Amplificadores Operacionales

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Un amplificador operacional, a menudo conocido op-amp por sus siglas en inglés (operational amplifier) es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.

Principios de Operación

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.
Amplificador de tensión: proporciona ganancia de tensión.
Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Éste también proporciona una ganancia adicional.^[1]

El dispositivo posee dos entradas: una entrada no inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como

V_{+}

y otra inversora (–) sometida a una tensión

V_{-}

. En forma ideal, el dispositivo amplifica solamente la diferencia de tensión en las entradas, conocida como tensión de entrada diferencial (

V_{\text{in}}=V_{+}-V_{-}

). La tensión o voltaje de salida del dispositivo

V_{\rm {out}}

está dada por la ecuación:

V_{\!{\text{out}}}=A_{\text{OL}}\,(V_{\!+}-V_{\!-})=A_{\text{OL}}V_{\text{in}}

en la cual

A_{\rm {OL}}

representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como "lazo (o bucle) abierto". En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180° para algunas aplicaciones especiales

Lazo Abierto

Amplificador operacional en modo de lazo abierto, configuración usada como comparador.

La magnitud de la ganancia

A_{\rm {OL}}

es, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones

V_{+}

V_{-}

hace que la salida del amplificador sea de un valor cercano al de la tensión de alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitud de

A_{\rm {OL}}

no es bien controlada por el proceso de fabricación, así que es impráctico usar un amplificador en lazo abierto como amplificador diferencial.

Si la entrada inversora es conectada a tierra (0 V) de manera directa o mediante una resistencia

R_{g}

y el voltaje de entrada

V_{\rm {in}}

aplicado a la otra entrada es positivo, la salida será la de la máxima tensión positiva de alimentación; si

V_{\rm {in}}

es negativo, la salida será el valor negativo de alimentación. Como no existe realimentación, desde la salida a la entrada, el amplificador operacional actúa como comparador

Lazo Cerrado

Un amplificador operacional en modo de realimentación negativa.

Si se desea un comportamiento predecible en la señal de salida, se usa la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de lazo cerrado reduce notablemente la ganancia del dispositivo, ya que ésta es determinada por la red de realimentación y no por las características del dispositivo. Si la red de realimentación es hecha con resistencias menores que la resistencia de entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en lazo abierto

A_{\rm {OL}}

no afecta seriamente la operación del circuito. En el amplificador no inversor de la imagen, la red resistiva constituida por

R_{f}

R_{g}

determina la ganancia en lazo cerrado.

Una forma válida de analizar este circuito se basa en estas suposiciones válidas:^[2]

Cuando un amplificador operacional opera en el modo lineal (no saturado) la diferencia de tensión entre las dos entradas es insignificante (V₊ ≅ V₋ ).
La resistencia entre las entradas es mucho más grande que otras resistencias en la red de realimentación (R_in ≫ R_{realimentación} ).