Los 10 circuitos fundamentales de amplificadores operacionales
Al igual que las resistencias y los condensadores, que son componentes pasivos, los amplificadores operacionales son uno de los bloques básicos de construcción de los circuitos electrónicos analógicos.
Los amplificadores operacionales (op amp) son dispositivos lineales que poseen todas las propiedades necesarias para una amplificación de DC casi ideal y, por lo tanto, se utilizan ampliamente en el acondicionamiento de señales, filtrado o para realizar operaciones matemáticas como suma, resta, integración y diferenciación. El propósito de este artículo es presentar 10 circuitos básicos para principiantes en el diseño electrónico y para refrescar las mentes oxidadas de los ingenieros.
1. Seguidor de voltaje
El circuito más básico es el búfer de voltaje, ya que no requiere ningún componente externo. Dado que la salida de voltaje es igual a la entrada de voltaje, los estudiantes podrían confundirse y preguntarse si este tipo de circuito tiene alguna aplicación práctica.
Este circuito permite la creación de una entrada de muy alta impedancia y una salida de baja impedancia. Esto es útil para interconectar niveles de lógica entre dos componentes o cuando una fuente de alimentación se basa en un divisor de voltaje. La figura de abajo se basa en un divisor de voltaje, y el circuito no puede funcionar. De hecho, la impedancia de carga puede tener grandes variaciones, por lo que el voltaje Vout puede cambiar drásticamente, principalmente si la impedancia de carga tiene un valor de la misma magnitud que R2.
Para resolver este problema, se inserta un amplificador entre la carga y el divisor de voltaje (ver figura abajo). De este modo, Vout depende de R1 y R2 y no del valor de la carga.
El objetivo principal de un amplificador operacional, como indica su nombre, es amplificar una señal. Por ejemplo, la salida de un sensor debe ser amplificada para que el ADC pueda medir esta señal.
2. Amplificador operacional inversor
En esta configuración, la salida se retroalimenta a la entrada negativa o inversora a través de una resistencia (R2). La señal de entrada se aplica a este pin inversor a través de una resistencia (R1).
El pin positivo está conectado a tierra.
Esto es evidente en el caso especial donde R1 y R2 son iguales. Esta configuración permite la producción de una señal que es complementaria a la entrada, ya que la salida es exactamente opuesta a la señal de entrada.
Debido al signo negativo, las señales de salida y entrada están desfasadas. Si ambas señales deben estar en fase, se utiliza un amplificador no inversor.
3. Amplificador operacional no inversor
Esta configuración es muy similar al amplificador operacional inversor. Para el no inversor, el voltaje de entrada se aplica directamente al pin no inversor y el extremo del lazo de retroalimentación está conectado a tierra.
Estas configuraciones permiten la amplificación de una señal. Es posible amplificar varias señales utilizando amplificadores sumadores.
4. Amplificador sumador no inversor
Para sumar 2 voltajes, solo se pueden agregar 2 resistencias en el pin positivo al circuito del amplificador operacional no inversor.
Vale la pena señalar que sumar varias tensiones no es una solución muy flexible. De hecho, si se añade una tercera tensión con exactamente las mismas resistencias, la fórmula sería Vs = 2/3 (V1 + V2 + V3).
Se necesitaría cambiar las resistencias para obtener Vs = V1 + V2 + V3, o una segunda opción es usar un amplificador sumador inversor.
5. Amplificador inversor sumador
Al agregar resistencias en paralelo en el pin de entrada inversora del circuito del amplificador operacional inversor, todos los voltajes se suman.
A diferencia del amplificador sumador no inversor, se pueden sumar cualquier cantidad de voltajes sin cambiar los valores de las resistencias.
6. Amplificador diferencial
El amplificador operacional inversor (ver circuito número 2) amplificó un voltaje que se aplicó en el pin inversor, y el voltaje de salida estaba desfasado. El pin no inversor está conectado a tierra con esta configuración.
Si el circuito anterior se modifica aplicando un voltaje a través de un divisor de voltaje en la entrada no inversora, terminamos con un amplificador diferencial como se muestra a continuación.
Un amplificador es útil no solo porque te permite sumar, restar o comparar voltajes. Muchos circuitos te permiten modificar señales. Veamos los más básicos.
7. Integrador
Una onda cuadrada es muy fácil de generar, simplemente alternando un GPIO de un microcontrolador, por ejemplo. Si un circuito necesita una onda triangular, una buena manera de lograrlo es simplemente integrando la señal de onda cuadrada. Con un amplificador operacional, un condensador en la trayectoria de retroalimentación inversa y una resistencia en el pin de entrada inversora, como se muestra a continuación, la señal de entrada es integrada.
Tenga en cuenta que, a menudo, se conecta una resistencia en paralelo con el condensador para resolver problemas de saturación. De hecho, si la señal de entrada es una onda sinusoidal de muy baja frecuencia, el condensador actúa como un circuito abierto y bloquea la tensión de realimentación. El amplificador entonces funciona como un amplificador de lazo abierto normal con una ganancia de lazo abierto muy alta, y el amplificador se satura. Gracias a una resistencia en paralelo con el condensador, el circuito se comporta como un amplificador inversor con baja frecuencia, y se evita la saturación.
8. Diferenciador con amplificador operacional
El diferenciador funciona de manera similar al integrador al intercambiar el condensador y la resistencia.
Todas las configuraciones que se presentaron hasta ahora.
9. Convertidor corriente – voltaje
Un fotodetector convierte la luz en corriente. Para convertir la corriente en voltaje, un circuito simple con un amplificador operacional, un bucle de retroalimentación a través de una resistencia en el terminal no inversor, y el diodo conectado entre los dos pines de entrada, permite obtener un voltaje de salida proporcional a la corriente generada por la fotodiodo, lo cual es evidente por las características de la luz.
El circuito anterior aplica la ley de Ohm con la fórmula fundamental: el voltaje es igual a la resistencia multiplicada por la corriente. La resistencia está en Ohmios y siempre es positiva. ¡Pero gracias a los amplificadores operacionales, se puede diseñar una resistencia negativa!
10. Resistencia negativa
Una realimentación en el pin inversor fuerza a que el voltaje de salida sea el doble del voltaje de entrada. Como el voltaje de salida siempre es mayor que el voltaje de entrada, la realimentación positiva a través de la resistencia R1 en el pin no inversor simula una resistencia negativa.
Finalmente, un circuito con un amplificador operacional no necesariamente modifica la señal de entrada, sino que la registra como el amplificador detector de picos.
También: Amplificador operacional detector de picos
El condensador se utiliza como memoria. Cuando la tensión de entrada en la entrada no inversora es mayor que la tensión en la entrada inversora, que también es la tensión a través del condensador, el amplificador entra en saturación y el diodo está polarizado directamente, cargando el condensador. Suponiendo que el condensador no tenga una descarga automática rápida, cuando la tensión de entrada Ve es menor que la tensión a través del condensador, el diodo se bloquea. Por lo tanto, la tensión máxima se registra gracias al condensador.
Hay muchos más circuitos disponibles con amplificadores operacionales, pero entender estos 10 circuitos fundamentales te permitirá estudiar fácilmente circuitos más complejos.
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