Descubre el misterioso mundo de los amplificadores operacionales inversores y cómo pueden revolucionar tus proyectos electrónicos. En este artículo, desentrañaremos el secreto detrás de este componente esencial y cómo puede ayudarte a amplificar señales de manera eficiente. Si eres un apasionado de la electrónica, no te pierdas esta guía completa sobre qué es un amplificador operacional inversor.
Un amplificador operacional es un componente electrónico que tiene una variedad de usos en circuitos. Hay dos tipos principales de amplificadores operacionales, inversores y no inversores. En este artículo, nos centraremos en el tipo inversor. Los amplificadores operacionales inversores se utilizan para cambiar la polaridad de una señal, mientras que los amplificadores operacionales no inversores amplifican las señales sin cambiar su polaridad. Si eres nuevo en la electrónica o simplemente quieres aprender más sobre la inversión de amplificadores operacionales, ¡sigue leyendo!
Definición de un amplificador operacional inversor
Los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente en muchas industrias porque son extremadamente versátiles y robustos. Normalmente se encuentran en equipos de audio, sistemas de automatización industrial, aplicaciones médicas e instrumentos de prueba.
El diseño básico de un amplificador operacional consta de dos entradas (invertida y no inversora) que están conectadas al mismo punto de referencia conocido como tierra virtual. La salida del amplificador operacional dependerá de cuánta corriente fluya a través del circuito.
Está diseñado para producir una señal de salida que está desfasada 180° con la señal de entrada, lo que da como resultado una versión invertida amplificada del voltaje de entrada cuando ambos están conectados juntos.
Se puede considerar que el amplificador operacional inversor tiene dos componentes principales; la etapa del amplificador diferencial y el bucle de retroalimentación. La etapa del amplificador diferencial amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada, mientras que el bucle de retroalimentación controla la cantidad de esta señal amplificada que regresará a las entradas para crear una ganancia o atenuación dependiendo de si es positiva o negativa. Esto crea un sistema de circuito cerrado que es muy estable en comparación con el funcionamiento de circuito abierto.
La ganancia de un amplificador operacional inversor se puede calcular fácilmente multiplicando la relación de dos resistencias en el circuito de retroalimentación.
Desde su introducción, el amplificador operacional inversor se ha convertido en una opción popular para muchas aplicaciones, como sistemas de altavoces, filtros, acondicionamiento de señales y muchas más. También se utiliza en algunas de las tecnologías de imágenes médicas más avanzadas disponibles en la actualidad, debido a su capacidad para amplificar señales con precisión y al mismo tiempo proporciona una linealidad excelente y un rendimiento de bajo ruido. [1], [2], [3], [4]
¿Cómo funcionan los amplificadores operacionales inversores?
Los amplificadores operacionales inversores se utilizan normalmente en circuitos electrónicos analógicos y permiten la amplificación o atenuación de la señal de entrada, según cómo estén configurados. La configuración más común es aplicar el voltaje de entrada a un terminal, conocido como terminal no inversor, mientras que el voltaje de salida se toma de otro terminal, conocido como terminal inversor.
Cuando este tipo de circuito está cableado correctamente, se puede utilizar para muchas aplicaciones diferentes, incluido el acondicionamiento de señales, el control de la ganancia y la respuesta de frecuencia, la adición de efectos de distorsión, el filtrado de ruidos no deseados y más.
Una cosa acerca de los amplificadores inversores es que no fluye corriente hacia las entradas del amplificador operacional. Esto se debe a que la señal de entrada se aplica al terminal inversor y no al terminal no inversor.
El amplificador operacional inversor garantiza que el diferencial de voltaje entre sus dos entradas se mantenga en cero, y su salida se esfuerza por alcanzar este objetivo. Cualquier corriente que ingrese al terminal de entrada proporciona una retroalimentación negativa que reduce el voltaje de salida a cero y detiene la entrada de más corriente. [1], [2], [3], [4]
Ganancia de voltaje de un amplificador inversor
Se define como la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada y generalmente se expresa en decibeles (dB). La ganancia de voltaje se puede utilizar para determinar cuánto aumenta un amplificador u otro dispositivo la magnitud de una señal, como el sonido o la corriente eléctrica.
