Amplificador operacional

Un amplificador operacional o op amp es un amplificador de voltaje acoplado en CC con un ganancia de voltaje muy alta.

El op amp es básicamente un amplificador multietapa en el que se interconectan varias etapas de amplificación de una manera muy complicada. Su circuito interno consta de muchos transistores, FET y resistencias. Todo esto ocupa muy poco espacio.
Por lo tanto, se empaqueta en un pequeño paquete y está disponible en forma de Circuito Integrado (CI). El término Op Amp se usa para denotar un amplificador que se puede configurar para realizar diversas operaciones como amplificación, sustracción, diferenciación, adición, integración, etc. Un ejemplo es el muy popular CI 741.

El símbolo y su apariencia real en la forma de CI se muestran a continuación. El símbolo aparece como una punta de flecha, lo que significa que la señal fluye desde la salida hasta la entrada.

Terminales de Entrada y Salida de un Amplificador Operacional

Un op-amp tiene dos terminales de entrada y uno de salida. El op-amp también tiene dos terminales de suministro de voltaje, como se ve arriba. Los dos terminales de entrada forman la entrada diferencial. Llamamos al terminal marcado con signo negativo (-) el terminal inversor y al terminal marcado con signo positivo (+) el terminal no inversor del amplificador operacional. Si aplicamos una señal de entrada en el terminal inversor (-), entonces la señal de salida amplificada estará 180o fuera de fase respecto a la señal de entrada aplicada. Si aplicamos una señal de entrada al terminal no inversor (+), entonces la señal de salida obtenida estará en fase, es decir, no tendrá desfase respecto a la señal de entrada.

Suministro de Energía para un Amplificador Operacional

Como se ve en el símbolo del circuito, tiene dos terminales de suministro de energía +VCC y –VCC. Para el funcionamiento de un op-amp, es esencial un suministro de CC de doble polaridad. En el suministro de doble polaridad, conectamos el +VCC al suministro de CC positivo y el terminal –VCC al suministro de CC negativo. Sin embargo, algunos op-amps también pueden funcionar con un suministro de polaridad única. Nótese que no hay un terminal común de tierra en los op-amps, por lo que la tierra debe establecerse externamente.

Principio de Funcionamiento del Op-Amp

Funcionamiento en Bucle Abierto de un Amplificador Operacional

Como se dijo anteriormente, un op-amp tiene una entrada diferencial y una salida simple. Por lo tanto, si aplicamos dos señales, una en el terminal inversor y otra en el terminal no inversor, un op-amp ideal amplificará la diferencia entre las dos señales de entrada aplicadas. Llamamos a esta diferencia entre las dos señales de entrada como el voltaje de entrada diferencial. La ecuación a continuación proporciona la salida de un amplificador operacional.Donde, VOUT es el voltaje en el terminal de salida del op-amp. AOL es la ganancia en bucle abierto para el op-amp dado y es constante (idealmente). Para el CI 741, AOL es 2 x 105.
V1 es el voltaje en el terminal no inversor.
V2 es el voltaje en el terminal inversor.
(V1 – V2) es el voltaje de entrada diferencial.
Es claro de la ecuación anterior que la salida será distinta de cero solo si el voltaje de entrada diferencial es distinto de cero (V1 y V2 no son iguales), y será cero si ambos V1 y V2 son iguales. Tenga en cuenta que esta es una condición ideal, en la práctica hay pequeños desequilibrios en el op-amp. La ganancia en bucle abierto de un op-amp es muy alta. Por lo tanto, un amplificador operacional en bucle abierto amplifica un pequeño voltaje de entrada diferencial a un valor enorme.
También es cierto que si aplicamos un pequeño voltaje de entrada diferencial, el amplificador operacional lo amplifica a un valor considerable, pero este valor significativo en la salida no puede superar el voltaje de suministro del op-amp. Por lo tanto, no viola la ley de conservación de la energía.

Funcionamiento en Bucle Cerrado

La operación explicada anteriormente del op-amp fue para bucle abierto, es decir, sin retroalimentación. Introducimos la retroalimentación en la configuración de bucle cerrado. Esta ruta de retroalimentación alimenta la señal de salida a la entrada. Por lo tanto, en las entradas, están presentes simultáneamente dos señales. Una de ellas es la señal original aplicada, y la otra es la señal de retroalimentación. La ecuación a continuación muestra la salida de un op-amp en bucle cerrado.Donde VOUT es el voltaje en el terminal de salida del op-amp. ACL es la ganancia en bucle cerrado. El circuito de retroalimentación conectado al op-amp determina la ganancia en bucle cerrado ACL. VD = (V1 – V2) es el voltaje de entrada diferencial. Decimos que la retroalimentación es positiva si la ruta de retroalimentación alimenta la señal desde el terminal de salida de vuelta al terminal no inversor (+). La retroalimentación positiva se utiliza en osciladores. La retroalimentación es negativa si la ruta de retroalimentación alimenta parte de la señal desde el terminal de salida de vuelta al terminal inversor (-). Se utiliza retroalimentación negativa en los op-amps utilizados como amplificadores. Cada tipo de retroalimentación, negativa o positiva, tiene sus ventajas y desventajas.

Retroalimentación Positiva ⇒ Oscilador
Retroalimentación Negativa ⇒ Amplificador
La explicación anterior es el principio de funcionamiento más básico de los amplificadores operacionales.

Características del Op-Amp Ideal

Un op-amp ideal debería tener las siguientes características: