Esta sesión discutirá los amplificadores operacionales (“amplificadores operacionales”) y su uso en amplificadores y comparadores.
Amplificadores operacionales: circuitos integrados ubicuos con múltiples aplicaciones
Los amplificadores operacionales funcionan con entradas analógicas. Esta entrada puede amplificarse o atenuarse y usarse para realizar operaciones matemáticas como suma, resta, integración y diferenciación. Debido a su versatilidad, los amplificadores operacionales se utilizan en la mayoría de los circuitos eléctricos.
Un amplificador operacional típico, como se muestra en la Figura 1, tiene una entrada no inversora (Vin (+)), una entrada inversora (Vin (−)) y una salida (Vout). Los amplificadores operacionales también tienen dos entradas de fuente de alimentación (positiva y negativa) y también pueden incluir entradas de compensación y otros terminales, que no se muestran.
La función básica de un amplificador operacional es amplificar en gran medida la diferencia entre dos entradas y generar el resultado. Si la entrada en V(+) es mayor que la entrada en V(-), el amplificador operacional amplificará y emitirá una señal positiva. Cuando V(−) es grande, el amplificador operacional emite una señal negativa amplificada. Otras dos características de un amplificador operacional típico son (a) una impedancia de entrada muy alta y (b) una impedancia de salida muy baja.
La ganancia del amplificador operacional es tan alta que incluso una pequeña diferencia en la entrada llevará rápidamente el voltaje de salida a su máximo o mínimo. Por esta razón, los amplificadores operacionales generalmente se conectan en retroalimentación negativa. Veamos un ejemplo.
Fundamentos de los amplificadores operacionales (1): circuito amplificador inversor
El circuito de la Figura 2 amplifica e invierte (invierte la fase) la señal de entrada y la emite. Este circuito usa retroalimentación negativa. Una parte de la señal de salida se invierte y se devuelve a la entrada. En este ejemplo, la retroalimentación ocurre porque la salida Vout está conectada a la entrada inversora (-) a través de la resistencia R2.
Veamos cómo funciona este circuito. Si la salida no está conectada a la tensión de alimentación, las tensiones aplicadas a las entradas inversora (-) y no inversora (+) son iguales. Las dos entradas actúan como si estuvieran en corto. Puedes imaginarte un corto imaginario. Dado que la diferencia de voltaje entre este cortocircuito imaginario y la entrada no inversora es 0 V, el punto A también es 0 V. Por la Ley de Ohm, I1 = Vin/R1.
Los amplificadores operacionales tienen una impedancia de entrada muy alta, por lo que fluye muy poca corriente a través de la entrada inversora (-). Por lo tanto, I1 fluye por los puntos A y R2. Esto significa que I1 e I2 son efectivamente iguales. Entonces, por la ley de Ohm, Vsal = −I1 × R2. Aquí, I1 es negativo porque I2 fluye desde el punto A donde el voltaje es 0. Otra forma de ver esto es que a partir de un intento de aumentar el voltaje de entrada en la entrada inversora (-), el voltaje de salida amplificado alto invertido fluye de regreso a través de R2 al terminal de entrada inversora (-), donde suprime el aumento de voltaje. El sistema es estable en el voltaje de salida donde el voltaje en la entrada inversora (-) es 0 V, el mismo que el voltaje en la entrada no inversora.
Ahora veamos cómo encontrar la ganancia de un amplificador operacional usando la relación entre entrada y salida. Específicamente, Vout/Vin = (−I1 × R2) / (I1 × R1) = −R2/R1. La ganancia es negativa porque la fase de la forma de onda de salida es opuesta a la fase de la forma de onda de entrada.
Un punto importante a tener en cuenta sobre la ecuación anterior es que la ganancia está determinada completamente por la relación de las resistencias R2 y R1. Por lo tanto, puede cambiar la ganancia simplemente cambiando la resistencia. Entonces, aunque el amplificador operacional en sí tiene una alta ganancia, el uso adecuado de la retroalimentación negativa puede reducir la amplificación real al nivel deseado.
Fundamentos de los amplificadores operacionales (2): Circuitos amplificadores no inversores
En la sección anterior vimos cómo implementar un amplificador inversor usando un amplificador operacional. La figura 3 muestra cómo se puede utilizar para crear un amplificador no inversor. Las principales diferencias entre un amplificador no inversor y un amplificador inversor son que (1) la forma de onda de salida está en fase con la forma de onda de entrada y (2) la entrada se aplica al terminal de entrada no inversor (+). Tenga en cuenta, sin embargo, que tanto los circuitos inversores como los no inversores utilizan retroalimentación negativa.
Entonces, ¿cómo funciona este circuito?Esto significa que tanto las entradas no inversoras (+) como inversoras (-) están en el voltaje Vin. Así que el punto A también está en Vin. De la Ley de Ohm, sabemos que el voltaje a través de R1 es Vin = R1 × I1. Además, dado que esencialmente no fluye corriente a través de ninguna de las entradas del amplificador operacional, I1 = I2. Además, dado que Vout es la suma de los voltajes de R1 y R2, sabemos que Vout= R2 × I2 + R1 × I1. Podemos reordenar estas expresiones para encontrar la ganancia G como G = Vsal/Vin = (1 + R2/R1)
Debido a que este amplificador conserva la fase, a menudo se encuentra en aplicaciones donde las consideraciones de fase son importantes.
Si se elimina R1 y R2 se establece en 0 Ω (en cortocircuito), se convierte en un seguidor de voltaje con una ganancia de 1. Este tipo de circuito se usa a menudo en circuitos de transformación de impedancia y almacenamiento en búfer.