Una ganancia de voltaje más alta significa que se entregará más energía a la carga de la que se suministró en la entrada, lo que resulta en una mayor eficiencia general. La ganancia de voltaje también influye en la determinación de cómo se transmiten las señales a través de diferentes medios y permite a los usuarios ajustar sus sistemas para un rendimiento óptimo. Por ejemplo, algunos amplificadores de audio permiten a los usuarios ajustar su ganancia de voltaje para que ciertos sonidos se amplifiquen más que otros para una mayor claridad. Saber calcular la ganancia de voltaje y comprender su importancia es esencial para cualquiera que trabaje con electrónica.
Ahora, ¿cómo se invierte? ¿Los amplificadores operacionales funcionan en términos de ganancia de voltaje? La fórmula de cálculo es (Av = Vo/Vi). Donde, Vi-V1 = IiRi y V1-V0 = IfRf.
Aquí, Av es la ganancia de voltaje de un amplificador operacional inversor, Vo y Vi son los voltajes de salida y entrada respectivamente, Ii es la corriente a través de Ri, Rf es la resistencia de retroalimentación e If es la corriente que fluye a través de ella.
De esta fórmula se puede ver que a medida que Ri aumenta en valor, la ganancia de un amplificador operacional inversor también aumenta. Esto significa que si se necesita una ganancia mayor para una aplicación particular, entonces se debe usar una resistencia de retroalimentación mayor para aumentar la señal de salida. Por el contrario, una disminución de Ri conducirá a menores ganancias en la producción. También se puede observar que aumentar Rf tendrá el mismo efecto sobre la ganancia de voltaje que aumentar Ri debido a su relación inversa entre sí. [1], [2], [3], [4]
Ventajas de invertir amplificadores operacionales
Ahora debería tener un conocimiento sólido de qué es un amplificador operacional inversor y cómo calcular la ganancia de voltaje. Pero, ¿por qué querrías usar uno en primer lugar? En esta sección discutiremos las ventajas de usar amplificadores operacionales inversores en sus circuitos en comparación con otros tipos de amplificadores.
Versátil
La primera ventaja de utilizar un amplificador operacional inversor es su versatilidad. Al conectar diferentes resistencias en el circuito, puede ajustar fácilmente la ganancia y otros parámetros según sea necesario para diversas aplicaciones. Esto facilita la configuración de un circuito para una aplicación específica sin tener que comprar varios amplificadores con ganancias o anchos de banda predeterminados.
Precio relativamente asequible
Los amplificadores operacionales inversores suelen ser relativamente asequible en comparación con otros tipos de amplificadores. Esto los convierte en una excelente opción para los aficionados, ya que es fácil encontrar uno a un precio atractivo en línea o en su tienda de electrónica local.
Esto los hace ideales para aficionados que desean construir sus propios circuitos sin tener que gastar mucho dinero.
Confiable
Una de las mayores ventajas de invertir amplificadores operacionales es su confiabilidad. Este tipo de amplificador existe desde hace bastante tiempo y existen innumerables ejemplos de lo confiable que puede ser en una variedad de circuitos y aplicaciones. Los amplificadores operacionales inversores también se utilizan comúnmente en amplificadores de instrumentación, que requieren altos niveles de precisión y confiabilidad. Esto significa que puede contar con que sus circuitos funcionarán de manera constante sin preocuparse de que se estropeen o funcionen mal debido a un componente poco confiable.
Talla pequeña
Los amplificadores operacionales inversores son increíblemente pequeño y compacto. Esto se debe a su diseño que sólo requiere unos pocos componentes, como el propio amplificador operacional y dos resistencias externas. Esto los hace adecuados para su uso en aplicaciones portátiles o con espacio limitado, donde el tamaño es un factor importante.
Flexible
Los amplificadores operacionales inversores son muy flexible y se puede utilizar en una variedad de circuitos. Pueden proporcionar fácilmente la ganancia requerida y al mismo tiempo le permiten controlar la respuesta de frecuencia del circuito con condensadores o resistencias. Esto hace que los amplificadores operacionales inversores sean ideales para diseñar filtros y otras aplicaciones de procesamiento de señales. Además, también se pueden utilizar como osciladores, comparadores e incluso reguladores de voltaje.
