¿Alguna vez te has preguntado qué son los amplificadores operacionales y cómo funcionan? Si eres un apasionado de la electrónica o estás interesado en entender cómo se amplifican las señales, estás en el lugar indicado. En este artículo, te explicaremos de manera sencilla y práctica qué son los amplificadores operacionales y su importancia en distintas aplicaciones. ¡Prepárate para adentrarte en el fascinante mundo de la amplificación de señales!
Los amplificadores operacionales son un elemento básico en la electrónica, y por una buena razón. Se pueden utilizar para resolver una amplia variedad de problemas. En esta guía, responderemos algunas de las preguntas más comunes sobre los amplificadores operacionales. Comenzaremos con una breve introducción a lo que son y cómo funcionan, luego pasaremos a temas más específicos como la ganancia de voltaje, la retroalimentación y el ruido. ¡Al final de esta guía, debería tener una buena comprensión de qué son los amplificadores operacionales y cómo usarlos de manera efectiva en sus propios proyectos!
¿Qué son los amplificadores operacionales?
Un amplificador operacional generalmente se usa en aplicaciones como amplificación, filtrado, comparación y conversión de señales.
Un amplificador operacional funciona tomando dos entradas distintas: la entrada inversora y la entrada no inversora. El voltaje de salida que se produce dependerá de la diferencia entre estas entradas. Esto hace que los amplificadores operacionales sean útiles para medir pequeños cambios en los niveles de voltaje, así como para amplificar una amplia gama de frecuencias en varios sistemas.
Los amplificadores operacionales vienen con una gama de características que incluyen un producto de ancho de banda de alta ganancia, baja figura de ruido, bajo consumo de energía y operación de alta velocidad. Estos componentes también tienen una variedad de opciones de salida y se pueden usar para lograr diferentes niveles de precisión dentro de un sistema. Profundizaremos en eso más adelante.
El tipo más común de amplificador operacional es el amplificador diferencial – esto se utiliza para amplificar la diferencia entre dos señales de entrada. Esto permite una variedad de aplicaciones tales como amplificación, filtrado y comparación. Los amplificadores diferenciales también se pueden usar en aplicaciones de audio donde ofrecen baja distorsión y alta relación señal-ruido.
Los amplificadores operacionales son componentes esenciales en los sistemas electrónicos modernos, y su versatilidad los convierte en una herramienta indispensable en el arsenal de cualquier ingeniero de diseño. Su diseño simple pero efectivo permite que estos componentes realicen una amplia gama de tareas, desde la medición básica del nivel de voltaje hasta sistemas de control complejos. [1], [2], [3], [4]
Características y parámetros clave de los amplificadores operacionales
Al igual que cualquier otro amplificador, los amplificadores operacionales ofrecen características de ganancia, ancho de banda y ruido para permitir su uso en una variedad de aplicaciones. Sin embargo, sus cualidades únicas provienen de la amplia gama de parámetros disponibles para personalizar su rendimiento. En esta sección discutiremos las principales características y parámetros de los amplificadores operacionales.
Ganancia de bucle abierto
Ganancia de bucle abierto es una medida importante en los amplificadores operacionales que ayuda a indicar cuánta amplificación puede lograr un circuito. La ganancia de lazo abierto de un amplificador electrónico es la ganancia obtenida cuando no se usa retroalimentación general en el circuito.
La ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional es esencialmente infinita, lo que significa que cualquier señal de entrada débil será amplificada en gran medida por el circuito. Esto hace que los amplificadores operacionales sean populares para amplificar señales débiles para aplicaciones tales como sistemas de control y procesamiento de señales.
La ganancia de un amplificador está determinada por su circuito interno, pero lo que es más importante, se ve afectada por los componentes externos conectados a él. Estos componentes externos se conocen como elementos de retroalimentación y afectan la ganancia que tiene el amplificador en un momento dado. Se puede usar un elemento de retroalimentación para reducir la ganancia de un amplificador, lo que facilita su control y uso en circuitos más complejos.
