Amplificador operacional ¿Qué es y cómo funciona?

Un amplificador operacional es un tipo de dispositivo electrónico diseñado con el fin de transferir, así como de modificar la respuesta del mismo. Estos aparatos están constituidos por un circuito  interno el cual posee tres conexiones: dos de entrada y una de salida.

Es posible realizar cambios en los puntos donde se hacen estas conexiones según los requiera el usuario en función al uso que se le otorgue. Estos dispositivos se alimentan tanto de fuentes positivas como negativas.

Este tipo de dispositivo es ampliamente utilizado en electricidad, por ello resulta útil entender como es su funcionamiento y cuáles son sus aplicaciones. Por ello, en este artículo explicaremos cuales son las características que poseen así como cuál es su funcionamiento. Además, utilizaremos algunos ejemplos de ejercicios que resultaran útil para entender cómo se realizan los cálculos.

Qué es un amplificador operacional

Un amplificador operacional es básicamente un amplificador electrónico, el cual funciona con corriente continua. Se caracteriza por poseen una conexión de salida y dos conexiones de entrada. También, se identifica a estos dispositivos con las siglas OPAMP, tomado del término en inglés “operational amplifier”. El diferencial de potencia de ambas entradas es considerablemente menor comparado con el de la salida.

Es ampliamente utilizado tanto para aplicaciones en la electrónica analógica como también en la electrónica digital. Las operaciones que permite realizar sobre el paso de la corriente son múltiples, desde sumar a restar así como integrar o diferenciar.

Gracias al desarrollo de tecnología integrada, fue posible la creación de estos dispositivos, los cuales se han estado utilizando para diversos equipos fabricados desde la década de los años 40.

El primero del que se tiene registro fue elaborado por R.J. Widlar que lo llamó μA702. Casi treinta años después apareció en modelo cuya compensación interna significo una evolución importante. Conocido como OA741, es un amplificador operacional que posee cinco conexiones. Cada uno de ellos tiene una función específica que son las siguientes:

  1. Una conexión para inversor
  2. Conexión para no inversor
  3. Conexión para el voltaje positivo
  4. Conexión para el voltaje negativo
  5. Conexión para la salida

El diseño y estructura interna ha evolucionado de tal forma que incluso pueden tener hasta 14 conexiones. A continuación, se menciona el modelo de algunos de ellos:

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  • El popular amplificador operacional UA741 con 8 pines de conexión
  • También está el operacional LM1458 con 8 pines de conexión
  • Amplificador operacional LM324, el cual tiene hasta 14 pines de conexión

Los amplificadores operacionales se caracterizan por tener en infinito tanto la impedancia, la ganancia y el ancho de banda. La impedancia de salida es nula así como también el tiempo de respuesta.

Cómo funciona un amplificador operacional

Para el uso de estos dispositivos es posible crear diversas configuraciones. El amplificador operacional básico tiene tres conexiones, dos de entrada y una de salida. Las conexiones o terminales de un amplificador operacional básico se identifican de la siguiente manera:

  • V+: entrada no inversora
  • V-: entrada inversora
  • VOUT: salida
  • VS+: alimentación positiva
  • VS-: alimentación negativa

Un amplificador operacional tiene un comportamiento específico según sea el caso. Cuando no hay una realimentación en la salida del dispositivo se denomina lazo abierto. Es el resultado de la resta entre las dos entradas que se multiplica por un valor determinado que puede ser 100.000.

Se satura al no ser posible entregar más tensión a la alimentación. Si la tensión es superior a la que se aplica sobre el pin identificada con el signo positivo entonces el de la salida corresponde al de la alimentación de la conexión identificada con el signo positivo. Si la tensión es superior a la del pin identificado con el signo negativo, entonces equivale al valor de la alimentación de salida VS-.

En el caso de que haya realimentación en el amplificador operacional, se supone que es negativa. También, se conoce como lazo cerrado. El valor de la tensión en las dos entradas es el mismo. Cuando la tensión aumenta en la conexión positiva también la tensión aumenta en la conexión negativa. Al haber una realimentación, la tensión en la conexión negativa haciendo que la diferencia entre ambas se reduzca. Al estabilizarse, el valor de la conexión de salida se mantiene con el mismo valor.

Cuanto sea menor la impedancia en la conexión de salida esto hará que el dispositivo pueda funcionar de mejor forma al dispositivo. En este caso, la señal de salida es independiente a las variaciones que ocurran en la ganancia del dispositivo, en cambio si depende de la ganancia en la red de realimentación.

