AMPLIFICADORES OPERACIONALES

existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos analógicos ese elemento es sin duda el amplificador operacional. Con él podremos amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc. Los sistemas de control analógico encuentran en el amplificador operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso años atrás fue empleado para el diseño de computadoras analógicas (de ahí el nombre de operacionales).

Partir del amplificador operacional sin siquiera conocer el funcionamiento del transistor podría parecer un error. Esta consideración pierde importancia si tenemos en cuenta que en la actualidad el transistor como componente discreto ha quedado relegado a usos muy puntuales, siendo su coste similar al de un amplificador operacional. 

EL MODELO IDEALUn amplificador operacional es un dispositivo electrónico activo siendo capaz de ofrecer una tensión de salida en función de una tensión de entrada. Vamos a considerar única y exclusivamente el amplificador operacional ideal, que aun no existiendo en la vida real, es una aproximación muy precisa y perfectamente válida para el análisis de sistemas reales. 

Debido a que en ningún momento entraremos en el diseño interno del circuito deben ser asumidas. Recordamos una vez más que son características teóricas, si bien las reales se aproximan a las teóricas:

Ancho de banda infinito (podemos trabajar con señales de cualquier frecuencia).

Tiempo de conmutación nulo Ganancia de tensión infinita. Impedancia de entrada infinita.

AMPLIFICADOR INVERSORLa configuración más sencilla es la inversora. Dada una señal analógica (por ejemplo de audio) el amplificador inversor constituye el modo más simple de amplificar o atenuar la señal (en el ejemplo propuesto modificar el volumen de la señal).

el modo amplificador inversor. Hemos afirmado anteriormente que la impedancia de entrada del dispositivo es infinita, por lo cual no circulará corriente en el interior del amplificador operacional y las resistencias R1 y R2 estarán dispuestas en serie. Por encontrarse estas resistencias dispuestas en serie la corriente que atravesará ambas será la misma, podemos afirmar por tanto:

A continuación se va a demostrar como Va es nula. Si tenemos en cuenta que la ganancia de tensión de un amplificador operacional debe atender a la relación salida/entrada:

Al ser una de las características del ampop la ganancia en tensión infinita podemos intuir que la única solución válida es disponer a la entrada del ampop de una tensión nula.

Tabla ComparativaEn la siguiente tabla se muestran los 11 amplificadores operacionales y los dos amplificadores de instrumentación que he escogido y se aportan datos de las características eléctricas más importantes de cada uno de ellos. Alguna característica como la resistencia de salida no se ha incluido porque era una información que tan sólo estaba disponible por dos de los dispositivos.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Un amplificador operacional es un amplificador diferencial con una ganancia muy alta, de elevada impedancia de entrada y una impedancia de salida baja. Los usos más típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios de amplitud de voltaje (amplitud y polaridad), osciladores, circuitos de filtros y muchos otros tipos de circuitos de instrumentación. Los amplificadores operacionales fueron denominados así por su utilización en pequeños ordenadores de cálculo analógico, para realizar operaciones básicas de suma o producto, cálculo integral y diferencial, etc. Sin embargo, su versatilidad es tan grande que en la actualidad se utilizan en una gran variedad de equipos electrónicos, tales como fuentes de alimentación, osciladores, convertidores analógico-digitales, entre otros, siendo comercializados como unidades compactas en forma de circuitos integrados.

Características del amplificador operacional

Con objeto de conseguir una ganancia elevada, el amplificador está constituido por varias etapas de amplificación. Las dos entradas suelen estar precedidas por amplificadores del tipo JFET lo que hace que tengan resistencia de entrada muy alta (hasta centenas de megaohms).

También existe una etapa de potencia precediendo a la etapa final de salida. Esta etapa final de salida está basada en un amplificador seguidor de emisor, por lo que el conjunto adquiere una resistencia de salida muy baja .

Las etapas de amplificación son de acoplamiento directo, es decir sin condensadores, lo cual permite que el amplificador sea capaz de operar con señales tanto en continua como en alterna. siempre que la frecuencia no sea muy elevada.

Amplificador Operacional Ideal presenta las siguientes características:

i) El voltaje de salida del amplificador, V0, es siempre proporcional a la diferencia entre los voltajes de entrada, V1 y V2, esto es V0 = A(V2-V1).

ii) El factor de amplificación de voltaje A es muy alto, idealmente infinito, e independiente de la frecuencia. Se supone además que el amplificador está libre de las inestabilidades ocasionadas por la elevada ganancia.

iii) La resistencia de entrada medida entre los dos terminales de entrada, Ri, es muy alta e idealmente se puede considerar infinita.

iv) La resistencia de salida, R0, es muy baja y se aproxima a cero.

+

-

El amplificador operacional real.

El amplificador operacional real no es otra cosa que el comportamiento verdadero de un amplificador, ya que el amplificador ideal se basa en un concepto que no se ha podido alcanzar debido a las limitaciones que se tienen en cuanto a a tecnología actual.

Este comportamiento no ideal hace que debamos ver que sucede en el amplificador cuando van variando las distintas características que consideramos ideales.

Características:

1.- La ganancia de un operacional no es infinita, por lo que siempre estaremos limitados a un valor máximo, en unas ciertas condiciones, que nos dará el fabricante.

2.- Otro punto que ha de tenerse en cuenta es que la tensión de salida nunca llega a ser la tensión de alimentación, debido a que se produce la saturación de los transistores internos, cuya caída de tensión entre colector-emisor nunca será cero. (siempre habrá una amplificación).

3.- La impedancia de entrada, tampoco es infinita.

4.- No puede soportar cualquier frecuencia, si es muy elevada no realizará ninguna amplificación.

5.- Se genera ruido en el interior de un amplificador operacional cuando se trabaja con pequeñas señales, lo que nos limitará los niveles mínimos de tensiones de entrada.

6.- La impedancia de salida del amplificador operacional no es cero, siempre se tiene impedancia aunque en ocasiones llegue a ser muy baja.