Hola mi querido lector, se que compartimos el mismo gusto por la electrónica y dado este hecho, he decido crear este pequeño curso de Amplificadores Operacionales (AMP OP), estoy seguro que será un complemento perfecto para tus clases de electrónica.

Te recomiendo que vayas siguiendo el orden de los enlaces hacia los diferentes post, ya que es la ruta que te recomiendo seguir en el estudio del AMPOP, espero te guste y me ayudes a compartir para seguir ayudando a mas colegas.

El objetivo es que al final comprendas como trabajan estos tipos de componentes y sus distintas configuraciones que iremos viendo de manera específica en otras secciones. ¡Comencemos!

¿Qué es un amplificador operacional (AMP OP)?

Los amplificadores operacionales (A.O.) también conocidos como Amp Op, son amplificadores de alta ganancia que podemos alimentar a través de fuentes positivos y negativas.

Para llegar a navegar por los términos más complejos dentro del amplificador operacional (A.O) o también llamado simplemente OP-AM o AMP OP, es necesario conocer primero de que trata este dispositivo electrónico muy conocido dentro de la rama de ingeniería electrónica.

Podemos definir a este dispositivo como un amplificador de naturaleza electrónica, el cual se caracteriza por tener dos entradas y una salida, las entradas del amplificador están polarizadas, lo que quiere decir que tendremos:

• Una entrada inversora (-).
• Una entrada no-inversora (+).
• Y una salida que está dada por la diferencia de las dos entradas multiplicadas por un factor.

También se caracterizan por ser muy compactos, con un nivel de ganancia (relación del valor de la señal de salida y la de entrada) muy alto, por lo tanto, el nivel de ganancia es el factor por el cual se multiplica la diferencia de las dos entradas.

Descuida si hasta este punto no has comprendido todo, quizá si te lo muestro con la siguiente expresión matemática, entiendas mejor de que va la salida del amplificador.

AOL representa la ganancia del amplificador cuando no hay realimentación. Como te mencioné antes, la ganancia es el factor que se multiplica con la diferencia de voltajes de las entradas.

Hablemos de su diseño interno, en donde los OPAM consisten en tres etapas que son fundamentales:

• Amplificación diferencial.
• Amplificación de tensión.
• Amplificación de salida.

Generalmente son diseñados con el fin de obtener una función de transferencia deseada; sin embargo, esto último puede variar de la configuración del AO, las cuales veremos mucho más adelante.

Los OPAM se alimentan generalmente con fuentes negativas y positivas, lo que significa que podrás encontrar modelos de amplificadores operacionales que se alimentara de dichos voltajes.

• Finalmente, cabe aclarar que el AMP OP sólo responde a la diferencia de tensión entre dos terminales de entrada, más no a su potencial común.

Esto nos lleva a un punto sumamente importante:

El objetivo del AMP OP es amplificar la diferencia de tensión, donde dichas tensiones están dadas en las entradas del AO.

Usualmente encontraras amplificadores operacionales aplicados desde acopladores de señales y circuitos osciladores, hasta televisiones antiguas y computadoras análogas.

Modelo ideal y real del amplificador operacional

Algo que debes saber o quizá ya es de tu conocimiento, es que muchos dispositivos electrónicos que existen actualmente, para su estudio y aplicación se toman en cuenta dos modelos de dicho dispositivo:

• Un modelo ideal.
• Y un modelo real o práctico.

Un modelo ideal se puede definir y entender como un sistema, y en dicho sistema solo actúan variables tenidas en cuenta en el análisis realizado previamente en ese sistema.

Dentro del campo de los amplificadores operaciones, existen tres variables en el funcionamiento de estos dispositivos:

• La impedancia de entrada.
• Impedancia de salida.
• Y la ganancia en lazo abierto.

Mientras tanto, un modelo real se puede definir como cualquier sistema físico que realice una función con cualquier componente real y funcional. En otras palabras, esto se refiere al uso de elementos electrónicos encapsulados y energizados que tengan la posibilidad de cambiar el estado de una variable física (funciones análogas o digitales).

Ahora, ya que sabes de que va el significado de un modelo ideal y real, podemos conocer qué características tiene un OPAM ideal en comparación de un OPAM en su modelo real o practico.