Fuertes capacidades antiinterferencias
Otra de las principales ventajas de invertir amplificadores operacionales es su fuerte capacidad antiinterferencia. Cuando una señal pasa a través de un amplificador operacional inversor, la salida prácticamente no se verá afectada por el ruido que pueda estar presente en la señal de entrada. Esto los hace ideales para su uso en aplicaciones donde las señales pueden tener que pasar por un entorno ruidoso o estar sujetas a otros tipos de interferencias.
Alto factor de ganancia
Los amplificadores operacionales inversores pueden tener un alto factor de ganancia. Esto significa que por cada voltaje de entrada, el voltaje de salida se amplifica en gran medida. Esto los hace ideales para aplicaciones en las que es necesario amplificar señales pequeñas, como la amplificación de señales de audio de micrófonos. [1], [2]
Desventajas>
A pesar de todas las ventajas de utilizar un amplificador operacional inversor, también existen algunos inconvenientes a considerar. Si bien es posible que algunos no consideren lo siguiente como un factor decisivo, aun así deben tenerse en cuenta al tomar una decisión.
La señal se invierte
Uno de los mayores inconvenientes potenciales de utilizar un amplificador operacional inversor es que la señal se invierte. Esto significa que cuando el voltaje de entrada aumenta, el voltaje de salida disminuye y viceversa. Esto puede resultar problemático en algunas aplicaciones donde se requiere un voltaje positivo del amplificador, como los circuitos de suministro de energía.
Pequeña impedancia de entrada
Generalmente se representa como una cantidad compleja, que consta de dos componentes de resistencia: componentes resistivos y reactivos. El componente resistivo representa la resistencia óhmica al flujo de corriente, mientras que el componente reactivo representa el efecto de la capacitancia y la inductancia sobre la corriente. La impedancia de entrada está determinada por el tipo y la configuración de los componentes electrónicos de un circuito, como transistores, diodos, condensadores e inductores.
La impedancia de entrada de un amplificador operacional inversor es relativamente baja. Esto significa que puede extraer más corriente de la fuente de señal, lo que podría aumentar la distorsión o reducir el rendimiento general del circuito. Cuando se reduce la impedancia de entrada de un amplificador operacional, la fuente de señal debe suministrar más corriente.
La señal de entrada no debe incluir el ruido.
Dado que el amplificador operacional inversor amplifica tanto la señal de entrada, cualquier ruido presente en esa señal también será amplificado. Esto significa que si hay ruido presente en la señal de entrada, puede provocar una distorsión o saturación significativa de la salida. Para evitar este problema, debe asegurarse de que su señal de entrada no incluya ningún ruido o interferencia antes de ingresar al circuito. [1], [2]
Aplicaciones>
Ahora que conoce los conceptos básicos de los amplificadores operacionales inversores y sus ventajas y desventajas, echemos un vistazo a algunas de las aplicaciones comunes para este tipo de amplificador.
Se puede utilizar como desfasador.
Los amplificadores operacionales inversores se utilizan a menudo como desfasadores. Un cambio de fase ocurre cuando la forma de onda de la señal de salida se desplaza en el tiempo con respecto a la forma de onda de la señal de entrada. Esto puede resultar útil para aplicaciones como filtrado, ecualización y procesamiento de audio.
Se puede utilizar en lugar del amplificador de resistencia trans.
Uno de los usos más comunes de un amplificador operacional inversor es como sustituto de un amplificador de transresistencia. Este tipo de amplificador toma un voltaje de entrada y produce una resistencia proporcional en su salida. La ventaja de utilizar un amplificador operacional inversor es que elimina la necesidad de utilizar resistencias, lo que hace que estos circuitos sean más rentables.
Se puede utilizar en aplicaciones donde es necesario equilibrar la señal.
Los amplificadores operacionales inversores se utilizan a menudo en aplicaciones donde es necesario equilibrar la señal. Esto incluye mezcla y grabación de audio, audífonos, instrumentos médicos, transmisores de radiofrecuencia (RF) y termómetros de alta precisión. En estos casos, se puede utilizar un amplificador inversor para tomar una única señal de entrada y convertirla en dos salidas de igual magnitud pero de fase opuesta.
