Introducción al Amplificador Operacional (AO)

Definición

Un amplificador operacional (AO) es un amplificador de gran ganancia utilizado para realizar múltiples funciones en circuitos electrónicos analógicos.

Se utiliza en diferentes tipos de circuitos como:

• Amplificación de señales
• Operaciones matemáticas con señales
• Comparación de señales
• Conversión de señales
• Filtrado de señales

Es un circuito integrado muy utilizado en electrónica.

Terminales del Amplificador Operacional

Un amplificador operacional consta de 5 terminales principales:

• Alimentación positiva: $\text{V}_{s+}$
• Alimentación negativa: $\text{V}_{s-}$
• Entrada positiva: $\text{V}_{+}$
• Entrada negativa: $\text{V}_{-}$
• Salida: $\text{V}_{out}$

Las entradas $\text{V}_{+}$ y $\text{V}_{-}$ se utilizan para aplicar las señales que se quieren comparar o amplificar. La salida $\text{V}_{out}$ entrega la señal resultante del proceso de amplificación.

Alimentación del AO

El amplificador operacional normalmente utiliza dos fuentes de alimentación simétricas. Esto significa que dispone de:

• Una alimentación positiva
• Una alimentación negativa

Estas tensiones limitan el valor máximo y mínimo que puede alcanzar la salida.

Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales

Los amplificadores operacionales pueden utilizarse en muchos tipos de circuitos:

Circuitos Amplificadores de Señal

• Amplificador inversor
• Amplificador no inversor

Circuitos Operadores de Señales

• Sumador
• Derivador
• Integrador
• Comparador

Circuitos Convertidores de Señales

• Convertidor digital a analógico (D/A)
• Convertidor analógico a digital (A/D)

Circuitos Filtros Activos

• Filtro paso bajo
• Filtro paso alto
• Filtro paso banda
• Filtro banda eliminada

También existen circuitos de aplicaciones típicas basados en AO.

El AO Ideal

El amplificador operacional ideal es un modelo teórico que permite simplificar el análisis de los circuitos. Se considera que el AO ideal tiene las siguientes características:

• Impedancia de entrada infinita
• Ganancia en modo diferencial infinita
• Ganancia en modo común nula
• Impedancia de salida nula
• Ancho de banda infinito

Estas características permiten simplificar el estudio del funcionamiento de los circuitos con AO.

Leyes Fundamentales de los AO Ideales

Primera Ley

La corriente que circula por las entradas del amplificador operacional es nula. Esto ocurre porque la impedancia de entrada es infinita.

$$\text{I}_{p} = \text{I}_{n} = 0$$

Segunda Ley

La tensión de salida es proporcional a la diferencia entre las tensiones de entrada.

$$\text{V}_{o} = \text{A}_{v} (\text{V}_{p} – \text{V}_{n})$$

Donde:

• $\text{V}_{o}$: tensión de salida
• $\text{A}_{v}$: ganancia del amplificador
• $\text{V}_{p}$: tensión en la entrada positiva
• $\text{V}_{n}$: tensión en la entrada negativa

Tercera Ley

La tensión de salida está limitada por los valores de alimentación.

$$\text{V}_{o} \in [\text{V}_{cc}, \text{V}_{ee}]$$

Esto significa que la salida no puede superar las tensiones de alimentación.

Regiones de Operación del AO

El comportamiento del amplificador operacional se puede representar mediante tres regiones de funcionamiento. Estas regiones dependen de la diferencia entre las tensiones de entrada:

$$\text{V}_{i} = \text{V}_{p} – \text{V}_{n}$$

Región Lineal

En esta región el amplificador funciona como un amplificador proporcional. La salida se calcula mediante:

$$\text{V}_{o} = \text{A}_{v} \cdot \text{V}_{i}$$

La representación gráfica es una recta que pasa por el origen.

Región de Saturación Positiva

Cuando la diferencia de tensión entre las entradas es suficientemente grande, la salida se satura en el valor máximo positivo:

$$\text{V}_{o} = +\text{V}_{cc}$$

Región de Saturación Negativa

Cuando la diferencia de tensión entre las entradas es suficientemente grande pero negativa, la salida se satura en el valor máximo negativo:

$$\text{V}_{o} = \text{V}_{ee}$$

Si la alimentación es simétrica: $\text{V}_{ee} = -\text{V}_{cc}$.

Modos de Funcionamiento de los AO

El amplificador operacional puede trabajar en dos modos diferentes dependiendo de si existe realimentación.

AO en Lazo Abierto

En este caso el circuito no tiene realimentación. La señal de salida no vuelve a la entrada. Debido a la enorme ganancia del AO, incluso una pequeña diferencia entre las entradas provoca saturación en la salida. Por esta razón el AO trabaja principalmente en las regiones de saturación. En esta configuración el AO se utiliza como comparador.

Sistemas en Lazo Abierto

Un sistema de control en lazo abierto es aquel en el que el sistema actúa solo sobre la señal de entrada sin tener en cuenta lo que ocurre en la salida. En estos sistemas la salida no influye sobre la entrada.

Ejemplo: Un sistema de riego con reloj que riega una jardinera todos los días independientemente de si hay humedad o no.

AO como Comparador

Cuando el amplificador operacional funciona en lazo abierto se comporta como un comparador. Compara las tensiones de sus dos entradas.

• Si: $\text{V}_{p} > \text{V}_{n}$, la salida se satura hacia el valor positivo de alimentación.
• Si: $\text{V}_{p} < \text{V}_{n}$, la salida se satura hacia el valor negativo de alimentación.

