Los 10 circuitos fundamentales de amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales (op amp) son dispositivos lineales que tienen todas las propiedades necesarias para una amplificación de CC casi ideal y, por lo tanto, se utilizan ampliamente en el acondicionamiento de señales o filtrado o para realizar operaciones matemáticas como sumas, restas, integración y diferenciación. El propósito de este artículo es presentar 10 circuitos básicos para los recién llegados a los diseños electrónicos y refrescar las mentes oxidadas de los ingenieros.

1. Seguidor de voltaje

El circuito más básico es el buffer de voltaje, ya que no requiere componentes externos. Como la salida de voltaje es igual a la entrada de voltaje, los estudiantes pueden confundirse y preguntarse si este tipo de circuito tiene alguna aplicación práctica.

Este circuito permite la creación de una entrada de muy alta impedancia y una salida de baja impedancia. Esto es útil para interconectar niveles lógicos entre dos componentes o cuando una fuente de alimentación se basa en un divisor de tensión. La figura a continuación se basa en un divisor de tensión, y el circuito no puede funcionar. De hecho, la impedancia de carga puede tener grandes variaciones, por lo que el voltaje V_out puede cambiar drásticamente, principalmente si la impedancia de carga tiene un valor de la misma magnitud que R2.

Para resolver este problema, se inserta un amplificador entre la carga y el divisor de voltaje (ver figura abajo). Así, Vout depende de R1 y R2 y no del valor de carga.

El objetivo principal de un amplificador operacional, como indica su nombre, es amplificar una señal. Por ejemplo, la salida de un sensor debe ser amplificada para que el ADC pueda medir esta señal.

2. Amplificador operacional inversor

En esta configuración, la salida se retroalimenta a la entrada negativa o inversora a través de una resistencia (R2). La señal de entrada se aplica a este pin inversor a través de una resistencia (R1).

El pin positivo está conectado a tierra.

Esto es evidente en el caso especial donde R1 y R2 son iguales. Esta configuración permite la producción de una señal que es complementaria a la entrada, ya que la salida es exactamente lo opuesto a la señal de entrada.

Debido al signo negativo, las señales de salida y entrada están fuera de fase. Si ambas señales deben estar en fase, se utiliza un amplificador no inversor.

3. Amplificador operacional no inversor

Esta configuración es muy similar al amplificador operacional inversor. Para el no inversor, el voltaje de entrada se aplica directamente al pin no inversor y el extremo del bucle de realimentación está conectado a tierra.

Estas configuraciones permiten la amplificación de una señal. Es posible amplificar varias señales utilizando amplificadores sumadores.

4. Amplificador sumador no inversor

Para sumar 2 voltajes, solo se pueden agregar 2 resistores en el pin positivo al circuito amplificador operacional no inversor.

Vale la pena notar que añadir varias tensiones no es una solución muy flexible. De hecho, si se añade una tercera tensión con exactamente las mismas resistencias, la fórmula sería V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃).

Se necesitaría cambiar las resistencias para obtener V_s = V₁ + V₂ + V₃, o una segunda opción es usar un amplificador sumador inversor.

5. Amplificador sumador inversor

Al agregar resistencias en paralelo en el pin de entrada inversora del circuito amplificador operativo inversor, se suman todos los voltajes.

A diferencia del amplificador sumador no inversor, cualquier cantidad de voltajes puede sumarse sin cambiar los valores de las resistencias.

6. Amplificador diferencial

El amplificador operacional inversor (ver circuito número 2) amplificó un voltaje que se aplicó en el pin inversor, y el voltaje de salida estaba fuera de fase. El pin no inversor está conectado a tierra con esta configuración.

Si el circuito anterior se modifica aplicando un voltaje a través de un divisor de voltaje en el no inversor, terminamos con un amplificador diferencial como se muestra a continuación.

Un amplificador es útil no solo porque te permite sumar, restar o comparar voltajes. Muchos circuitos te permiten modificar señales. Veamos los más básicos.

7. Integrador

Una onda cuadrada es muy fácil de generar, simplemente alternando un GPIO de un microcontrolador, por ejemplo. Si un circuito necesita una forma de onda triangular, una buena manera de hacerlo es simplemente integrando la señal de onda cuadrada. Con un amplificador operacional, un condensador en la trayectoria de retroalimentación inversa, y una resistencia en el pin de entrada inversora como se muestra a continuación, la señal de entrada se integra.

Tenga en cuenta que a menudo se conecta una resistencia en paralelo al condensador para problemas de saturación. De hecho, si la señal de entrada es una onda sinusoidal de frecuencia muy baja, el condensador actúa como un circuito abierto y bloquea la tensión de retroalimentación. El amplificador entonces se comporta como un amplificador de lazo abierto normal que tiene una ganancia de lazo abierto muy alta, y el amplificador se satura. Gracias a una resistencia en paralelo al condensador, el circuito se comporta como un amplificador inversor con baja frecuencia, y se evita la saturación.

8. Diferenciador de amplificador operacional

El diferenciador funciona de manera similar al integrador intercambiando el condensador y la resistencia.

Todas las configuraciones que se presentaron hasta ahora.

9. Convertidor corriente – voltaje

Un fotodetector convierte la luz en corriente. Para convertir la corriente en voltaje, un circuito simple con un amplificador operacional, un bucle de realimentación a través de una resistencia en el no inversor, y el diodo conectado entre los dos pines de entrada, te permite obtener un voltaje de salida proporcional a la corriente generada por el fotodiodo, lo cual es evidente por las características de la luz.

El circuito anterior aplica la ley de Ohm con la fórmula fundamental: el voltaje es igual a la resistencia multiplicada por la corriente. La resistencia se mide en Ohmios y siempre es positiva. ¡Pero gracias a los amplificadores operacionales, se puede diseñar una resistencia negativa!

10. Resistencia negativa

Una retroalimentación en el pin inversor fuerza al voltaje de salida a ser el doble del voltaje de entrada. Como el voltaje de salida es siempre mayor que el voltaje de entrada, la retroalimentación positiva a través del resistor R1 en el pin no inversor simula una resistencia negativa.

Finalmente, un circuito con amplificador operacional no necesariamente modifica la señal de entrada, sino que la registra como el amplificador detector de picos.

También: Amplificador operacional detector de picos

El condensador se utiliza como memoria. Cuando el voltaje de entrada en la entrada no inversora es mayor que el voltaje en la entrada inversora, que también es el voltaje a través del condensador, el amplificador entra en saturación y el diodo está polarizado hacia adelante y carga el condensador. Suponiendo que el condensador no tenga una descarga automática rápida, cuando el voltaje de entrada Ve es menor que el voltaje a través del condensador, el diodo está bloqueado. Por lo tanto, el voltaje pico se registra gracias al condensador.

Hay muchos más circuitos disponibles con amplificadores operacionales, pero comprender estos 10 circuitos fundamentales te permite estudiar fácilmente circuitos más complejos.