¿Qué es un amplificador operacional (Op-amp)? Trabajo, Pin-Diagrama y Aplicaciones

Los amplificadores operacionales, también conocidos como op-amps, son dispositivos electrónicos fundamentales en el mundo de la electrónica. Con su impresionante capacidad para amplificar señales, estos pequeños componentes se han vuelto indispensables en una amplia variedad de aplicaciones. ¿Quieres descubrir qué los hace tan especiales? En este artículo exploraremos en detalle cómo funcionan, su diagrama de pines y algunas de sus aplicaciones más comunes. Prepárate para adentrarte en el fascinante mundo de los amplificadores operacionales.

Un amplificador operacional conocido popularmente como amplificador operacional es un amplificador de voltaje electrónico de alta ganancia acoplado a CC con una entrada diferencial y, por lo general, una salida de un solo extremo.

Como su nombre indica, es básicamente un amplificadorcuyo trabajo es amplificar las señales de entrada. La razón por la que se llama «operacional» es que, en los primeros días cuando las computadoras digitales no evolucionaban, en ese momento, las «operaciones matemáticas» básicas como la suma, la resta, la diferenciación y la integración las realizaban. Hoy en día, los amplificadores operacionales se han convertido en un bloque de construcción popular en los circuitos electrónicos.

Como se dijo anteriormente, el amplificador operacional tiene dos entradas y una sola salida. La representación esquemática del amplificador operacional se muestra a continuación.

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Fig. 1 Representación esquemática del amplificador operacional

El terminal positivo de la entrada se llama «no inversor” entrada y el terminal negativo se llama “invirtiendo» aporte. Tienen sus nombres de acuerdo a las funciones que desempeñan.

Entrada inversora: Un voltaje positivo aplicado a este terminal de entrada dará lugar a una oscilación negativa en la salida.

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Fig. 2 Efecto de la señal en la entrada inversora sobre la salida

Entrada no invertida: Un voltaje positivo aplicado a este terminal de entrada dará lugar a una oscilación positiva en la salida.

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Fig. 3 Efecto de la señal en la entrada no inversora en la salida

El voltaje de salida es proporcional a la diferencia de los voltajes de entrada y viene dado por

Vafuera ∝ (V+ – V.)
Vafuera = unOL (V+ – V.)

donde unOL es la ganancia en lazo abierto del amplificador.

Diagrama de pines

IC-741 es un amplificador operacional de propósito general. Está construido con varias resistencias, condensadores y etapas de transistores. Las tres etapas principales de un amplificador operacional de propósito general son una etapa de entrada diferenciala etapa de salida push-pull y un etapa de ganancia intermedia.

Idealmente, la descripción del pin se puede dividir en 4 categorías amplias:

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El diagrama de pines del IC-741 se muestra en la figura 4. Este es un amplificador operacional de propósito general. Tiene un total de 8 pines.

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Fig. Diagrama de 4 pines del amplificador operacional IC741

Descripción de pines

» Pin4 y Pin7 (Fuente de alimentación): Pin7 es el terminal de suministro de voltaje positivo y Pin4 es el terminal de suministro de voltaje negativo. El IC extrae energía de estos pines. El voltaje entre estos dos pines se encuentra entre 5V y 18V.

» Pin6 (Salida): Este es el pin de salida para el IC. El voltaje en este pin depende de la señal de entrada y del mecanismo de retroalimentación utilizado.

» Pin2 y Pin3 (Entrada): Estos son pines de entrada. Pin2 es la entrada inversora y Pin3 es la entrada no inversora. Si el voltaje en la entrada inversora es más alto que en la entrada no inversora, el voltaje en la señal de salida permanece bajo. Del mismo modo, si el voltaje en la entrada no inversora es alto, la salida sube.

» Pin1 y Pin5 (compensación nula): Debido a la alta ganancia proporcionada por Op-Amp, incluso las ligeras variaciones en los voltajes en las entradas inversoras y no inversoras, causadas por irregularidades en el proceso de fabricación o perturbaciones externas, afectarán la salida. Para anular este efecto, se puede aplicar un voltaje de compensación en el pin 1 y el pin 5 y, por lo general, se hace empleando un potenciómetro.

» Pin8 (N/C): Este pin no está conectado a ningún circuito dentro del 741 IC. Es solo un cable ficticio que se usa para llenar el espacio vacío en los paquetes estándar de 8 pines.

Las siguientes son las especificaciones básicas del 741 IC:

• Fuente de alimentación: necesita un voltaje mínimo de 5V y puede enfrentar hasta 18V
• Impedancia de entrada: ~2 MΩ
• Impedancia de salida: ~75Ω
• Velocidad de subida: 0,5 V/µs
• Corriente máxima de salida: 20mA
• Carga de salida recomendada: >2 kΩ
• Compensación de entrada: Entre 2mV y 6mV
• Ganancia de voltaje: 200.000 para frecuencias bajas

Principio de funcionamiento

1. Operación de bucle abierto

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Fig.5 Funcionamiento en bucle abierto

Un amplificador operacional ideal amplifica la diferencia entre las dos señales de entrada aplicadas (es decir, en las señales inversoras y no inversoras). Esta diferencia entre las dos señales de entrada se denomina voltaje de entrada diferencial. La siguiente ecuación da la salida de un amplificador operacional.