AO en Lazo Cerrado

En este caso el amplificador operacional tiene realimentación. La señal de salida se envía de nuevo hacia la entrada. Esto permite controlar la ganancia y evitar la saturación. Cuando existe realimentación el AO se utiliza como amplificador.

Realimentación

La realimentación consiste en tomar una parte de la señal de salida y aplicarla a la entrada. Esto modifica la señal de entrada y permite controlar el comportamiento del circuito. Existen dos tipos de realimentación:

• Realimentación positiva
• Realimentación negativa

Los circuitos que tienen realimentación se denominan circuitos en lazo cerrado.

Configuraciones Básicas de AO

Existen diferentes configuraciones dependiendo de cómo se conecten las entradas y las resistencias del circuito. Las configuraciones más importantes son:

• Amplificador inversor
• Amplificador no inversor
• Seguidor de tensión
• Amplificador sumador
• Amplificador diferencial o restador

Amplificador Inversor

En esta configuración la señal de salida está invertida respecto a la señal de entrada. La señal de salida está desfasada 180 grados respecto a la señal de entrada. La ganancia del circuito es negativa. La ganancia depende únicamente de los valores de las resistencias $\text{R}_{1}$ y $\text{R}_{2}$.

Amplificador No Inversor

En esta configuración la señal de salida no está invertida. La salida tiene la misma fase que la señal de entrada. La ganancia depende de las resistencias del circuito. La ganancia siempre es mayor que 1.

Seguidor de Tensión

En esta configuración la salida sigue exactamente a la entrada: $\text{V}_{o} = \text{V}_{in}$. La señal de salida es igual a la señal de entrada. Se utiliza para aislar eléctricamente dos partes de un circuito.

Amplificador Sumador

Este circuito permite sumar varias señales de entrada. Las señales aplicadas a las diferentes entradas se suman en la salida. Se utiliza para realizar operaciones matemáticas con señales.

Amplificador Diferencial o Restador

Este circuito realiza la resta entre dos señales de entrada. La señal de salida depende de la diferencia entre las señales aplicadas a las entradas.

Amplificador de Instrumentación

Es un amplificador diferencial de alta precisión. Sus características principales son:

• Alta precisión
• Gran estabilidad
• Ganancia ajustable con gran exactitud

Sus características no se modifican al conectarlo con otros circuitos.

CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

CMRR significa Common Mode Rejection Ratio. Es el factor de rechazo al modo común. En un amplificador de instrumentación, cuando las dos tensiones de entrada son iguales, la salida ideal debería ser cero. En la práctica aparece una pequeña señal de salida. El CMRR mide la capacidad del amplificador para rechazar señales iguales en ambas entradas. El CMRR es positivo y se mide en decibelios (dB).

Filtros con Amplificadores Operacionales

Filtros

Un filtro es un sistema que permite el paso de señales eléctricas dentro de un rango de frecuencias determinado y bloquea el resto. Los filtros se utilizan para:

• Acondicionar señales de entrada
• Digitalizar señales
• Acondicionar la señal producida

Filtros Pasivos

Los filtros pasivos están formados únicamente por:

• Resistencias
• Condensadores
• Bobinas

Estos filtros no aportan ganancia al sistema.

Filtros Activos

Los filtros activos utilizan amplificadores operacionales además de componentes pasivos. Componentes de un filtro activo:

• Amplificador operacional
• Resistencias
• Condensadores
• Bobinas

Los filtros activos permiten filtrar y amplificar la señal.

Función de Transferencia

La función de transferencia describe la relación entre la señal de salida y la señal de entrada de un filtro. En un filtro paso bajo la respuesta en frecuencia disminuye cuando la frecuencia supera la frecuencia de corte. Para frecuencias superiores a la frecuencia de corte la amplitud de salida disminuye con una pendiente de:

20 dB por década.

Orden de un Filtro

El orden de un filtro indica la rapidez con la que disminuye la respuesta del filtro en la zona de transición. A mayor orden del filtro:

• Mayor pendiente de la respuesta

El orden es un número entero. El orden también indica el número mínimo de componentes reactivos necesarios (condensadores y bobinas). Ejemplo: Un filtro de tercer orden necesita al menos tres componentes reactivos. Los filtros de orden superior son más complejos y más costosos de construir.

Filtro Paso Bajo

Permite el paso de frecuencias menores que una frecuencia determinada llamada frecuencia de corte. Bloquea las frecuencias superiores.

• Frecuencia de corte: $\text{f}_{c} = 1 / (2 \cdot \pi \cdot \text{R}_{1} \cdot \text{C}_{1})$
• Ganancia: $\text{A} = 1 + (\text{R}_{2} / \text{R}_{3})$

Filtro Paso Alto

Permite el paso de frecuencias superiores a la frecuencia de corte. Bloquea las frecuencias inferiores.

• Frecuencia de corte: $\text{f}_{c} = 1 / (2 \cdot \pi \cdot \text{R}_{1} \cdot \text{C}_{1})$
• Ganancia: $\text{A} = 1 + (\text{R}_{3} / \text{R}_{2})$

Filtro Paso Banda

Permite el paso de un rango de frecuencias entre dos frecuencias de corte. Se puede construir conectando en cascada:

• Un filtro paso alto
• Un amplificador operacional
• Un filtro paso bajo

Etiquetas: amplificador operacional, AO, Circuitos Analógicos, ganancia