Características del Modelo ideal del amplificador operacional

Un amplificador ideal debe cumplir las siguientes características:

• Una resistencia de valor infinito a la entrada (Rin).
• La Resistencia de salida tiene un valor cero (Rout).
• Ganancia de valor infinito en lazo abierto (AOL).
• La Corriente de entrada tiene un valor de cero.
• Disponibilidad infinita de tensión en la salida.
• Infinito ancho de banda con un valor de cero en el desplazamiento de cero.
• Cero ruidos.
• Cero tensión de desequilibrio de entrada.
• Infinita rapidez de variación de tensión.
• Infinito rechazo al modo común (CMRR).
• Infinito factor de rechazo a fuente de alimentación (PSRR)
  Las corrientes de entrada tienen un valor de cero.
• Si se tiene una configuración en lazo cerrado, la salida intenta hacer que la diferencia de tensión entre las entradas sea cero.

Estas dos últimas son las más importante, ya que resumen de manera acertada el funcionamiento del modelo ideal del AO.

Características del Modelo real del amplificador operacional

Ya has conocido las características de funcionamiento del modelo ideal del AMP OP, los cuales son ideales para aplicaciones más generales.

Sin embargo, si se presentan aplicaciones más específicas y con mayor precisión, se necesitan considerar modelos más detallados del funcionamiento de los amplificadores operacionales, y aquí entra en juego su modelo real.

Las características que presenta un AO real, son las siguientes:

• La ganancia en lazo abierto alcanza valores de 100, 000 hasta más de 1,000,000 si se encuentra acoplada a corriente continua (CA).
• El valor de la resistencia de salida (Rout) es nula.
  La resistencia de entrada puede ser de 0,3 ohmios en adelante.
• El valor de la corriente de entrada no es de cero, a diferencia del modelo ideal.
• El valor del voltaje de desequilibrio no es de cero; puede tomar valores de hasta 15mV.
• Finito rechazo a fuente de alimentación.
• Finito rechazo a modo común.
• La temperatura entra como variable externa que afecta la eficiencia del AO.
• El funcionamiento del amplificador puede verse deteriorado a través del tiempo por desgaste.
• Finito ancho de banda.
• Puede tener presencia de ruido natural o térmico.
• Corriente de salida limitada.
• Potencia disipada limitada.
• Puede presentar efectos capacitivos en la entrada, debido a la cercanía de estos terminales.

Símbolo del amplificador operacional

¡Llegaron las lecciones de historia! En este apartado, conoceremos algunos datos sobre el origen de este dispositivo electrónico. No obstante, primero debes saber cómo es el símbolo de un AO.

El símbolo básico del AO es representado por un triángulo, el cual tiene en su base la representación de las dos entradas características del amplificador:

• La entrada inversora (-).
• Y la entrada no-inversora (+).
• En el ápice o punta, se encuentra representado el pin de salida (Vout).

Como te mencione anteriormente, el amplificador puede ser alimentado por voltaje positivo o negativo, y en el símbolo de representación también se incluye esto (-Vcc y +Vcc). Puedes observar que estos pines pueden estar por encima o debajo del triángulo.

Probablemente encuentres en otras fuentes que no están incluidas estos terminales de alimentación en el símbolo, y esto se debe a que la simplicidad; en general, no se colocan, pero viene implícita su existencia.

Historia y orígenes de AMP OP

• El amplificador nace gracias a George Philbrick, quien trabajaba Huntington Engeneering Labs, donde dedicaba su tiempo a la investigación.
• Philbrick tenía la idea original de utilizar estos dispositivos para realizar operaciones y funciones matemáticas en computadoras analógicas, y se integró de esa manera al mercado en 1948.
• No obstante, no fue hasta 1964 y 1967 donde la empresa Fairchild integro los amplificadores operacionales más conocidos y que dieron paso a su aplicación en las señales.

Posteriormente, gracias al avance tecnológico en el campo de la electrónica, se produjeron AO, los cuales son “amplificadores especiales” para situaciones específicas. A continuación, te menciono algunos de estos amplificadores especializados:

• Múltiples.
• De ganancia programable.
• De control automotriz.
• De instrumentación.
• Para circuitos osciladores y de comunicación.

A pesar de tener amplificadores especializados, siempre se tendrán vigentes los amplificadores de propósito general, debido a su versatilidad en diversas aplicaciones y costo en el mercado.

• Cabe destacar que, en un principio, el AMP OP no era un circuito encapsulado, sino más bien un tubo de vacío. Interesante ¿no?

Ganancia en un AMP OP en lazo abierto y lazo cerrado

Como te mencione en anteriores apartados, una de las variables que influyen directamente en el funcionamiento del AO es la ganancia del dispositivo, la cual depende de la configuración del amplificador.

En este apartado, te platicaré sobre la ganancia de los OPAM en lazo abierto, lazo cerrado y otras características importantes.

• Si has llegado a este punto te invito a ver mi post dedicado a los sistemas de control donde profundizo un poco más en este tema.

