Amplificador Operacional – qué es y sus configuraciones más usadas

El Amplificador Operacional también llamado  OpAmp, o Op-Amp es un circuito integrado. Su principal función es amplificar el voltaje con una entrada de tipo diferencial para tener una salida amplificada y con referencia a tierra. También dichos circuitos existen desde 1964 en donde los primeros modelos son el 702, 709 y 741 desarrollados por Fairchild, y 101 y 301 por National Semiconductor. La salida al mercado de los amplificadores operacionales solvento en gran medida el ardua tarea de amplificar señales con transistores. Actualmente, el uso de los amplificadores operacionales para aplicaciones suele ser más barato, más rápido, mas pequeño en espacio que su contra-parte en transistores, usualmente MOSFET. Algunas de estas aplicaciones pueden ser: amplificador de instrumentación, amplificador diferencia, convertidor de corrientea voltaje. Con un Amplificador Operacional, puedes realizar temporizadores, comparadores o detectores de voltaje, acondicionar señales para ADCs y mucho más.

Existen hoy en día amplificadores operacionales para diferentes tipos de aplicaciones, detallar en cada uno seria imposible. Te dejamos algunos de los más comunes para que con gusto revises sus hojas de datos. Amplificador de instrumentación INA125, OpAmp LM258, Op-Amp MC1741, TL031, TL081, TL084 y el famoso LM741.

Diagrama o símbolo de un Amplificador Operacional

El diagrama o símbolo de un amplificador operacional incluye al conjunto de 2 entradas y una salida. Un oamp tiene una entrada positiva y una negativa. Por ejemplo, en su forma de comparador, si la entrada positiva supera en voltaje a la entrada negativa, la salida se va a su voltaje de saturación. Un O-amp puede ser alimentado con fuentes diferenciales (voltaje positivo y negativo) o fuentes simples (Voltaje positivo y GND). Un oamp tiene distintas configuraciones por ejemplo, inversor, no-inversor, amplificador o sumador, entre otras.

 

Simbolo de un amplificador operacional

 

Configuración del Amplificador Operacional en lazo abierto

La configuración del amplificador operacional en lazo abierto, es una de las más usadas. En esta configuración partimos de que la ganancia esta ajustada a un valor muy alto (aproximadamente 200,000 veces). Esta ganancia el lazo abierto se le conoce como AOL y esta en función a la diferencia de las entradas del Op-Amp.  Las entradas, se les conoce como inversora y no inversora, o más y menos. En este caso vamos a nombrar la no inversora como E1 (+) y la inversora como E2 (-). A continuación tenemos una configuración de un Amplificador Operacional en configuración de lazo abierto.

Configuración del Amplificador Operacional en lazo abierto

Figura 1: Amplificador Operacional el lazo abierto. Ejemplos de OpAmp para un voltaje de saturación de 15V.

Tenemos que considerar que +V y -V son la fuente de alimentación positiva y negativa. Estas están conectadas a las fuentes V1 y V2 respectivamente. Revisar la hoja de datos para revisar el valor de voltaje máximo que soportan estos pines. En este caso vamos a considerar 15V en ambas polaridades. Analizando los circuitos de la figura 1 tenemos. En el lado izquierdo que la entrada E1 tiene un voltaje de 2.1V y la entrada E2 tiene un voltaje de 2.2V. En el lado derecho la entrada E1 tiene un voltaje de 2.1V y la entrada E2 2.0V. Entonces las ecuaciones quedan de la siguiente manera.

    \[ V_o= (E_1-E_2)A_{OL}=(2.1V-2.2V)200,000=(-0.1V)200,000=-20,000V\]

    \[ V_o=-V_{SAT}\approx-14.913V \]

    \[ V_o= (E_1-E_2)A_{OL}=(2.1V-2.0V)200,000=(0.1V)200,000=20,000V\]

    \[ V_o=-V_{SAT}\approx14.913V \]

La Ganancia en lazo abierto

La ganancia en lazo abierto es la salida máxima que se puede obtener del amplificador operacional. Por ejemplo, tomemos en consideración que el voltaje de salida calculado, no corresponde con el obtenido. Esto se debe a que el voltaje de salida esta limitado por la fuente de alimentación, en este caso al ser de 15V el sistema no puede tener un voltaje de salida mayor a 15V. De hecho, este voltaje máximo es el voltaje de saturación. El voltaje de saturación en un amplificador operacional es un “poco” menor que el voltaje de la fuente. Esta caída de voltaje depende del fabricante.

