Un amplificador operacional (OpAmp) es un circuito integrado con tres terminales: dos entradas denominadas inversora y no inversora, y una salida de voltaje que es proporcional a la diferencia de los voltajes de entrada.
Estos circuitos activos están diseñados para realizar operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación, división, diferenciación, integración, etc.
Podemos utilizar condensadores o resistencias externas para configurar el amplificador operacional de muchas maneras diferentes como el amplificador inversor, amplificador no inversor, seguidor de voltaje, comparador, amplificador diferencial, amplificador sumador, integrador, etc. Los OpAmp pueden ser simples, dobles, cuádruples, etc.
Originalmente, los amplificadores operacionales fueron llamados así porque se usaban para modelar las operaciones matemáticas básicas de suma, resta, integración, diferenciación, etc. en computadoras electrónicas analógicas.
Símbolo del amplificador operacional
Alrededor de un tercio de los circuitos integrados lineales están formados por amplificadores operacionales. El opamp por lo general se simboliza con un triángulo, aunque algunas veces también puede representarse por un cuadrado (OpAmp ideal).
Éste símbolo del OpAmp muestra que el amplificador operacional tiene:
Dos entradas:
Entrada inversora: V-
Entrada no inversora: V+
Una salida controlada por la diferencia de las dos entradas:
Voltaje de salida: Vout
Dos entradas de alimentación:
Una para el voltaje en DC positivo: Vcc+
Y otra para el voltaje en DC negativo: Vcc-
Una entrada aplicada a la terminal no inversora aparecerá con la misma polaridad en la salida, mientras que una entrada aplicada a la terminal inversora aparecerá con polaridad invertida en la salida.
Modelo de circuito equivalente
El modelo del circuito equivalente de un Amplificador Operacional consta de una impedancia en serie con una fuente de voltaje controlada.
El OpAmp percibe la diferencia entre las dos entradas, las multiplica por la ganancia A y provoca que la tensión resultante aparezca en la salida.
La ganancia en tensión de lazo abierto (A) está determinada por cada opamp.
Características de los amplificadores operacionales
Prácticamente todos los amplificadores operacionales tienen la misma estructura interna: son circuitos monolíticos de los cuales un «chip» de silicio constituye el sustrato común. Incluyen como entrada un amplificador diferencial seguido de una etapa de adaptador de impedancia.
- Los OpAmp tienen tres terminales: Dos entradas ( V-, V+ ) y una salida ( Vout ).
- Por lo tanto tienen dos entradas marcadas con + (la entrada no inversora) y – (la entrada inversora) pero solo tienen una salida.
- Todas las conexiones son directas.
- Sin excepción, utilizan dos fuentes de alimentación ( Vcc-, Vcc+ ), simétricas con respecto a tierra. Estos suministros son omitidos en la mayoría de los diagramas.
- Estas dos terminales para alimentación ( Vcc-, Vcc+ ) siempre deberán de estar conectados a una fuente de voltaje DC.
- Tienen una ganancia de voltaje muy significativa: A ≈ 10e5 a 10e7.
- Poseen una impedancia de entrada muy grande: Zin ≈ 105 a 1012 Ω (corriente entre terminales V– y V+ tiende a cero).
- El rechazo del modo común (A_D / A_MC) es muy grande.
- Baja impedancia de salida: Zout ≈ 10 a 20 kΩ.
- El voltaje entre las terminales V– y V+ tiende a cero (tierra virtual o corto virtual).
- La Respuesta de Frecuencia pasa de frecuencias continuas a frecuencias bastante altas: el producto de ancho de banda de ganancia puede superar los 100 MHz.
Configuraciones básicas del OpAmp
Limitaciones del Amplificador Operacional
Saturación
Si la señal de entrada de un amplificador operacional aumenta, la salida también aumentará. Pero hay un límite máximo que la salida puede alcanzar (aproximadamente 1.5 a 2 voltios menos que el voltaje suministrado por la fuente de alimentación). Después de este voltaje, incluso si se aumenta la entrada, la salida no aumentará.
Hay una señal de entrada máxima, lo que significa que la señal de salida también alcanza su máximo (máximo permitido por la fuente). Si la señal de entrada es mayor que esto, se producirá saturación y el voltaje de salida se reducirá en los picos negativo y positivo.
Voltaje de compensación
Es la diferencia en el voltaje obtenido entre los dos pines de entrada cuando el voltaje de salida es nulo, este voltaje es cero en un amplificador operacional ideal y no se obtiene en un amplificador real.
Si se requiere precisión, este voltaje se puede ajustar a cero mediante el uso de entradas de compensación (solamente en ciertos modelos de operacionales).
El amplificador LM741 tiene dos pines disponibles para hacer esto. Estos pines (1 y 5) están conectados internamente a las entradas del amplificador diferencial. Dado que los cambios de temperatura hacen que cambie el desplazamiento (offset), es necesario calibrar constantemente este valor, lo cual es una desventaja, ya que es un proceso monótono y altamente variable.
El rechazo de modo común (CMRR) es un parámetro importante al calcular las contribuciones al voltaje de compensación en una entrada de funcionamiento.
También puede variar según la fuente de alimentación operativa, esto se denomina PSRR (relación de distancia para la fuente de alimentación).
Respuesta a la frecuencia
El amplificador operacional no amplifica de la misma manera para todo el rango de frecuencias.
A medida que aumenta la frecuencia de la señal a amplificar, disminuye la capacidad de amplificar del OpAmp.
Hay una frecuencia en particular para la cual la ganancia de voltaje ha disminuido al 70.7% de la ganancia en las frecuencias centrales (cuando la ganancia ha disminuido en 3 dB). Esta es la frecuencia de corte e indica el límite de ancho de banda superior (BW) para este Opamp.
Historia del Amplificador Operacional
Históricamente, los primeros amplificadores operacionales se utilizaron en computadoras analógicas, en las que se realizaron sumas, restas, multiplicaciones, etc.
El amplificador operacional fue desarrollado a principios de la década de 1940. Los primeros amplificadores operacionales (Op. Amp.) utilizaban tubos de vacío que eran de gran tamaño y consumían una gran cantidad de energía.
A principios de la década de 1960, se comenzaron a integrar múltiples transistores y resistencias en el mismo sustrato de silicio, logrando así pequeños circuitos integrados más parecidos a los que se utilizan hoy en día. Esta tecnología ha permitido construir y montar unidades complejas en una pequeña envoltura de silicio encapsulada en una caja (generalmente con 8 pines) conveniente para usar.
Los amplificadores operacionales han recorrido un largo camino desde sus inicios, y ahora tienden a acercarse mucho al opamp ideal (el amplificador operacional ideal).
Con estos componentes, se tiene acceso a amplificadores que son fáciles de usar, transmiten señales continuas y fáciles de implementar con la ayuda de algunos componentes adicionales (resistencias, condensadores, etc.). Las propiedades de las unidades obtenidas ya casi no dependen del amplificador operacional, sino solo a los componentes pasivos que lo acompañan, lo que garantiza una buena confiabilidad para el resultado y garantiza su repetibilidad.
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4 comentarios
saludos, he entendido todo a la perfección gracias a usted, tiene ejercicios de amplificadores diferencial?
Ojala los profesores se inspiraran en usted.
Podrian poder amplificadores diferenciales?
Un saludo
Excelente información.
Podrían hacer una presentación de Amplificadores operacionales en cascada?
Gracias y Saludos
Claro que si, saludos