Ganancia en lazo abierto (AOL)

Anteriormente te definí lo que es ganancia, pero vale la pena recordarlo un poco más técnico:

La ganancia se define como el cociente entre la tensión de salida (Vout) y la tensión de entrada (Vin).

Se dice que el amplificador tiene una ganancia en lazo abierto cuando no existe en una realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas que tiene el dispositivo.

Hablando específicamente del valor de esta ganancia, se puede decir que idealmente, tiene un valor infinito, no obstante, si hablamos de un modelo real, la ganancia está entre los 100,000 y los 300,000. Un valor demasiado alto.

Gracias a este hecho, se origina otro fenómeno en el AO llamado saturación del amplificador, dicho fenómeno se debe a que la diferencia entre las tensiones de entrada hace que la salida del amplificador tenga un valor cercano al del voltaje de alimentación.

La ganancia (Av) del AO en lazo abierto se puede expresar de la siguiente manera:

Ganancia en lazo cerrado (ACL)

Como vimos anteriormente, los amplificadores prácticos tienen una ganancia de tensión altísima, sin embargo, en algunas ocasiones se debe controlar el comportamiento en la señal de salida y en la ganancia misma, esto se logra gracias a la implementación de elementos, específicamente resistencias y capacitores, lo que nos dará mayor control y estabilidad en la ganancia del OPAM.

En el lazo cerrado se utiliza la realimentación negativa, que consiste que aplicar parte de la tensión de salida a la entrada inversora, y está realizada por medio de resistencias. A continuación, te muestro como ejemplo el diagrama del OPAM no inversor con realimentación negativa.

RF es la resistencia de realimentación, mientras que R1 es la resistencia de entrada. Dichas resistencias determinan la ganancia del amplificador en lazo cerrado.

Finalmente, esta ganancia se expresa de la siguiente manera:

Frecuencia de corte y atenuación.

Otras variables que afectan internamente el funcionamiento del AO en conjunto con la ganancia, es la frecuencia de corte y el porcentaje de atenuación.

La frecuencia de corte se define como un límite en la respuesta de frecuencia en cualquier sistema, y en este caso, del amplificador. En dicho sistema la energía que fluye a través de él se reduce o atenúa.

En los amplificadores operacionales en lazo abierto, después de una frecuencia de corte existe una caída de ganancia; sin embargo, para controlar este fenómeno, se utiliza un condensador o capacitor, que usualmente ya trae internamente el amplificador.

La frecuencia de corte se representa mediante las siguientes expresiones:

Mientras tanto, la atenuación es la perdida de tensión en un sistema, y es gracias a que muchos circuitos electrónicos reducen señales en lugar de amplificarla ¿Cómo puedes identificar la atenuación? Pues sencillamente cuando la amplitud de la señal de salida es menor que la de entrada.

• El cociente de atenuación generalmente es menor a la unidad.

Alimentación en un amplificador operacional

Anteriormente vimos que una característica especial del AO, es el hecho de que puede ser polarizado, tanto con voltajes sencillos como con voltajes simétricos; en el caso de las tensiones sencillas, la salida no va a presentar voltajes menores a 0v.

El valor de las tensiones simples y simétricas no suele ser especifico, ya que, al fabricarlos, se da un margen máximo y un margen mínimo, sin tener alteración alguna en el correcto funcionamiento del amplificador que se escoja.

La regla de oro dentro de la alimentación del AO, es que este no tenga un voltaje de salida mayor que su fuente de alimentación. Por ejemplo:

Si un OPAM está conectado a 40v, no se permitirá introducir 1 volt en dicho amplificador si está configurado con un factor de ganancia de 100.

Lo anterior se debe a que el máximo es inferior a 0,4v, de aquí la importancia de saber las especificaciones en la hoja de datos de cada AMP OP y saber bajo que cantidades de tensión opera.

Al intentar introducir esa señal de 1v, puede que se introduzca ruido y distorsión de señal, haciendo que el amplificador no funcione de manera eficiente.

Parámetros de los amplificadores operacionales

Para su debido estudio y comprensión, los amplificadores operacionales tienen parámetros o variables que de alguna forma influyen en el comportamiento y eficacia del dispositivo. A continuación, veremos cada uno de esos parámetros.