Se utiliza en aplicaciones de integración.
Los amplificadores operacionales inversores se utilizan a menudo en Aplicaciones de integración. Esto se debe a que el voltaje de salida es proporcional a la integral del voltaje de entrada, lo que los hace muy adecuados para integrar señales a lo largo del tiempo. Las aplicaciones de integración comunes incluyen formación de ondas, procesamiento de señales y sistemas de control.
Procesamiento de la señal
Los amplificadores operacionales inversores se utilizan comúnmente en aplicaciones de procesamiento de señales, como amplificadores de audio o vídeo. Se pueden utilizar para amplificar una pequeña señal y aumentar su intensidad para que pueda oírse o verse con mayor claridad.
Se utiliza en dispositivos electrónicos con circuitos integrados lineales.
Los amplificadores operacionales inversores se utilizan comúnmente en Dispositivos electrónicos con circuitos integrados lineales (CI). Estos incluyen amplificadores, osciladores, filtros y otros tipos de bloques de procesamiento de señales. Se pueden utilizar para amplificar señales muy pequeñas, como señales de audio de micrófonos, o generar un voltaje de salida estable incluso cuando el voltaje de entrada es muy variable. [1], [2]
Preguntas>
¿Cómo sé si mi amplificador operacional es estable?
Analizar la ganancia de bucle de un amplificador operacional frente a la frecuencia es una forma sencilla de determinar su estabilidad. Cuando la ganancia del bucle es igual a 0 dB (ganancia igual a 1) hemos llegado a un punto crítico, ya que debe tener al menos una unidad de ganancia para poder volverse inestable.
¿Por qué los amplificadores operacionales inversores son más estables?
El amplificador operacional invertido es más popular que el no inversor debido a la configuración de su circuito. En esta configuración, el terminal no inversor está conectado a tierra y, por lo tanto, se crea una tierra virtual en el extremo del amplificador operacional inversor. Esta sencilla configuración ofrece enormes ventajas para todo tipo de aplicaciones, lo que la convierte en una opción ideal para muchos usuarios.
Con amplificadores operacionales inversores, el usuario puede controlar fácilmente la ganancia y la impedancia de entrada. Esto se debe a que el divisor de voltaje de las impedancias de entrada que generalmente se forma en el terminal no inversor no existe en esta configuración.
¿Puede un amplificador operacional no inversor ganar menos de 1?
No, un amplificador operacional no inversor está diseñado para tener solo una ganancia mayor que 1. La ganancia de un amplificador operacional no inversor puede variar de 1 a infinito dependiendo de la relación de resistencia de retroalimentación y la impedancia de entrada del circuito.
Esto es algo a tener en cuenta al diseñar un circuito, ya que la ganancia de un amplificador operacional puede tener un gran efecto en su rendimiento. Por ejemplo, si usara un amplificador operacional no inversor sin resistencia de retroalimentación, entonces la ganancia sería infinita y podría hacer que el amplificador oscile y se vuelva inestable.
¿Cuál es la diferencia entre un amplificador operacional inversor y uno no inversor?
La principal diferencia entre un amplificador operacional inversor y uno no inversor son sus respectivas ganancias. Un amplificador inversor tiene una ganancia igual a uno negativo dividido por la relación entre su impedancia de entrada y la resistencia de carga de salida. Un amplificador no inversor tiene una ganancia general que es igual a la relación entre su impedancia de entrada y la resistencia de carga de salida.
Además, un amplificador inversor siempre produce una salida desfasada 180 grados con su señal de entrada, mientras que un amplificador no inversor produce una salida en fase con su entrada. Esta diferencia es esencial para determinadas aplicaciones, como filtros activos y desfasadores.
¿Cuándo usaría un amplificador operacional no inversor?
Los amplificadores operacionales no inversores se usan comúnmente cuando se usan circuitos de amplificadores operacionales no inversores donde es necesaria una alta impedancia de entrada. Cuando la impedancia de entrada es alta, esto permite un mayor control sobre la señal a medida que pasa a través del circuito. Además, los amplificadores operacionales no inversores permiten una mayor ganancia con niveles de ruido más bajos que sus homólogos inversores. Los amplificadores operacionales no inversores también se utilizan en circuitos de audio donde se puede usar un amplificador para aumentar el volumen de una fuente de sonido o cuando es necesario sumar dos señales.