Vafuera = unOL (V+ – V.)

donde unOL = ganancia de bucle abierto (significa, la ganancia del componente del amplificador operacional por sí mismo, con todos los diferentes componentes eliminados significativamente con el elemento de retroalimentación eliminado).

En bucle abierto, el amplificador operacional solo puede funcionar como un comparador. La ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional es muy alta. Por lo tanto, un amplificador operacional de bucle abierto amplifica un pequeño voltaje de entrada diferencial aplicado a un valor enorme, pero este valor significativo en la salida no puede ir más allá del voltaje de suministro del amplificador operacional. Por lo tanto, no viola la ley de conservación de la energía.

2. Operación de circuito cerrado

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Fig.6 operación de circuito cerrado

La retroalimentación se introduce en la configuración de circuito cerrado. Esta ruta de retroalimentación devuelve la señal de salida a la entrada. Por lo tanto, en las entradas, dos señales están presentes simultáneamente. Uno de ellos es la señal aplicada original y el otro es la señal de retroalimentación. La siguiente ecuación muestra la salida de un amplificador operacional de bucle cerrado.

Vafuera = unCL (V+ – V.)

donde unCL es la ganancia de lazo cerrado. El circuito de retroalimentación conectado al amplificador operacional determina la ganancia de bucle cerrado ACL.

Se dice que la retroalimentación es positiva si la ruta de retroalimentación alimenta la señal desde la terminal de salida de regreso a la terminal no inversora (+). La retroalimentación positiva se usa en osciladores. La retroalimentación es negativa si la ruta de retroalimentación alimenta la parte de la señal de la terminal de salida de regreso a la terminal inversora (-). La retroalimentación negativa a los amplificadores operacionales se usa en amplificadores.

Características del amplificador operacional

» Impedancia de entrada (Zen)

Es la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada. Se supone que es infinito para evitar que fluya corriente desde el suministro hacia el circuito del amplificador operacional (Ien=0). Un amplificador operacional ideal tiene una impedancia de entrada infinita. Pero en la práctica, cuando se utiliza un amplificador operacional en aplicaciones lineales, se proporciona una retroalimentación negativa. Debido a esta retroalimentación negativa, la impedancia de entrada se convierte en:

Zen = (1 + AOL b) Zi

donde, Zi = impedancia de entrada sin realimentación
AOL = ganancia de lazo abierto
β = factor de retroalimentación

» Impedancia de salida (Zafuera)

Un amplificador operacional ideal tiene una impedancia de salida cero que actúa como una fuente de voltaje interna perfecta con resistencia interna cero, de modo que la corriente máxima se puede conducir a la carga. En la práctica, la impedancia de salida del amplificador operacional viene dada por:

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donde, Zo = impedancia de salida del amplificador operacional sin retroalimentación
AOL = ganancia de lazo abierto
β = factor de retroalimentación

» Ganancia de lazo abierto (AOL)

Se define como la ganancia del amplificador operacional cuando no hay retroalimentación en el circuito. Para un amplificador operacional ideal, la ganancia será infinita, pero prácticamente el valor oscila entre 20.000 y 200.000.

» Ancho de banda (BW)

Idealmente, un amplificador operacional puede amplificar cualquier señal de frecuencia desde CC hasta las frecuencias de CA más altas, por lo que tiene una respuesta de frecuencia infinita. Por lo tanto, el ancho de banda de un amplificador operacional ideal debería ser infinito, pero prácticamente está limitado por el producto Ganancia-ancho de banda (GB).

» CMRR (Relación de rechazo de modo común)

CMRR se define como el relación del cambio en el voltaje de salida con respecto al cambio en el voltaje de entrada de modo común. Básicamente es la capacidad de un amplificador operacional para rechazar la señal de entrada de modo común. Un amplificador operacional ideal tendrá un CMRR infinito, pero en la práctica viene dado por:

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donde unD = ganancia diferencial del amplificador operacional
AC = ganancia de modo común del amplificador operacional

» Voltaje de compensación de entrada (VIO)

El voltaje de compensación de entrada es el voltaje que se aplica entre los dos terminales de entrada del amplificador operacional para anular la salida. Idealmente, los amplificadores operacionales tendrán un voltaje de compensación cero, pero en la práctica muestran una pequeña compensación.

» Corriente de compensación de entrada (IIO)

La corriente de compensación de entrada es la diferencia algebraica entre las corrientes en los terminales inversor y no inversor.