• Impedancia de salida (Zo): La impedancia de salida la resistencia que el amplificador aplica en la salida.
• Impedancia de entrada (Zin): La impedancia de entrada es la resistencia que el amplificador presenta en sus entradas.
• Ganancia en lazo abierto (VOL): Representa el valor de la ganancia del AO sin una realimentación. Se suele expresar en unidades naturales (v/v) o en unidades logarítmicas (dB). Lo que caracteriza a este tipo de ganancia, son sus valores tan grandes, llegando hasta los 300,000 v/v
• Voltaje de desequilibrio de entrada (Offset-Vin): Representa la diferencia de tensión entre la señal de dos entradas, donde el resultado hace que la salida del amplificador sea de 0v.
• Corriente de desequilibrio de entrada: Representa la diferencia de corriente entre las dos entradas del amplificador, lo que provoca que la salida tome un valor de cero.
• Tensión en modo común (Vcm): Representa el valor promedio de voltaje aplicado a las entradas del OPAM.
• Tensión de entrada diferencial (VID): Es la mayor diferencia de voltaje entre las entradas del AO.
• Corriente de polarización de entrada (IIB): Es el promedio de la corriente que circula por las entradas del amplificador cuando no existe señal.
• Relación de rechazo común (CMRR): Es la capacidad que tiene el AO de rechazar señales estando en modo común. La CMRR es el cociente entre la amplificación diferencial y la de modo común; si este parámetro se acerca a valores mayores, más cerca estará del modelo ideal.
• Rapidez de variación de tensión: Representa la mayor variación del voltaje de salida, respecto de la variación del tiempo. Se mide en V/Μs. Cabe destacar que este parámetro se encuentra limitado por la compensación en frecuencia de algunos amplificadores operacionales.
• Ruido: El ruido es una medida de la interferencia en una señal. El ruido puede ser generado internamente por el amplificador operacional o puede ser recogido de fuentes externas. El ruido puede afectar la precisión y la calidad de la señal amplificada.

Estas son algunas de las especificaciones técnicas más importantes de los amplificadores operacionales, aunque también hay otras que pueden ser relevantes en diferentes aplicaciones.

Configuraciones de realimentación de un AMP OP

Ya hemos visto que la realimentación forma una parte esencial dentro del funcionamiento y definición del AO y la ganancia, ya que permite controlar esta última; sin embargo, debemos conocer cada tipo de realimentación que existe y sus principales características.

La realimentación consiste en combinar una fracción de la señal de salida con la señal de entrada, modificando las características esenciales del AO. En los amplificadores tenemos realimentación positiva y negativa.

Amplificador operacional sin realimentación

Si en el amplificador no existe un arreglo de realimentación, la salida del amplificador será la diferencia de las señales de entrada, multiplicada por la ganancia. Es la configuración más simple del AO.

Amplificador operacional con realimentación negativa

Se dice que la realimentación es negativa cuando el valor de la tensión de salida es menor que sin arreglo de realimentación. Para que esto sea posible, la fracción de la señal de salida que se toma es aplicada a la entrada inversora del amplificador.

Como puedes observar, la resistencia de realimentación (RF) está conectada entre la salida del amplificador y su entrada inversora, en conjunto con una resistencia de entrada (R1).

La realimentación negativa disminuye la ganancia del amplificador; sin embargo, este arreglo de realimentación es utilizado gracias a sus diversas ventajas, como un aumento en el ancho de banda y su estabilidad, al igual que la disminución de ruido.

Todas estas ventajas ayudan al amplificador a funcionar de una mejor manera.

Amplificador operacional con realimentación positiva

Se dice que existe una realimentación positiva cuando el valor de la tensión o señal de salida (Vout) es mayor que sin el arreglo de la realimentación.

Consiste en conectar una resistencia (resistencia de realimentación) entre la salida del amplificador y la entrada de voltaje, son obstante, esta vez es a la entrada no inversora del amplificador.

En funcionalidad, prácticamente es lo contrario a la realimentación negativa: se incrementa el ruido, la distorsión y la ganancia, además de que disminuye el ancho de banda y la estabilidad del amplificador. Solo es aplicable en circuitos osciladores.

Tipos de amplificador operacional

Existen diferentes tipos de amplificadores operacionales, los cuales pueden clasificarse según su configuración interna y características eléctricas. Algunos de los tipos más comunes son:

• Amplificador operacional de propósito general: es el tipo más común de amplificador operacional, utilizado en una amplia variedad de aplicaciones de electrónica.
• Amplificador operacional de alta velocidad: se caracteriza por tener una respuesta en frecuencia muy rápida, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta velocidad como la amplificación de señales de radiofrecuencia.
• Amplificador operacional de alta ganancia: se caracteriza por tener una ganancia muy alta, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de amplificación de señales muy débiles.
• Amplificador operacional de instrumentación: se utiliza en aplicaciones de medición y control, ya que se caracteriza por tener una alta precisión y rechazo de señal común.
• Amplificador operacional de potencia: se utiliza en aplicaciones de amplificación de señales de alta potencia, como en sistemas de audio y amplificadores de potencia para motores.

