El Amplificador Operacional

amplificador operacional

Los amplificadores operacionales son circuitos integrados que sirven para amplificar señales de voltaje. Son muy útiles en la elaboración de circuitos.

Un amplificador operacional tiene dos entradas, invertida (-) y no invertida (+), y una salida.

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La polaridad de una señal aplicada a la entrada invertida se invierte a la salida. Una señal aplicada a la entrada no invertida mantiene su polaridad a la salida.

La ganancia (grado de amplificación) de un amplificador operacional está determinada por una resistencia de retroalimentación que alimenta parte de la señal amplificada de la salida a la entrada invertida. Esto reduce la amplitud de la señal de salida, y con ello la ganancia. Mientras más pequeña es esta resistencia menor será la ganancia.

Las primeras veces que se utilizaron los amplificadores operacionales fue en los computadores analógicos, hacia mediados del s. XX e implementados con tubos de vacío. Realizaban sumas, diferencias, multiplicación, diferenciación e integración, y todo ello de forma analógica. De aquí se deriva su nombre “amplificador operacional”.

Las características principales de un operacional son:

  1.  La impedancia de entrada es muy alta, del orden de megohms.
  2.  La impedancia de salida Zout es muy baja, del orden de 1 ohm
  3. Las entradas apenas drenan corriente, por lo que no suponen una carga.
  4. La ganancia es muy alta, del orden de 10^5 y mayor.
  5. En lazo cerrado, las entradas inversora y no inversora son prácticamente iguales.

Circuitos básicos con operacionales.

1. Amplificador no inversor

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Por la característica número 5;  -vin = vin

R1 y R2 forman un divisor de tensión, cuya entrada es vout y la salida del divisor es –vin.

Es decir:

-vin = vin = vout R1 / (R1+R2)

Ganancia = Av = vout/vin = 1+R2/R1

La impedancia de entrada Zin es muy elevada, mientras que la impedancia de salida Zout vale unas décimas de ohm.

La señal de salida está en fase con la entrada por ser inyectada por la entrada no inversora.

2. Amplificador inversor

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La entrada no inversora está a tierra, y por la característica núm.5, A también lo estará. Por tanto, la tensión en R2 vale vout, y la tensión en R1 vale vin, y por tanto la ganancia vale:

Av = -vout / vin = -R2 / R1

El signo menos por ser la señal invertida en fase.

La impedancia de entrada Zin vale R1, puesto que como dijimos, A está puesto a tierra a efectos prácticos. La impedancia de salida Zout vale una fracción de ohm.

3. Buffer o seguidor

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Se trata de un amplificador no inversor cuya resistencia R1 vale infinito y R2 vale cero y ganancia unidad. 

Tiene una impedancia de entrada Zin muy elevada, y una impedancia de salida Zout muy pequeña. Por este motivo se utiliza principalmente para aislar dos circuitos, de manera que el segundo no resulte una carga para el primero, pues la impedancia vista será la altísima Zin del operacional. En este caso se dice que U1 sirve para “adaptar impedancias”.

4. Restador.

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El circuito de la figura resta las señales de entrada y el resultado se amplifica con la ganancia

Av = R2/R1

Es decir:

Vout = R2/R1 (V2-V1)

5. Sumador

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El circuito sumador es una variante del restador presentado anteriormente. 

El punto A es una tierra virtual y por tanto la corriente de entrada vale:

Iin = V1/R + V2/R + V3/R

Se obtiene:

Vout = -(V1+V2+V3)

Las entradas pueden ser positivas o negativas. En el caso de que las resistencias sean diferentes entre sí, se obtiene una suma ponderada. Esto vale por ejemplo para hacer un sumador binario si las resistencias fuesen por ejemplo R, 2R, 4R, 8R, etc., y de hecho constituye el fundamento de un convertidor analógico-digital (ADC: Analog to Digital Converter).