¿Qué es un amplificador operacional y cómo funciona?

Un amplificador operacional (op-amp) es un componente electrónico versátil y ampliamente utilizado que desempeña un papel crucial en los circuitos de amplificación y procesamiento de señales analógicas. Es un amplificador de voltaje de alta ganancia con entradas diferenciales y una única salida. Los amplificadores operacionales se caracterizan por su capacidad de amplificar la diferencia de voltaje entre los dos terminales de entrada.

Características clave de un amplificador operacional:

  1. Entradas diferenciales:
    • Los amplificadores operacionales tienen dos terminales de entrada, comúnmente etiquetados como entradas inversoras (-) y no inversoras (+). La diferencia de voltaje entre estas entradas determina la salida del amplificador.
  2. Alta impedancia de entrada:
    • Los amplificadores operacionales suelen tener una impedancia de entrada muy alta, lo que significa que consumen una corriente mínima de la fuente de señal de entrada.
  3. Baja impedancia de salida:
    • Los amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida baja, lo que les permite entregar una corriente relativamente alta a la carga conectada.
  4. Alta ganancia de bucle abierto:
    • La ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional es extremadamente alta y a menudo supera los 100.000. Esto significa que incluso pequeñas diferencias de voltaje en las entradas pueden generar grandes voltajes de salida.
  5. Señales diferenciales y de modo común:
    • Los amplificadores operacionales amplifican la diferencia entre las entradas inversoras y no inversoras (modo diferencial) mientras rechazan las señales de modo común (señales presentes en ambas entradas con el mismo voltaje).
  6. Comentarios negativos:
    • La retroalimentación negativa es una característica común en los circuitos de amplificadores operacionales. Implica devolver una parte de la señal de salida a la entrada inversora. La retroalimentación negativa estabiliza el rendimiento del amplificador, reduce la distorsión y mejora la linealidad.

Circuitos internos:

El circuito interno de un amplificador operacional puede incluir los siguientes componentes:

  1. Amplificador diferencial:
    • El núcleo de un amplificador operacional es un amplificador diferencial, que amplifica la diferencia de voltaje entre las entradas inversoras y no inversoras.
  2. Etapa de alta ganancia:
    • Una etapa de alta ganancia amplifica aún más el voltaje diferencial. Esta etapa contribuye a la alta ganancia general de bucle abierto del amplificador operacional.
  3. Etapa de salida:
    • La etapa de salida es responsable de entregar la señal amplificada al circuito externo. A menudo incluye una configuración push-pull para una entrega de corriente eficiente.
  4. Red de compensación:
    • Las redes de compensación interna se utilizan para estabilizar el amplificador operacional y evitar oscilaciones de alta frecuencia.

Modos de amplificador operacional:

  1. Amplificador inversor:
    • En esta configuración, la salida se invierte con respecto a la señal de entrada. Se logra conectando la señal de entrada a la entrada inversora (-) y proporcionando retroalimentación desde la salida a la entrada inversora.
  2. Amplificador no inversor:
    • La señal de salida está en fase con la señal de entrada en esta configuración. La entrada está conectada a la entrada no inversora (+) y la retroalimentación se aplica desde la salida a la entrada inversora.
  3. Comparador:
    • En el modo comparador, el amplificador operacional se utiliza para comparar dos voltajes de entrada. La salida cambia entre estados alto y bajo según las magnitudes relativas de las entradas.
  4. Integrador y Diferenciador:
    • Al utilizar componentes adicionales, los amplificadores operacionales se pueden configurar como integradores o diferenciadores para realizar operaciones matemáticas en las señales de entrada.

Operación:

  1. Diferencia de entrada:
    • El amplificador operacional amplifica la diferencia de voltaje entre sus entradas inversoras y no inversoras.
  2. Voltaje de salida:
    • El voltaje de salida (�outVout​) es proporcional a la diferencia de voltaje de entrada (�in, diffVin, diff​) multiplicada por la ganancia de bucle abierto (�OLAOL​).

    �out=�OL⋅�in, diffVout​=AOL​⋅Vin, diff​

  3. Comentarios negativos:
    • En circuitos con retroalimentación negativa, parte del voltaje de salida se devuelve a la entrada inversora. Esta retroalimentación, cuando se diseña correctamente, estabiliza el circuito, establece la ganancia de circuito cerrado y garantiza el funcionamiento lineal.

Aplicaciones:

Los amplificadores operacionales encuentran aplicaciones en varios circuitos electrónicos, que incluyen:

  • Amplificadores: Se utilizan para amplificar la señal.
  • Filtros: Empleados en circuitos de filtrado activo.
  • Comparadores: Se utilizan para comparar señales.
  • Osciladores: Empleados en osciladores para generación de señales.
  • Operaciones Matemáticas: Configuradas como integradores y diferenciadores de operaciones matemáticas.

Conclusión:

Los amplificadores operacionales son componentes fundamentales de la electrónica analógica y ofrecen alta ganancia, funcionalidad versátil y compatibilidad con retroalimentación negativa para un funcionamiento estable. Su uso generalizado en diversas aplicaciones los convierte en la piedra angular del diseño de circuitos electrónicos. Comprender los principios del funcionamiento del amplificador operacional es crucial para diseñar y analizar circuitos analógicos.

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