Cada tipo de amplificador operacional tiene características específicas que los hacen adecuados para ciertas aplicaciones. Es importante seleccionar el tipo adecuado según los requisitos de la aplicación en cuestión.

Características adicionales de los amplificadores operacionales

Las características adicionales del amplificador operacional incluyen:

Offset de entrada

• El offset de entrada es la diferencia de potencial de entrada necesaria para producir una tensión de salida nula.
• Un amplificador operacional ideal tiene un offset de entrada igual a cero, pero en la práctica, los amplificadores operacionales reales tienen un pequeño offset de entrada.

Offset de salida

• El offset de salida es la tensión de salida del amplificador operacional en condiciones de entrada nula.
• Un amplificador operacional ideal tiene un offset de salida igual a cero, pero en la práctica, los amplificadores operacionales reales tienen un pequeño offset de salida.

Protección contra sobrecarga

• Los amplificadores operacionales están diseñados para manejar ciertos niveles de voltaje y corriente de entrada y salida.
• Si se exceden estos límites, el amplificador operacional puede sufrir daños.
• Por lo tanto, muchos amplificadores operacionales incluyen protección contra sobrecarga para evitar daños en el dispositivo.

Protección contra cortocircuitos

• La protección contra cortocircuitos es una característica adicional que se encuentra en algunos amplificadores operacionales.
• Esta característica protege al dispositivo de daños si se produce un cortocircuito en la carga o en la salida del amplificador operacional.

Estas características adicionales son importantes para garantizar un rendimiento óptimo y proteger el amplificador operacional de daños.

Selección del amplificador operacional adecuado

La selección del amplificador operacional adecuado se basa en varios factores, como el tipo de aplicación, la fuente de alimentación, el rango de voltaje de entrada y la ganancia requerida. Algunos factores clave a considerar al seleccionar un amplificador operacional son:

Tipo de aplicación

• El amplificador operacional debe ser seleccionado en función de la aplicación específica para la que se está diseñando.
• Por ejemplo, hay amplificadores operacionales específicos para aplicaciones de audio, sensores, señales de baja frecuencia, etc.

Ganancia requerida

• La ganancia requerida es un factor clave en la selección de un amplificador operacional.
• La ganancia se define como la relación entre la señal de salida y la señal de entrada, y debe ser lo suficientemente alta para amplificar la señal de entrada sin distorsión.

Fuente de alimentación

• La fuente de alimentación es otro factor importante a considerar al seleccionar un amplificador operacional.
• El amplificador operacional debe ser compatible con la fuente de alimentación utilizada en la aplicación.

Rango de voltaje de entrada

• El rango de voltaje de entrada es otro factor importante en la selección de un amplificador operacional.
• El amplificador operacional debe ser capaz de manejar el rango de voltaje de entrada utilizado en la aplicación.

Impedancia de entrada

• La impedancia de entrada es otro factor importante en la selección de un amplificador operacional.
• La impedancia de entrada debe ser lo suficientemente alta para evitar la carga en el circuito de entrada.

Es importante tener en cuenta que la selección adecuada del amplificador operacional puede tener un gran impacto en el rendimiento y la precisión del circuito.

Configuraciones del amplificador operacional

Gracias a su gran versatilidad, el AO puede utilizarse en muchas situaciones y aplicaciones: ¿Necesitas restar dos voltajes? Puedes realizar un amplificador restador. ¿Necesitas sumar dos voltajes? Puedes realizar con el AO un sumador. ¿Necesitas integrar una señal cuadrada? Puedes realizar un AO integrador.

Creo que lo has entendido muy bien, así que veamos de que tratan estas aplicaciones. No profundizare mucho en este apartado, ya que puedes encontrar aquí mismo, por separado, estas aplicaciones, donde te explico detalle a detalle de que va cada aplicación.

• Antes de pasar con las configuraciones del AMP OP, te dejo al amplificador LM741 con el cual podrás realizar todas tus practicas.

Amplificador inversor

Se le llama así a esta aplicación debido a que la señal es inversa a la señal de entrada, a pesar de ser mayor, menor o igual. La señal de entrada se aplica a la terminal inversora del amplificador, mientras que la terminal no inversor se lleva a tierra con una resistencia de protección (R3, opcional).

La resistencia de realimentación (RF) va desde la salida del amplificador, hasta la entrada inversora. Su ecuación de voltaje de salida (Vout) es la siguiente:

Amplificador no inversor

Esta aplicación, hablando en términos de funcionalidad, es muy parecida a su contraparte el amplificador inversor; sin embargo, la señal de entrada se introduce por el terminal no inversor, haciendo que la señal de salida esté en fase con la señal de entrada, es decir, va a tener el mismo signo.

