Cómo funciona el amplificador operacional (O-Pamp)

¿Cómo funciona un amplificador operacional?

Un amplificador operacional (Op-Amp) es un componente electrónico altamente integrado ampliamente utilizado en circuitos para la amplificación de señales, filtrado, integración, diferenciación y muchas otras aplicaciones. Su función principal es amplificar la diferencia de voltaje entre sus dos terminales de entrada. A continuación, se explica cómo funciona un amplificador operacional y los conceptos clave:

1. Estructura Básica

• Un amplificador operacional típicamente tiene cinco pines:

• Entrada No Inversora (V+): Terminal de entrada positiva.

• Entrada Inversora (V−): Terminal de entrada negativa.

• Salida (Vout): Señal de salida amplificada.

• Alimentación Positiva (Vcc): Voltaje de alimentación positivo.

• Alimentación Negativa (Vee): Voltaje de alimentación negativo.

2. Principio de Funcionamiento

Supuestos para un Amplificador Operacional Ideal

• Ganancia Infinita: Idealmente, la ganancia A del op-amp es infinita.

• Impedancia de Entrada Infinita: La impedancia de entrada Rin es infinita, lo que significa que la corriente de entrada es casi cero.

• Impedancia de Salida Cero: La impedancia de salida Rout es cero, lo que significa que la corriente de salida puede ser arbitrariamente grande sin afectar el voltaje de salida.

• Ancho de Banda Infinito: Idealmente, el op-amp puede funcionar en todas las frecuencias sin ninguna limitación.

Características de un Amplificador Operacional Real

• Ganancia Finita: En la práctica, la ganancia A del op-amp es finita, generalmente oscilando entre diez a la quinta potencia y diez a la sexta potencia.

• Impedancia de Entrada Finita: La impedancia de entrada real no es infinita, pero es muy alta (nivel de megohmios).

• Impedancia de Salida No Cero: La impedancia de salida real no es cero, pero es muy baja.

• Ancho de Banda Finito: El ancho de banda real del op-amp está limitado, generalmente oscilando entre cientos de kilohertzios y megahertzios.

3. Modos Básicos de Operación

Configuración de Bucle Abierto

Ganancia de Bucle Abierto: En la configuración de bucle abierto, la ganancia A del op-amp amplifica directamente el voltaje de entrada diferencial.

Saturación: Debido a la alta ganancia A, incluso una pequeña diferencia de voltaje de entrada puede causar que el voltaje de salida alcance los límites de los voltajes de alimentación (es decir, Vcc o Vee).

Configuración de Bucle Cerrado

Retroalimentación Negativa: Al introducir retroalimentación negativa, la ganancia del op-amp puede controlarse para operar dentro de un rango razonable.

Circuito de Retroalimentación Negativa: Los circuitos comunes de retroalimentación negativa incluyen amplificadores inversores, amplificadores no inversores y amplificadores diferenciales.

Cortocircuito Virtual y Apertura Virtual: En los circuitos de retroalimentación negativa, los voltajes en los dos terminales de entrada del op-amp son casi iguales (cortocircuito virtual), y la corriente de entrada es casi cero (apertura virtual).

4. Circuitos de Aplicación Comunes

Amplificador Inversor

Estructura del Circuito: La señal de entrada se alimenta a través de una resistencia R1 al terminal de entrada inversor V −, y una resistencia de retroalimentación Rf conecta la salida Vout al terminal de entrada inversor V-.

Amplificador No Inversor

Estructura del Circuito: La señal de entrada se alimenta a través de una resistencia R1 al terminal de entrada no inversor V +, y una resistencia de retroalimentación Rf conecta la salida Vout al terminal de entrada inversor V−.

Amplificador Diferencial

Estructura del Circuito: Dos señales de entrada se aplican al terminal de entrada no inversor V+ y al terminal de entrada inversor V−, y una resistencia de retroalimentación Rf conecta la salida V out al terminal de entrada inversor V−.

5. Resumen

Un amplificador operacional funciona amplificando la diferencia de voltaje entre sus dos terminales de entrada, con la funcionalidad central basada en una alta ganancia y mecanismos de retroalimentación negativa. Utilizando diferentes configuraciones de circuito, los op-amps pueden realizar diversas funciones como amplificación, filtrado, integración y diferenciación. Entender los principios de funcionamiento y los circuitos de aplicación común de los op-amps es esencial para diseñar y solucionar problemas en diversos sistemas electrónicos.