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8.1: Introducción a los amplificadores operacionales (amplificadores operacionales)

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    ¿Qué es un amplificador de operación (amplificador operacional)?

    Los amplificadores operacionales, también conocidos como amplificadores operacionales, son básicamente un dispositivo amplificador de voltaje diseñado para ser utilizado con componentes como condensadores y resistencias, entre sus terminales de entrada/salida. Son esencialmente una parte central de los dispositivos analógicos. Los componentes de retroalimentación como estos se utilizan para determinar el funcionamiento del amplificador. El amplificador puede realizar muchas operaciones diferentes (resistivas, capacitivas, o ambas), dándole el nombre Amplificador Operacional.

    aperational-amplifier-opamp-example2.png

    Ejemplo de un amplificador operacional en esquemas.

    Los amplificadores operacionales son dispositivos lineales que son ideales para la amplificación de CC y se utilizan a menudo en el acondicionamiento de señales, filtrado u otras operaciones matemáticas (sumar, restar, integración y diferenciación).

    El amplificador operacional es posiblemente el dispositivo único más útil en circuitos electrónicos analógicos. Con solo un puñado de componentes externos, se puede hacer para realizar una amplia variedad de tareas de procesamiento de señales analógicas. También es bastante asequible, la mayoría de los amplificadores de propósito general se venden por menos de un dólar cada uno. Los diseños modernos también se han diseñado pensando en la durabilidad: se fabrican varios “amplificadores operacionales” que pueden soportar cortocircuitos directos en sus salidas sin daños.

    Una clave de la utilidad de estos pequeños circuitos está en el principio de ingeniería de retroalimentación, particularmente retroalimentación negativa, que constituye la base de casi todos los procesos de control automático. Los principios presentados en esta sección, se extienden mucho más allá del alcance inmediato de la electrónica. Vale la pena el tiempo del estudiante de electrónica para aprender estos principios y aprenderlos bien.

    Lectura adicional

    Los amplificadores operacionales, u opamps, son uno de los bloques de construcción más fundamentales que un ingeniero eléctrico puede emplear en los diseños de circuitos. Hay un sinfín de aplicaciones útiles para los opamps. ¡Este artículo repasará solo algunos circuitos básicos que puedes implementar en tus diseños!

    Los fundamentos: seguidores de voltaje

    El primer circuito es tan sencillo que casi parece un poco loco:

    Intro-to-Op-Amps.png

    Figura 1: Seguidor de voltaje

    Este circuito se conoce como seguidor de voltaje, y se comporta así:

    vin=voutvin=vout

    En la cara, esto no es súper útil. ¿Por qué pagaría unos centavos extra por un opamp cuando parece que un cable haría el mismo trabajo entre dos componentes? La respuesta es simple una vez que conoces algunas cosas simples sobre los opamps. Cuando empiezas a romper un circuito con opamps, dos principios básicos deben estar a la vanguardia de tu mente:

    1. Los terminales de entrada del opamp, V+ y V-, no extraen corriente.
    2. Los voltajes de V+ y V- son siempre iguales. Esta propiedad a veces se llama la aproximación corta virtual.

    Mirando la primera regla, podemos ver que nuestro circuito seguidor de voltaje no está dibujando ninguna corriente en el terminal de entrada conectado a V+. Esto es realmente solo una forma de decir que V+ tiene una impedancia muy alta -de hecho, ya que estamos hablando de opamps ideales, tendemos a decir simplemente que tiene impedancia de entrada infinita. En la práctica, esto tiene algunas implicaciones bastante claras: si V+ no está dibujando ninguna corriente, entonces significa que podríamos conectar Vin a cualquier nodo en cualquier circuito y medirlo sin modificar el circuito original. No tendríamos que pasar por el tedioso rigamarole de resolver un montón de nuevas ecuaciones para voltajes de nodo y corrientes de malla, porque no estaríamos molestando a ninguno de ellos agregando un seguidor de voltaje. Bastante genial, ¿eh?

    (Nota: Como la mayoría de las reglas, hay algunas excepciones a estas reglas opamp. Durante la duración de este artículo, vamos a ignorar estas excepciones: se pondrían en la forma de analizar nuestro seguidor de voltaje).

    En lugar de tomar una medición directa en Vin en nuestro circuito hipotético, mediríamos en su lugar en Vout. Esta es la segunda regla de opamps en efecto -los voltajes de V+ y V- siempre se consideran iguales. Como hemos conectado V- y y la salida del opamp, podemos extender esto un paso más allá, y decir que Vout = V- = V+ debido a la aproximación corta virtual.

    El uso de seguidores de voltaje proporciona una manera realmente fácil de interconectar diferentes circuitos que tienen diferentes impedancias. ¡Genial! ¿Qué más podemos hacer con los opamps?

    Cambio de Ganancia - Un Amplificador Inversor

    Como su nombre indica, los opamps son amplificadores. Pueden amplificar las señales por una cierta relación de entrada a salida. Esta relación se conoce comúnmente como la ganancia de un amplificador operacional. En un mundo perfecto, la ganancia de un opamp sería infinita, tan alta que podría amplificar cualquier nivel de señal a cualquier otro nivel de señal. Este no es el caso en el mundo real, pero lo consideraremos un hecho mientras analizamos el siguiente circuito: un amplificador inversor.