¿Qué es un amplificador operacional no inversor?
La salida de un amplificador operacional no inversor está en fase con su señal de entrada y tiene una ganancia amplificada determinada por los valores de su resistencia. Dependiendo de la aplicación, se pueden usar resistencias ajustables para ajustar la ganancia deseada.
El amplificador operacional inversor es similar al amplificador operacional no inversor, pero su señal de salida está desfasada con la señal de entrada debido a su cambio de fase de 180°. Al igual que el amplificador no inversor, también tiene resistencias ajustables que permiten a los usuarios realizar pequeños cambios en la ganancia según la aplicación para la que utilicen el amplificador.
¿Por qué es mejor un amplificador inversor?
Un amplificador inversor suele ser mejor que uno no inversor debido a su mayor ganancia e impedancia de entrada. Los amplificadores inversores también son conocidos por su baja resistencia de salida, lo que les permite manejar cargas pesadas sin causar degradación de la señal. Además, el bucle de retroalimentación de un amplificador inversor ayuda a aumentar la estabilidad en comparación con un amplificador no inversor, ya que puede reducir los efectos del ruido en el sistema.
El beneficio más importante de utilizar un amplificador inversor es que puede ayudar a crear bucles de retroalimentación negativa para circuitos analógicos de precisión. Este tipo de topología de bucle cerrado ayuda a garantizar la precisión al reducir los efectos de los errores debidos a los cambios de temperatura y otros factores externos. Un amplificador operacional inversor también se puede utilizar en amplificadores diferenciales, amplificadores de instrumentación y otros tipos de filtros activos.
¿La inversión de la entrada es positiva o negativa?
Una entrada inversora es negativa. Esto se debe a la configuración del circuito de un amplificador operacional inversor. La señal de salida está desfasada 180° con respecto a la señal de entrada y, por lo tanto, su polaridad está invertida. El amplificador toma una entrada positiva en un extremo y una entrada negativa en el otro extremo, que luego produce una salida de voltaje con respecto a tierra que tiene polaridad opuesta en comparación con la entrada.
Video útil: inversión del circuito del amplificador operacional
Conclusión
Los amplificadores operacionales inversores son una parte esencial de la ingeniería eléctrica y brindan una amplia gama de beneficios en los circuitos. Se pueden utilizar para amplificar señales, reducir el ruido y más. Al comprender los conceptos básicos de la inversión de amplificadores operacionales, los ingenieros eléctricos pueden maximizar el uso de estos componentes en sus proyectos. Al configurar un circuito amplificador inversor, es importante recordar garantizar una polarización y una selección de ganancia adecuadas para obtener mejores resultados de rendimiento.
En este artículo, analizamos los conceptos básicos de la inversión de amplificadores operacionales y sus usos en aplicaciones de ingeniería eléctrica. Revisamos un circuito de ejemplo para ilustrar cómo se puede usar un amplificador operacional inversor para amplificar una señal. Finalmente, cubrimos los pros y los contras del uso de amplificadores operacionales inversores. Al comprender este material, los ingenieros pueden tomar mejores decisiones al seleccionar componentes para sus proyectos.
Los amplificadores operacionales inversores son componentes importantes que ofrecen muchos beneficios a los ingenieros eléctricos y no deben pasarse por alto en ningún proyecto de diseño. Si sigue los consejos mencionados en este artículo, podrá asegurarse de que sus circuitos amplificadores inversores funcionen de manera confiable y efectiva.
Con todos estos detalles en mente, ahora puede utilizar con confianza amplificadores operacionales inversores para todos sus proyectos electrónicos. Si tiene alguna pregunta o comentario, no dude en dejarlo a continuación. ¡Gracias por leer!
Referencias
- https://www.analog.com/en/design-center/glossary/inverting-op-amp.html
- https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_2.html
- https://www.electrical4u.com/amplificador-invertido/
- https://www.elprocus.com/inverting-op-amp/