El voltaje de salida se puede obtener con la siguiente expresión:

Amplificador sumador

El AMP OP sumador tiene la capacidad de realizar la operación matemática de suma entre dos voltajes de entrada, y unirlas en una sola salida.

Algo característico que tiene el amplificador sumador, es que puede tener más de dos entradas de voltaje, logrando sumar todas ellas. Las entradas de tensión se encuentran en el terminal inversor del amplificador.

El voltaje de salida está dado por la siguiente expresión:

Amplificador sumador no inversor

El amplificador sumador no inversor es similar a su contraparte el sumador inversor; no obstante, en este circuito las entradas de voltaje se encuentran en el pin no inversor (+). El pin inversor esta vez se encuentra conectado a tierra mediante una resistencia de protección.

El voltaje de salida está representado por la siguiente expresión:

Amplificador restador

El amplificador restador, como lo dice su nombre, tiene la capacidad de restar dos entradas de voltaje, donde normalmente es la entrada inversora menos la no inversora. La salida está dada por la diferencia de las dos señales.

La salida está dada por la siguiente expresión:

Amplificador diferencial

En esencia, este circuito amplificador es muy parecido al amplificador restador; incluso se toma como una variante compleja de este último.

Lo que realiza el amplificador diferencial es restar las entradas de voltaje, y esa diferencial la amplifica en la salida. La ventaja de utilizar este amplificador es que tiene un alto rechazo al ruido en modo común.

Amplificador comparador

El amplificador comparador es uno de los más sencillos, ya que no requiere ningún arreglo de realimentación ni nada por el estilo. Este circuito es capaz de comparar dos señales de entrada, y dependiendo de cuál sea mayor o menor, se establecerá la señal de salida.

Puede ser de naturaleza inversora o no inversora, las condiciones para la señal de salida son las siguientes:

Amplificador integrador

Este circuito amplificador tiene la capacidad de realizar la función matemática de tipo integración, lo cual permite que integrar cualquier señal de entrada, entregando su integral como salida.

El voltaje de salida (Vout) se calcula con la siguiente expresión:

Amplificador derivador

El amplificador derivador realiza la función matemática de la derivación; es capaz de derivar la señal de entrada, entregando en la señal de salida este resultado. Existe un problema con el ruido en este amplificador, ya que, si se ingresa ruido en la entrada además de la señal que se desea amplificar, el ruido también será amplificado. Esto se puede solucionar conectando un condensador en serie con la resistencia de entrada.

El voltaje de salida está dado por la siguiente ecuación:

Amplificador de instrumentación

El amplificador de instrumentación es una aplicación donde se encuentra acoplado el amplificador restador. Nace de la necesidad de resolver un problema con la impedancia de entrada que puede presentar un amplificador restador común. Funciona por medio de dos etapas: pre-amplificación y etapa diferencial.

Seguidor de voltaje

También llamado amplificador buffer o amplificador de ganancia unitaria, es la aplicación más sencilla que existe, ya que su única función es entregar en la señal de salida, la misma señal de entrada. Por ejemplo, si entran 5v, en la salida se entregarán esos mismo 5v.

Puede parecer una aplicación inútil, pero tiene bastante aplicación con divisores de voltaje y control de cargas.

Amplificador conversor de corriente a tensión

El AMP OP, además de realizar operaciones matemáticas, también nos puede ayudar convertir unidades, y en este caso, puede ayudarnos a convertir una corriente de entrada a una tensión.

La salida de voltaje se expresa de la siguiente manera:

También puedes realizar la función inversa: convertir de voltaje a corriente. Este circuito se divide en dos: amplificador con carga flotante y aterrizada o carga normal. Aquí, la intensidad se calcula se la siguiente manera:

Mantenimiento y cuidado de los amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales son componentes electrónicos sensibles y requieren de un cuidado adecuado para su correcto funcionamiento y durabilidad. A continuación se presentan algunos consejos para el mantenimiento y cuidado de los amplificadores operacionales:

1. Protección contra la electricidad estática: los amplificadores operacionales son muy sensibles a la electricidad estática, por lo que es importante manipularlos con precaución y descargar la electricidad estática antes de manipularlos.
2. Temperatura: los amplificadores operacionales deben operar dentro de un rango de temperatura específico. Si se excede este rango, el amplificador puede dañarse. Es importante asegurarse de que el amplificador tenga una buena disipación de calor y se ubique en un lugar adecuado para evitar sobrecalentamiento.
3. Protección contra la humedad: la humedad puede dañar los componentes electrónicos, incluyendo los amplificadores operacionales. Es importante mantener los amplificadores alejados de la humedad y protegerlos con recubrimientos especiales si se van a utilizar en ambientes húmedos.
4. Limpieza: la acumulación de polvo y suciedad en los amplificadores operacionales puede afectar su rendimiento. Es recomendable limpiar los amplificadores regularmente con aire comprimido o un cepillo suave.
5. Verificación periódica: es importante verificar regularmente el rendimiento de los amplificadores operacionales para detectar posibles fallas o problemas. Se pueden realizar pruebas de diagnóstico o monitoreo de parámetros para asegurarse de que el amplificador está funcionando correctamente.