Para comprender mejor la ganancia de bucle abierto y sus implicaciones en los amplificadores operacionales, es importante recordar que existe una diferencia entre la ganancia de bucle cerrado y la ganancia de bucle abierto. Ganancia de circuito cerrado es la cantidad de amplificación que se logra cuando se conecta un elemento de retroalimentación al circuito amplificador. A diferencia de, ganancia de lazo abierto es el nivel de amplificación antes de conectar cualquier elemento de retroalimentación. Es importante que los ingenieros consideren estos dos factores al diseñar circuitos con amplificadores operacionales.
Impedancia de entrada
Por lo general, se mide en unidades de ohmios o kiloohmios (KΩ). En general, son deseables valores de impedancia de entrada más altos, ya que esto reduce la cantidad de energía necesaria para impulsar las entradas, lo que da como resultado un mejor rendimiento y menos posibilidades de distorsión. El valor exacto depende del tipo de amplificador operacional que se utilice, pero para la mayoría de los modelos de uso general, normalmente debe estar entre 10 KΩ y 1 MΩ.
Impedancia de salida
Impedancia de salida es una consideración importante cuando se utilizan amplificadores operacionales, ya que una gran impedancia de salida puede reducir la precisión del rendimiento del amplificador. En general, una baja impedancia de salida proporciona un mejor rendimiento, pero a costa de un mayor consumo de energía o una mayor cantidad de componentes. La impedancia de salida para la mayoría de los amplificadores operacionales es muy baja y no requiere atención especial. Hay dos características principales que determinan la impedancia de salida: la ganancia de bucle abierto y los componentes de la red de retroalimentación.
Respuesta de frecuencia y ancho de banda
La respuesta de frecuencia de un amplificador operacional es el rango de frecuencias que puede amplificar sin distorsionar la señal, y generalmente se expresa como un gráfico que muestra cuánta ganancia tiene el amplificador operacional en diferentes frecuencias. El ancho de banda de un amplificador operacional describe qué tan amplio es el rango de frecuencias que puede amplificar con niveles de distorsión aceptables. Los amplificadores operacionales generalmente tienen altas ganancias a bajas frecuencias (es decir, el nivel de CC) y disminuyen en la ganancia a medida que aumenta la frecuencia. Esto se debe a su capacitancia de entrada, que actúa como un filtro en las señales que ingresan al amplificador.
Producto de ganancia de ancho de banda
Producto de ganancia de ancho de banda, también conocido como GBW, es un parámetro eléctrico importante de los amplificadores operacionales (OP-AMP) y describe cómo varía la ganancia de un dispositivo con la frecuencia. Define la frecuencia más alta a la que un OP-AMP puede amplificar señales y al mismo tiempo proporcionar una determinada cantidad de ganancia. Esencialmente, refleja la relación entre la ganancia y el ancho de banda en los OP-AMP e indica qué tan bien pueden amplificar las frecuencias altas antes de que la respuesta del amplificador comience a disminuir.
El valor del producto de ancho de banda de ganancia se determina multiplicando la ganancia de voltaje de bucle abierto de un amplificador operacional determinado por su frecuencia de ancho de banda de ganancia unitaria. Este número generalmente aparece en la hoja de datos de un amplificador operacional junto con otros parámetros eléctricos como el voltaje de suministro, la polaridad y la velocidad de respuesta. [1], [2], [3]
Ventajas de los amplificadores operacionales
Ahora que tiene una idea de qué son los amplificadores operacionales y cómo funcionan, analicemos algunas de las ventajas que ofrecen.
Alta impedancia de entrada
Una de las mayores ventajas de los amplificadores operacionales es su Impedancia de entrada muy alta. Esto significa que casi no fluye corriente a través de los terminales de entrada cuando se aplican señales de CA, lo que les permite reproducir fielmente las señales sin perder energía ni voltaje. Además, debido a que solo fluyen pequeñas cantidades de corriente a través de los terminales de entrada, se pueden usar en sistemas con componentes sensibles u otras aplicaciones donde los bajos niveles de consumo de corriente son importantes.