Una de las aplicaciones mas recurrentes de esta configuración es como comparador, en este caso se deja una de las entradas con un voltaje fijo. Usualmente, el voltaje configurado con un divisor de voltaje para tener una referencia. Y la otra entrada conectada a la salida de un sensor. En este caso podemos tener un sistema que tenga una salida activada pasando este umbral. Esta configuración es muy útil ya que no depende de un sistema inteligente como un microcontrolador. En las figuras 2 y 3 podemos observar varias tarjetas de sensores con esta configuración y como es que podemos lograr mediante el divisor nuestra referencia de voltaje.

Usos y aplicaciones de los amplificadores operacionales

Figura 2: Tarjetas de sensores que incorporan amplificador operacional en modo comparador. En la figura 3 se observa su configuración.

amplificador operacional en configuración de comparador

Figura 3. Comparador con umbral determinado por el divisor de voltaje R1 y R2 con la fuente de Vi. El sensor en este caso tiene un valor menor que el umbral, por lo tanto, la salida no esta activa.

Recordemos que el divisor tiene un voltaje de salida respecto a la siguiente expresión. Además en algunos casos se puede aplicar con puentes de wheatstone.

    \[ V_o= V_i \left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right) \]

Configuración del Amplificador Operacional en lazo cerrado (ganancia controlada)

Un amplificador operacional o opamp en ganancia controlada, considera una retroalimentación de la salida respecto a la entrada. Las dos configuraciones más básicas son la del inversor y no inversor. Otras configuraciones se detallaran en otros tutoriales más adelante.

Configuración de un amplificador en modo no inversor

A continuación podemos observar la configuración del operacional en modo no inversor. La entrada a amplificar entra directamente a la entrada de voltaje E1 o “+”. La entrada E2 o “-” esta conectada con una retroalimentación de la salida en donde el voltaje se divide a través de las resistencias R1 y R2. La ganancia de voltaje de esta configuración depende de estas resistencias. La siguiente expresión define la ganancia.

    \[ A_V= \left(1+\frac{R_2}{R_1}\right) \]

En donde la ganancia la multiplicamos por el voltaje de entrada y tenemos el voltaje de salida.

    \[ V_o=A_VV_{in} \]

Amplificador operacional en modo no-inversor

Figura 4: Op-Amp en modo de ganancia controlada no inversor.

Resolviendo para el caso del ejemplo tenemos que:

    \[ A_V= \left(1+\frac{2K\Omega}{1K\Omega}\right)=(1+2)=3 \]

    \[ V_o=A_VV_{in}=(3)(1V)=3V \]

Amplificador operacional Op-Amp en modo inversor

A continuación podemos observar la configuración del operacional en modo inversor. La entrada a amplificar entra a través de la retroalimentación de la entrada E2 o “-“. La entrada E1 o “+” se pone a tierra o GND. La ganancia de voltaje de esta configuración depende de la relación de R2 y R1. La siguiente expresión define la ganancia.

    \[ A_V= \left(-\frac{R_2}{R_1}\right) \]

En donde la ganancia la multiplicamos por el voltaje de entrada y tenemos el voltaje de salida.

    \[ V_o=A_VV_{in} \]

Amplificador operacional en modo inversor

Figura 4: OpAmp en modo de ganancia controlada inversor.

    \[ A_V= \left(-\frac{2K\Omega}{1K\Omega}\right)=-2 \]

    \[ V_o=A_VV_{in}=(-2)(1V)=-2V \]

En conclusión, como puedes observar, este tutorial apenas comienza con la temática de los amplificadores operacionales. Si te gusto este tutorial, porfavor deja tus comentarios.

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Autor: Dr: Hector Hugo Torres Ortega

 

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