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dondeb1 = Corriente de entrada no inversora e Ib2 = Corriente de entrada inversora
Idealmente, será cero. Prácticamente, se encuentra entre 200 nA y 6 nA.

» Velocidad de subida

La velocidad de respuesta es la velocidad máxima a la que un amplificador puede responder a un cambio abrupto del nivel de entrada. Se define como la tasa de cambio del voltaje de salida por unidad de tiempo. Se mide normalmente en V/µs o V/ms.

Un amplificador operacional ideal tendrá una velocidad de respuesta infinita. En los amplificadores operacionales prácticos, la velocidad de respuesta está limitada por las pequeñas corrientes de accionamiento internas y las capacitancias internas del amplificador operacional.

Características ideales versus prácticas del amplificador operacional

S. No. Propiedad Amplificador operacional ideal Opamp práctico
1. Impedancia de entrada Infinito Alto (>1MΩ)
2. Impedancia de salida Cero Bajo (<100Ω)
3. Ganancia de bucle abierto Infinito Alto (>10000)
4. Banda ancha Infinito Polo dominante (~10 Hz)
5. CMRR Infinito Alto (> 60dB)
6. Voltaje de compensación de entrada Cero Bajo (<10mV)
7. Corriente de compensación de entrada Cero Bajo (<50nA)
8. Velocidad de subida Infinito Pocos V/µs

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Fig. 7 Característica práctica vs. ideal de Opamp

Concepto de Cortometraje Virtual

Como sugiere el nombre, es básicamente un «corto» entre dos puntos que es imaginario. En el contexto de un amplificador operacional, corto virtual significa que el voltaje en el terminal inversor (V) rastrea el voltaje en el terminal no inversor (V+) bajo retroalimentación NEGATIVA. (es decir, V = V+). No hay conexión física entre los dos terminales; más bien es sólo una conexión imaginaria.

En realidad, esta no es una de las características fundamentales de un amplificador operacional ideal. Más bien, el cortocircuito virtual es una situación teórica que surge de una de las características fundamentales de un amplificador operacional ideal, a saber, la ganancia infinita de bucle abierto.

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Fig. 8 Concepto de terreno virtual en realimentación negativa

Lo sabemos,¿Qué es un amplificador operacional (Op-amp)? Trabajo, Pin-Diagrama y Aplicaciones

Como la ganancia ideal es infinita, entonces Ven = 0 [Vin = V+ – V]

Como se muestra en la figura, V+ está conectado a tierra, entonces V+ = 0. Por lo tanto, V también estará en el potencial de tierra.

Este concepto se utiliza para facilitar el análisis de circuitos basados ​​en amplificadores operacionales (con retroalimentación negativa). Sin embargo, el concepto de cortocircuito virtual no es aplicable ni siquiera en el circuito de realimentación negativa si la ganancia del bucle no es muy grande.

En la retroalimentación positiva, la diferencia entre los terminales que no invierten y los que invierten no disminuye, sino que sigue aumentando y hace que el amplificador operacional se asiente en saturación positiva. Por lo tanto, en retroalimentación positiva, el corto virtual no es aplicable.

Sin embargo, existen otras aplicaciones que utilizan comentarios negativos y positivos al mismo tiempo. En tales circuitos, siempre que domine la retroalimentación negativa, el circuito permanece estable y se aplica el principio de «cortocircuito virtual».

Aplicaciones del amplificador operacional

Los amplificadores operacionales son bloques de construcción populares en los circuitos electrónicos. Encuentran aplicaciones en la mayoría de los sistemas electrónicos industriales y de consumo.

Los amplificadores operacionales se pueden configurar para funcionar como amplificadores inversores, amplificadores no inversores; para realizar operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración. También se puede utilizar en la construcción de filtros (paso alto, paso bajo, paso banda y rechazo de banda). Si es necesario, se puede forzar un amplificador operacional de bucle abierto para que actúe como comparador.

Los amplificadores operacionales con retroalimentación positiva se pueden usar en la construcción de osciladores. También se utilizan en circuitos no lineales como amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos.

Los amplificadores operacionales también descubren aplicaciones como fuentes de voltaje, fuentes de corriente y sumideros de corriente y, además, como voltímetros de CC y CA. Los amplificadores operacionales también se utilizan en circuitos de manejo de señales, por ejemplo, circuitos de muestreo y retención, rectificadores de precisión y circuitos de sujeción.

Pocas de las aplicaciones del amplificador operacional son

1. Amplificador inversor

2. Amplificador no inversor

3. Diferenciador

4. Integrador

5. Amplificador sumador

6. Amplificador diferencial

7. Amplificador de instrumentación

sobre el autor

Sameen Gauhar es de Mau, Uttar Pradesh. Ha completado B.Tech en Ingeniería Electrónica de ZHCET, Universidad Musulmana de Aligarh (AMU). Actualmente, está cursando una maestría en Diseño de Sistemas y Circuitos Electrónicos de AMU.

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