Siguiendo estos consejos de mantenimiento y cuidado, se puede prolongar la vida útil de los amplificadores operacionales y garantizar un rendimiento óptimo.

Problemas comunes y soluciones de los amplificadores operacionales

Algunos problemas comunes y soluciones de los amplificadores operacionales son:

• Problema: Ruido excesivo en la salida del amplificador
  Solución: Verificar la conexión de tierra, reemplazar los cables de entrada, verificar las fuentes de alimentación y asegurarse de que el amplificador esté correctamente aislado.
• Problema: Sobrecalentamiento del amplificador
  Solución: Asegurarse de que la carga esté dentro de los límites de corriente del amplificador y que la disipación de calor sea adecuada. Si el amplificador se sobrecalienta constantemente, puede ser necesario reemplazarlo con uno de mayor capacidad.
• Problema: Distorsión en la señal de salida
  Solución: Verificar la ganancia del amplificador y asegurarse de que esté dentro de los límites especificados. También se puede revisar el diseño del circuito para asegurarse de que se está utilizando la configuración adecuada del amplificador.
• Problema: No hay señal de salida
  Solución: Verificar la alimentación del amplificador y asegurarse de que esté recibiendo la tensión adecuada. También se puede revisar el circuito de entrada para asegurarse de que la señal esté siendo amplificada correctamente.

Tendencias y novedades de los amplificadores operacionales

Algunas tendencias y novedades en el mundo de los amplificadores operacionales incluyen:

• Amplificadores operacionales de alta velocidad: para aplicaciones que requieren una respuesta de frecuencia más rápida y una mayor precisión, se están desarrollando amplificadores operacionales de alta velocidad con tiempos de respuesta muy rápidos y una banda ancha de alta frecuencia.
• Amplificadores operacionales de bajo ruido: en aplicaciones donde la señal es muy débil, como en los sistemas de medición, los amplificadores operacionales de bajo ruido se utilizan para minimizar la interferencia y el ruido en la señal.
• Amplificadores operacionales programables: estos amplificadores operacionales tienen la capacidad de ajustar la ganancia, el ancho de banda, la impedancia de entrada y la impedancia de salida para satisfacer las necesidades de una amplia variedad de aplicaciones.
• Amplificadores operacionales de bajo consumo de energía: para dispositivos portátiles y baterías de larga duración, se están desarrollando amplificadores operacionales de bajo consumo de energía que utilizan técnicas de ahorro de energía para reducir el consumo de energía.
• Amplificadores operacionales de alta tensión: para aplicaciones que requieren voltajes de entrada y salida más altos, se están desarrollando amplificadores operacionales de alta tensión que pueden manejar tensiones de hasta varios cientos de voltios.

Usos del amplificador operacional

Como ya te puedes percatar, el AO tiene muchas aplicaciones, donde cada una tiene su propósito y puede ayudar a muchas cosas. Además de esto, los OPAM permiten funciones especiales dentro de la circuitería eléctrica, además de ser parte importante de muchos dispositivos, como computadoras y celulares (obviamente a un tamaño diminuto).

El uso de los amplificadores operacionales ha permitido realizar avances considerables en el análisis y procesamiento de señales; esta acción ha supuesto un pilar importante en el estudio de las telecomunicaciones y las técnicas de transmisión de la información.

En resumen, un AO tiene aplicación en los siguientes puntos:

• Reguladores
• Filtros de señales
• Conversores
• Control de cargas en circuitos electrónicos
• Adaptadores de nivel
• Calculadoras
• Computadoras
• Osciladores
• Preamplificadores
• Sistemas de mezclado de audio
• Búfer de audio y vídeo
• Sintetizadores

Limitaciones de un amplificador operacional.

Probablemente sepas que, en general, muchos dispositivos electrónicos tienen problemas propios en su funcionalidad, además de limitantes que propician a que el dispositivo no se acerque a la “perfección” de su modelo ideal.

Bien, el AO no es la excepción dentro de estas limitaciones de sistema. A continuación, te menciones esas limitaciones que tiene el AO.