También, aumenta el ancho de banda al aumentar la frecuencia de corte durante el proceso de realimentación. Si se conecta la salida con la entrada no inversora se está realizando una realimentación positiva.

amplificador operacional comparador

Lo explicado anteriormente aplica en caso de que el amplificador operacional sea utilizado con corriente continua. En cuanto al comportamiento de los amplificadores operacionales con la corriente alterna, sucede que es diferente. Es posible notar que con determinadas frecuencias habrá ciertas limitaciones.

Los amplificadores operacionales básicos pueden ser conectados a su vez dando como resultado un amplificador inversor o no inversor. Se puede añadir otro circuito básico más combinado con estos dos para dar como resultado un amplificador diferencial.

El amplificador inversor se caracteriza por tener una entrada en positivo y la otra en negativo. Desde la conexión de salida es posible realizar una realimentación por medio de la conexión de entrada con signo negativo. En el amplificador no inversor la corriente no fluye por ninguno de las conexiones de entrada. La tensión se aplica en la entrada que está en positivo mientras que una fracción de salida sobre la conexión que está en negativo.

Cuando se combinan las configuraciones, tanto del amplificador inversor con el del amplificador no inversor, el resultado es el amplificador diferencial. Este dispositivo en sus dos terminales de entrada pasan las señales. Al realizar una serie de modificaciones es un amplificador inversor es posible obtener como resultado un sumador inversor. En estos dispositivos la tensión positiva se conecta a la masa, mientras que la tensión negativa se conecta a una virtual. La impedancia es infinita y la corriente es la suma de V1, V2 y V3.

Un integrador es el resultado de una modificación hecha a un amplificador inversor, el cual actúa ayudando a mantener la constancia del paso de la corriente de realimentación. Funciona aplicando tensión sobre la entrada identificada como VIN hacia RG para dar como resultado corriente IIN. Otro tipo de modificación hecho a un amplificador inversor crea un diferenciador. Se caracteriza por tener invertido las posiciones de R y de C. El valor de la corriente de entrada equivale a la tasa de la variación en la tensión de la entrada.

El seguidor de tensión es el resultado de modificar un amplificador no inversor. Se caracteriza por tener la resistencia de la entrada infinita, la realimentación es completa y el RF equivale a O. Por lo tanto VO = VI. La impedancia es igualmente infinita.

También están los amplificadores diferenciales de instrumentación que son el resultado de unir tres amplificadores operacionales. Cuando a este mismo se le aplica tolerancia a voltajes se obtiene un amplificador de aislamiento. Cuando se añade una red de retroalimentación resistiva a uno o más amplificadores se está construyendo un amplificador de retroalimentación negativa.

Para qué sirve un amplificador operacional

Estos quipos, en un principio, fueron diseñados con la finalidad de amplificar la potencia de la corriente. Sin embargo, también son ampliamente utilizados para otros usos como el del acondicionamiento de señales, lo cual quiere decir que ayuda a aumentar la potencia y la intensidad.

De esta manera durante la medición no habrá una disminución o distorsión en caso de que la impedancia no sea alta en el circuito sensor. Así la señal que será medida tendrá el nivel requerido con respecto a la potencia entregada. También el acondicionamiento de señales permite tener el control de la modulación, estabilidad, polaridad entre otros.

También, se relaciona con el acoplamiento de las impedancias. De esta forma este dispositivo permite el paso de las frecuencias que tengan un menor valor con respecto a una de referencia determinada, igualmente sucede con las más altas. También el dispositivo permite el paso de un grupo de frecuencias que cumplan con los estándares del rango de filtro, igualmente puede impedir el paso de las frecuencias que sean mayores o menores al filtro.

Incluso un amplificador operacional interviene en el procesamiento tanto análogo como lógico de señales. Estos dispositivos proporcionan un valor de voltaje que puede ser saturado o de “0” en el caso del procesamiento lógico. El cuanto al procesamiento analógico estos funcionan como rectificadores, sumadores, comparadores, integradores o para realizar cambios en las fases o retardando.

amplificador operacional diferencial

Amplificadores operacionales ejercicios

A continuación, se muestra un ejemplo de cómo se puede realizar el cálculo de la tensión, corriente y de la potencia de un amplificador:

Si a un amplificador se le aplica una señal sucede la siguiente fórmula:Ve= 2V ie= 20 mA. Lo que como resultado entonces que Vs = 8V, is= 200.

Av = Vs/Ve = 8V/2V = 4

AI = is/ie = 200 mA/ 20mA = 10

Ap = Ps/Pe = Av.AI = 4 . 10 = 40

Se entonces calcula la ganancia de la potencia expresada en decibelios (dB)

A(dB) = 10 log (Ps/Pe) =10 log (40) = 16,02 dB

Se entiende que la impedancia de entrada (Ze) y la de salida (Zs), son el resultado de la tensión aplicada con la corriente absorbida.

Ze = Ve/ie impedancia de entrada, a la vez que  Zs = Vs/is impedancia de salida.

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