Amplificador operacional

Un amplificador operacional ou op amp é un amplificador de voltagem acoplado en CC con unha ganancia de voltagem moi alta.

O op amp é basicamente un amplificador multietapa no que se interconectan varias etapas de amplificación de xeito moi complicado. O seu circuito interno consiste en moitos transistores, FETs e resistencias. Todo isto ocupa moi pouco espazo.
Por tanto, está empacotado nun paquete pequeno e está dispoñible na forma de Circuito Integrado (CI). O termo Op Amp úsase para denotar un amplificador que se pode configurar para realizar varias operacións como amplificación, subtracción, diferenciación, adición, integración, etc. Un exemplo é o moi popular IC 741.

O símbolo e a súa aparición real na forma de CI amósanse abaixo. O símbolo aparece como unha frecha que significa que a señal flúe dende a saída á entrada.

Terminais de Entrada e Saída dun Amplificador Operacional

Un op-amp ten dous terminais de entrada e un terminal de saída. O op-amp tamén ten dous terminais de alimentación de voltagem, como se ve arriba. Os dous terminais de entrada forman a entrada diferencial. Chamámolos ao terminal marcado co signo negativo (-) terminal inversor e ao terminal marcado co signo positivo (+) terminal non inversor do amplificador operacional. Se aplicamos unha señal de entrada ao terminal inversor (-), a señal de saída amplificada estará desfasada 180o respecto á señal de entrada aplicada. Se aplicamos unha señal de entrada ao terminal non inversor (+), a señal de saída obtida estará en fase, é dicir, non terá desprazamento de fase respecto á señal de entrada.

Alimentación Eléctrica para un Amplificador Operacional

Como se ve no símbolo do circuito arriba, ten dous terminais de alimentación de entrada +VCC e –VCC. Para o funcionamento dun op-amp, é esencial unha alimentación de DC de polaridade dual. Na alimentación de polaridade dual, conectamos o +VCC á alimentación de DC positiva e o terminal –VCC á alimentación de DC negativa. No entanto, algúns op-amps tamén poden funcionar cunha alimentación de polaridade única. Nota que non hai un terminal común de terra nos op-amps, polo que a terra debe estabelecerse externamente.

Principio de Funcionamento do Op Amp

Funcionamento en Bucle Aberto dun Amplificador Operacional

Como se dixo arriba, un op-amp ten unha entrada diferencial e unha saída monopolar. Así, se aplicamos dúas señais, unha ao terminal inversor e outra ao terminal non inversor, un op-amp ideal amplificará a diferenza entre as dúas señais de entrada aplicadas. Chamámolle a esta diferenza entre as dúas señais de entrada voltagem de entrada diferencial. A ecuación a continuación dá a saída dun amplificador operacional.Onde, VOUT é a voltagem no terminal de saída do op-amp. AOL é a ganancia en bucle aberto para o op-amp dado e é constante (ideálmente). Para o IC 741 AOL é 2 x 105.
V1 é a voltagem no terminal non inversor.
V2 é a voltagem no terminal inversor.
(V1 – V2) é a voltagem de entrada diferencial.
É claro da ecuación anterior que a saída será non cero se e só se a voltagem de entrada diferencial é non cero (V1 e V2 non son iguais), e será cero se ambos V1 e V2 son iguais. Nota que isto é unha condición ideal, prácticamente hai pequenas imbalances no op-amp. A ganancia en bucle aberto dun op-amp é moi alta. Polo tanto, un amplificador operacional en bucle aberto amplifica unha pequena voltagem de entrada diferencial a un valor enorme.
Tamén é certo que se aplicamos unha pequena voltagem de entrada diferencial, o amplificador operacional a amplifica a un valor considerable, pero este valor significativo na saída non pode ir máis aló da voltagem de alimentación do op-amp. Polo tanto, non viola a lei da conservación da enerxía.

Funcionamento en Bucle Cerrado

A operación do op-amp explicada arriba foi para bucle aberto, é dicir, sen retroalimentación. Introducimos a retroalimentación na configuración de bucle cerrado. Esta traxectoria de retroalimentación alimenta a señal de saída á entrada. Polo tanto, nas entradas, están presentes simultaneamente dúas señais. Unha delas é a señal orixinal aplicada, e a outra é a señal de retroalimentación. A ecuación a continuación amosa a saída dun op-amp en bucle cerrado.Onde VOUT é a voltagem no terminal de saída do op-amp. ACL é a ganancia en bucle cerrado. O circuito de retroalimentación conectado ao op-amp determina a ganancia en bucle cerrado ACL. VD = (V1 – V2) é a voltagem de entrada diferencial. Dizemos que a retroalimentación é positiva se a traxectoria de retroalimentación alimenta a señal dende o terminal de saída de volta ao terminal non inversor (+). A retroalimentación positiva usa-se en osciladores. A retroalimentación é negativa se a traxectoria de retroalimentación alimenta parte da señal dende o terminal de saída de volta ao terminal inversor (-). Usamos a retroalimentación negativa nos op-amps usados como amplificadores. Cada tipo de retroalimentación, negativa ou positiva, ten as súas vantaxes e desvantaxes.

Retroalimentación Positiva ⇒ Oscilador
Retroalimentación Negativa ⇒ Amplificador
A explicación anterior é o principio de funcionamento máis básico dos amplificadores operacionais.

Características dun Op-Amp Ideal

Un op-amp ideal debería ter as seguintes características: