Un amplificador operacional (abreviado como op-amp) es un amplificador de voltaje de alta ganancia, con entrada en modo diferencial y acoplamiento directo, generalmente con salida unipolar. Puede generar un potencial de salida (con respecto a tierra) cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial en la entrada. Recibe su nombre porque inicialmente se utilizaba principalmente en circuitos de computación analógica, como operaciones de suma y resta.

Principio de funcionamiento del amplificador operacional

La entrada diferencial de un amplificador operacional incluye una tensión de entrada no inversora y una tensión de entrada inversora. Un amplificador operacional ideal solo amplifica la diferencia entre ambas tensiones, denominada tensión de entrada en modo diferencial. La tensión de salida del amplificador operacional se obtiene mediante la siguiente fórmula:

Vout = (V+ - V-) * Ado

donde Ado es la ganancia diferencial de bucle abierto del amplificador operacional.

Amplificador operacional ideal

Un amplificador operacional ideal generalmente tiene las siguientes características:

1. Ganancia de bucle abierto infinita (Ado = +∞): una propiedad importante de un amplificador operacional ideal es que en el estado de bucle abierto, la señal diferencial en la entrada tiene una ganancia de voltaje infinitamente grande, lo que hace que el amplificador operacional sea muy adecuado para agregar una configuración de retroalimentación negativa en aplicaciones prácticas.

2. Impedancia de entrada infinita (Zin/Rin = ∞): Los terminales de entrada de un amplificador operacional ideal no permiten que fluya ninguna corriente, es decir, las señales de corriente en los terminales V+ y V- son siempre cero, lo que significa que la impedancia de entrada es infinita.

3. Tensión de compensación de entrada cero

4. Ancho de banda infinito (BW = ∞) con desplazamiento de fase cero y velocidad de respuesta infinita: un amplificador operacional ideal amplificará señales de entrada de cualquier frecuencia con la misma ganancia diferencial, sin cambios debido al cambio de frecuencia de la señal.

5. Impedancia de salida cero (Zout/Rout = 0): El terminal de salida de un amplificador operacional ideal es una fuente de voltaje perfecta. Independientemente de cómo varíe la corriente que fluye hacia la carga del amplificador, el voltaje de salida permanece constante; es decir, la impedancia de salida es cero.

6. Cero ruido

7. Relación de rechazo de modo común infinita (CMRR = ∞): Un amplificador operacional ideal solo responde a la diferencia de voltaje entre los terminales V+ y V-; es decir, solo amplifica la parte (V+ - V-). La parte común de las dos señales de entrada (es decir, la señal de modo común) se ignora por completo.

8. Relación de rechazo de fuente de alimentación infinita

Todas estas idealizaciones no pueden realizarse plenamente. Se pueden utilizar resistencias y condensadores equivalentes en el modelo de amplificador operacional para simular los parámetros no infinitos o no nulos de un amplificador operacional real. De esta forma, los diseñadores pueden tener en cuenta estas influencias en el rendimiento general del circuito final. El impacto de algunos parámetros en el diseño final puede ser insignificante, pero es necesario calcular otros que realmente limitan el rendimiento final.

Diseños de aplicaciones comunes

(1) Amplificador inversor de bucle cerrado

La figura anterior muestra el circuito de un amplificador inversor de lazo cerrado. Suponiendo que este amplificador de lazo cerrado utiliza un amplificador operacional ideal, debido a su ganancia infinita en lazo abierto, las dos terminales de entrada del amplificador operacional son tierra virtual. Además, como la impedancia de entrada es infinita, la corriente de Vin a V⁻ es igual a la corriente de V⁻ a V⁻, por lo que:

(2) Amplificador de bucle cerrado no inversor

La figura anterior muestra el circuito de un amplificador de lazo cerrado no inversor. La retroalimentación negativa determina la ganancia de lazo cerrado Acl = Vout/Vin a través de las resistencias divisoras de tensión Rf y Rg. El equilibrio se establece cuando Vout es suficiente para que la tensión en el terminal inversor sea igual a Vin. Por lo tanto, la ganancia de tensión de todo el circuito es 1 + Rf/Rg. La fórmula de la tensión de salida es:

(3) Víbora

La figura anterior muestra un circuito sumador. En un amplificador operacional ideal, dado que la impedancia de entrada es infinita, la corriente que pasa por R1 es igual a la que pasa por R2 y, de forma similar, la corriente que pasa por R3 es igual a la que pasa por R4. Por lo tanto:

(V1-V+)/R1=(V+-V2)/R2

(Vsalida-V-)/R3=V_/R4

Además, debido al cortocircuito virtual, existe: V+=V_

Entonces se puede deducir que: Vout=V1+V2

(4) Circuito integrador

La figura anterior muestra un circuito integrador. En un amplificador operacional ideal, la ganancia en lazo abierto es infinita, la tensión en el terminal de entrada inversor es igual a la del terminal no inversor y, dado que la impedancia de entrada es infinita, la corriente a través de R1 es igual a la corriente a través de C1.

La corriente que pasa por R1 i=V?/R?

La corriente que pasa por C1 i=C·dU./dt

Entonces Vout = ((-1/(R?·C?)·fV?dt

El voltaje de salida es proporcional a la integral del voltaje de entrada en el tiempo, por eso se llama circuito integrador.

(5) Circuito diferenciador

La figura anterior muestra un circuito diferenciador. En un amplificador operacional ideal, la ganancia en lazo abierto es infinita, el voltaje en el terminal de entrada inversor es igual al del terminal no inversor y, dado que la impedancia de entrada es infinita, la corriente a través de R1 es igual a la corriente a través de C1.

Si V1 es un voltaje de CC aplicado repentinamente, la salida Vout corresponde a un pulso en la dirección opuesta a V1.

Amplificador operacional general Slkor SL8634XS14 SOP-14

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