    Intro-to-op-AMPS_ (1) .png

    Figura 2: Amplificador inversor

    Caminemos paso a paso por la operación de este circuito. Primero, apliquemos nuestras dos reglas opamp para averiguar algunos voltajes de nodo de este circuito. La más sencilla de aplicar es la aproximación corta virtual, donde V+ y V- están siempre al mismo voltaje. Podemos ver que V+ está atado a tierra; por lo tanto, V- también debe estar en tierra. ¿Qué pasa con la corriente entrando y saliendo del nodo V-? Por la ley actual de Kirchoff, sabemos que la suma de todas las corrientes en ese nodo debe ser la siguiente:

    ZA.PNG

    Inicialmente, esto parece que podría tomar algo de trabajo para resolverlo, ya que esta ecuación tiene tres incógnitas. Pero, ¿lo hace? Si recuerda las reglas opamp establecidas anteriormente, verá que obtenemos un término de esta ecuación de forma gratuita: ¡las entradas opamp no extraen ninguna corriente! Por lo tanto, sabemos que iV- es igual a cero. Luego podemos reorganizar esa ecuación en la siguiente forma:

    BVC.PNG

    Dado que V- está atado a tierra por el corto virtual, la ley de Ohm nos permite sustituir estas corrientes como voltajes y resistencias:

    LKG.PNG

    Lo cual, con un poco de álgebra, nos lleva de vuelta a donde empezamos:

    GF.PNG

    Está bastante claro por qué este circuito es útil: le permite aplicar una ganancia lineal a una entrada y salida eligiendo (RF/Rin) para formar cualquier relación que desee. El circuito también tiene la ventaja adicional de permitirte mucho control sobre su impedancia de entrada - ya que eres libre de elegir el valor de resistencia de Rin, ¡puedes ponerlo tan alto o tan bajo como sea necesario para adaptarse a cualquier impedancia de salida que necesites para igualarlo!

    ¿Por qué necesitamos una red de resistencias para lograr este comportamiento? Para entender eso, tendremos que entender un poco más de cómo funciona un opamp. Un opamp es un tipo de amplificador de voltaje. En el caso ideal, un opamp proporciona ganancia infinita - puede amplificar cualquier voltaje a cualquier otro nivel de voltaje. Podemos escalar la ganancia infinita del opamp usando una red de resistencias que conecta el nodo de entrada, V-, y el nodo de salida. Al conectar la salida opamp a una entrada, estamos usando un proceso llamado _feedback_ para ajustar el voltaje de salida a un nivel deseado. La retroalimentación es un concepto de EE realmente importante y lo suficientemente complejo como para justificar un artículo completo dedicado al tema. Por ahora, basta con entender el principio básico tal como se aplica a los opamps: conectando la salida a una entrada, se puede modificar el comportamiento de un circuito de maneras realmente útiles.

    ¿Un Inverso de un Inversor?

    Veamos qué sucede cuando empezamos a perder el tiempo con el diseño básico del amplificador inversor. ¿Qué sucede si cambiamos la red de retroalimentación por el otro pin de entrada, V-?

    noninverting_amplifier.png

    Figura 3: ¿Qué hace este circuito?

    Podemos pasar por la misma serie de pasos que hicimos antes con el amplificador inversor, pero comenzamos a sustituir en voltajes en el nodo V-. Debido a la aproximación corta virtual, V- = V+ = Vin. Como resultado, podemos escribir la siguiente ecuación para la corriente que pasa por Rg:

    SA.PNG

    Como sabemos que el opamp no está dibujando ninguna corriente, sabemos que la corriente a través de Rg y Rf debe ser igual, lo que nos permite escribir esta ecuación:

    IU.PNG

    La aproximación corta virtual nos permite deshacernos de V-, ya que sabemos que es igual a Vin.

    lp.PNG

    Y con un poco de reordenamiento algebraico, obtenemos lo siguiente:

    [p.PNG

    A diferencia del circuito anterior, la ganancia de este circuito es no negativa. En consecuencia, a este circuito se le llama amplificador no inversor: Proporciona una ganancia lineal, pero con un signo positivo. A diferencia del amplificador no inversor anterior, no puede proporcionar ninguna ganancia menor que la unidad, ¡es imposible establecer la red de retroalimentación más baja! Por otro lado, este circuito sí proporciona una cosa que el amplificador inversor no aporta. Dado que la salida es positiva, está en fase con la entrada. El amplificador inversor, en virtud de aplicar una ganancia negativa, está desplazando la señal de salida 180 grados. ¡El amplificador no inversor no hace esto!

    Envoltura

    Los Opamps son componentes de circuito realmente versátiles. Este artículo apenas rasca la superficie de lo que se puede hacer con ellos; el rango de funcionalidad que pueden aportar es enorme. ¿Cuáles son algunos de los otros circuitos que puedes hacer con ellos? ¿Tienes algún circuito genial que hayas construido con opamps? ¡Déjanos una nota en la sección de comentarios y cuéntanos al respecto!


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