• Tensión en off-set: Una de las limitaciones que tienen los OPAM, es su tensión en off.set, la cual se obtiene entre las dos terminales de entrada cuando la señal de salida tiene un valor de cero, no obstante, este voltaje es cero SOLO en el modelo ideal, no se puede obtener en un amplificador real. El offset puede variar en función a la temperatura (T) y se puede obtener con la siguiente expresión:

Además de variar en función de la temperatura, también va a variar dependiendo de la alimentación del amplificador; a este fenómeno se le llama PSSR (Relación de rechazo a la fuente de alimentación).

La PSSR se define como la variación de la tensión en offset en función a la variación de tensiones de la alimentación, se expresa de decibelios (dB) y se calcula de la siguiente manera:

• Corrientes: En los amplificadores operacionales hay dos tipos de corrientes que se deben tomar en cuenta y que los fabricantes suelen proporcionar junto a la hoja de datos.

• Capacitancias: ¿Por qué el amplificador disminuye su ganancia conforme aumenta la frecuencia? Esto se debe a que este dispositivo presenta capacitancias parasitas que afectan el rendimiento del operacional.
• Deriva térmica: Una de las variables que alteran el comportamiento de uniones semiconductoras es la temperatura, y debido a esto, el AO también altera sus características, conociendo de qué tipo de transistor está basado el AO.
• Característica tensión-frecuencia: El AO con usos generales también es llamado amplificador realimentado en tensión (VFA); dicho amplificador presenta una limitación referente a la frecuencia, debido a que el producto de la ganancia en voltaje por el ancho de banda es constante.

Aquí depende de qué tipo de ganancia se esté hablando; si hablamos de ganancia en lazo abierto, se habla de que esta ganancia es gigantesca, por lo tanto, tendremos un valor bajo del ancho de banda. En cambio, si realimentamos negativamente, se baja considerablemente la ganancia a cambio de un incremento en el ancho de banda.

¡Lo has logrado! Si has llegado hasta aquí, te felicito mucho, ya que ha sido un camino extenso al llegar hasta aquí. ¡qué felicidad! Espero haya comprendido a la perfecciono todo lo referente a los amplificadores operacionales, ya que prácticamente hemos visto los puntos más importantes para comprender el funcionamiento y comportamiento de este dispositivo electrónico.

El amplificador operacional forma parte esencial del avance tecnológico que hemos tenido hasta ahora; televisiones, computadores, redes celulares, son algunos de los campos donde de manera directa o indirecta, los amplificadores operacionales han tenido un papel de suma importancia, incluso estudiarlos de manera académica, ayuda de mucho a conocer con exactitud el comportamiento de muchas variables conocidas en el campo de la ingeniería.

Finalmente, antes de despedirme (por ahora), te dejo algunos puntos que merecen la pena ser recordados.

• El amplificador operacional tiene como principal función realizar operaciones matemáticas con entradas de señal, además de un procesamiento analógico de señales.
• Es creado por George Philbrck y es introducido al mercado en el año de 1948.
• Al principio, este AO era un tubo de vacío.
• Algunas de las características más importantes del OPAM, es su impedancia de entrada y de salida, al igual que su ganancia elevada.
• El AO consiste en dos entradas, una de naturaleza inversora (-) y otra de naturaleza no inversora (+), al igual que una señal de salida.
• El símbolo representativo del AO es un triángulo, donde en la base tiene las entradas y en la punta la salida. A los lados tiene las conexiones de alimentación, tanto negativa como positiva.
• Hay dos modelos que describen el comportamiento del AO y sus variables: un modelo idea y un modelo real.
• Hay dos tipos de ganancia en el AO:
  • Ganancia en lazo abierto
  • Y ganancia en lazo cerrado.
• La importancia de tener una realimentación positiva o negativa, influye en el valor de la ganancia del amplificador.
• Para conocer de una mejor manera el amplificador, debes conocer sus parámetros, los cuales son bastantes y están en forma de lista en esta misma clase.
• Las aplicaciones del AO son muy variadas; desde un amplificador sumador, hasta u n amplificador restador, pasando por los amplificadores integradores, derivadores y seguidores de voltaje, por mencionar algunos.
• Las aplicaciones de los amplificadores tienen un gran impacto en sistemas análogos y control de señales.

Y así, hemos terminado esta sección de los amplificadores operacionales, espero hayas aprendido muchísimo. Te recuerdo que esto no acaba aquí; puedes buscar en esta misma página todas las aplicaciones del AMP OP; aquí encontraras información precisa de cada aplicación, para que complementes totalmente tu conocimiento sobre estos interesantes dispositivos.