias en las conexiones de entrada (Ri) y retroalimentación (Rf). Estas resistencias definen el comportamiento del circuito a través de un parámetro llamado Ganancia. Este parámetro indica la cantidad de veces que se va multiplicar la amplitud o magnitud del voltaje de entrada.

Amplificador inversor

En el caso del amplificador inversor la ganancia está dada por la siguiente ecuación.

ganancia amplificador inversor
Ganancia amplificador inversor

Como se puede observar está dad por la división de la resistencia de retroalimentación y la resistencia de entrada. El signo menos , indica que, aparte de amplificar, el voltaje de salida tendrá la polaridad opuesta al voltaje de entrada. Es decir, el momento en que el voltaje de entrada sea positivo, el voltaje de salida será negativo. Por otro lado, mientras el voltaje de entrada tenga polaridad negativa, la salida tendrá polaridad positiva.

Amplificador no inversor

Para este tipo de amplificador también se tiene una resistencia de retroalimentación conectada entre la salida y la entrada inversora. Cabe señalar, que en este caso, la resistencia de entrada (Ri), que va en la entrada inversora se conecta a tierra. Como se puede en la siguiente imagen, la señal o voltaje a amplificar se conecta en la entrad no inversora.

Amplificador no inversor

También te puedo comentar que la ganancia de este amplificador esta dada por la siguiente ecuación.

Ganancia amplificador no inversor

Cabe señalar que ahora ya no contamos con el signo menos. Es decir el voltaje de salida va a conservar la polaridad que tenga el voltaje de entrada. Asimismo, aparte de conservar la polaridad, se multiplicará el voltaje de entrada, la cantidad de veces que obtengamos al dividir la resistencia de retroalimentación entre la resistencia de entrada y sumar uno.

Amplificador sumador inversor

Amplificador sumador inversor

El circuito anterior se conoce como amplificador sumador inversor. Permite sumar cualquier cantidad de voltajes de entrada que se requieran. Cabe señalar que también puede hacer la operación de resta, sólo hay que conectar el voltaje a restar, con signo negativo.

Como se puede observar, cada uno de los voltajes o señales que se quieren adicionar, debe ser conectado a la entrada inversora con una resistencia. La entrada no inversora se conecta directamente a tierra y se debe incluir la resistencia de retroalimentación.

De forma general, el voltaje de salida de este circuito sumador está dado por la siguiente ecuación:

Ecuación 1 amplificador sumador

Como se ve en la ecuación anterior, cada voltaje a sumarse se ve afectado por el valor de la resistencia con la que es conectado al amplificador operacional. Cabe señalar que generalmente todas las resistencia de entrada se colocan del mismo valor. Lo anterior tiene efecto en la ecuación, simplificándola de la forma en que se muestra a continuación:

Ecuación 2 amplificador sumador

Ahora, podemos observar que el voltaje de salida es más fácil de calcular. Debemos sumar el voltaje de las señales de entrada y multiplicar el resultado por la ganancia. Es decir, por la división del valor de la resistencia de retroalimentación entre el valor de la resistencia que tienen las resistencias de entrada.

Cabe señalar, que el signo menos tiene el mismo significado que el amplificador inversor. Nos indica el voltaje de salida tendrá la polaridad opuesta al voltaje resultado de la suma de los valores de entrada.

También, es posible simplificar la ecuación anterior si todas las resistencia tienen el mismo valor. Por lo tanto, la ecuación queda: Vsal = -(V1 + V1 + . . . + Vn). Es decir, la salida es la suma de los voltaje de entrada, con polaridad opuesta.

El amplificador operacional con retroalimentación positiva

Este tipo de circuitos son menos comunes a los descritos anteriormente. A diferencia de éstos, en este tipo de circuitos, se conecta un dispositivo de la salida a la entrada no inversora. Los mas populares con este tipo de retroalimentación son los filtros. Es decir, circuitos electrónicos, que impiden o dan el paso, de señales de voltaje con cierta frecuencia.

Podemos tener filtro pasa bajas, pasa altas, pasa banda, rechazo de banda etcétera. Su característica es que se incluyen capacitores en el circuito, tanto en la entrada como en la salida del amplificador operacional.

Conclusiones

En esta publicación expliqué que es un amplificador operacional, así como sus características de funcionamiento. Mencioné que requiere de fuentes externas para su funcionamiento, ya sean bipolares o unipolares, dependiendo de la aplicación.

Asimismo, vimos que podemos utilizar al amplificador tanto en lazo abierto como en lazo cerrado. Recordemos que en lazo abierto se utiliza principalmente para operaciones de comparación, generalmente con algún valor de referencia.

También, se vio que dentro de los circuitos de lazo abierto y lazo cerrado, podemos encontrar a aquellos que invierten la señal de entrada y los que no lo hacen. Asimismo, vimos que el amplificador operacional en lazo cerrado generalmente se utiliza para amplificar y en menor uso, para sumar. Cabe señalar que en estos circuito juega un papel importante el valor de las resistencia utilizadas, ya que define su ganancia.

Sobre el Autor

Luis Antonio Mier Quiroga

Académico desde hace 15 años, enseñando materias relacionadas a electrónica, automatización y control. Ha dirigido, realizado y colaborado en proyectos de investigación y desarrollo tecnológico y es autor de publicaciones en revistas especializadas.