Alta ganancia
Oferta de amplificadores operacionales ganancias muy altas en comparación con otros tipos de circuitos. Según el diseño, un amplificador operacional puede proporcionar ganancias de decenas o incluso cientos de miles. Esto los hace ideales para aplicaciones donde se requiere una gran cantidad de amplificación, como en sistemas de audio y circuitos de procesamiento de señales.
Alta velocidad de respuesta
Las altas tasas de cambio permiten que los amplificadores operacionales rastreen con precisión las señales de entrada que cambian rápidamente, lo que los hace ideales para aplicaciones como procesamiento de audio, producción de video e instrumentación.
Baja impedancia de salida
Otra gran ventaja de los amplificadores operacionales es que tienen Impedancia de salida muy baja. Esto significa que el amplificador podrá transferir una mayor cantidad de potencia desde su salida a una carga externa, lo que dará como resultado un rendimiento mejorado y menos posibilidades de distorsión. El valor exacto depende del tipo de amplificador operacional que se utilice, pero para la mayoría de los modelos de uso general, normalmente debe estar entre 0,01 y 100 ohmios.
Bajo costo
La última de las principales ventajas de usar amplificadores operacionales es su relativa bajo costo. Esto los hace accesibles para casi cualquier usuario, desde aficionados hasta profesionales. Además, los componentes utilizados para crear un solo amplificador operacional son incluso más baratos que los utilizados en circuitos y sistemas más complejos, lo que los hace atractivos tanto para la producción en masa como para la creación de prototipos. [4]
Desventajas de los amplificadores operacionales
A pesar de lo buenos y versátiles que son, existen algunos inconvenientes en el uso de amplificadores operacionales. Es vital comprender estos inconvenientes antes de incorporarlos a un diseño para garantizar que su aplicación sea la más adecuada para la tarea dada.
Alto voltaje de compensación
Uno de los mayores problemas con los amplificadores operacionales es su potencial para altos voltajes de compensación. Esta es una diferencia de voltaje entre las entradas que provoca una salida de CC no deseada, incluso cuando no hay señal de CA presente. Los voltajes de compensación pueden ser causados por defectos de fabricación y también debido a la deriva térmica en temperaturas extremas, lo que dificulta eliminarlos por completo.
Cuanto mayor sea este voltaje, más difícil será para un diseñador de sistemas controlar con precisión la salida del amplificador. No solo eso, sino que también puede dar lugar a errores en la señal de salida, lo que puede ser perjudicial para aplicaciones como la instrumentación o la producción de audio.
Ancho de banda limitado
Otra limitación de los amplificadores operacionales es su ancho de banda limitado. Este es el rango de frecuencias que pueden reproducir con precisión sin introducir distorsión u otros errores. La mayoría de los amplificadores operacionales están diseñados con un rango de frecuencia máximo de no más de unos pocos cientos de megahercios, lo que los hace inadecuados para aplicaciones que requieren señales de muy alta frecuencia. Si bien esto puede ser suficiente para aplicaciones generales como el procesamiento de audio o video, algunos sistemas especializados pueden requerir anchos de banda más altos, lo que requeriría circuitos más complejos.
Además, incluso cuando se encuentran dentro de su rango de frecuencia especificado, es posible que no puedan reproducir con precisión ciertos tipos de formas de onda debido a su velocidad de respuesta limitada y su alta impedancia de salida. Esto los hace inadecuados para aplicaciones como la comunicación inalámbrica, donde la fidelidad de la señal es fundamental.
Alta corriente de polarización de entrada
Otra de las principales desventajas de los amplificadores operacionales es su relativa alta corriente de polarización de entrada, que es la corriente que se debe suministrar a las entradas no inversora e inversora para que funcionen correctamente. Según el diseño y el tipo de amplificador operacional que se utilice, esto puede variar desde unos pocos kilómetros (pA) hasta cientos o incluso miles de nanoamperios (nA). Esto puede causar problemas si ambas entradas están conectadas directamente a tierra, ya que puede provocar un calentamiento excesivo del circuito.
Relación de rechazo de modo común limitada
Este valor determina cuánta interferencia o ruido habrá en la señal de salida debido a estas señales no deseadas.
Para la mayoría de los amplificadores operacionales de propósito general, este valor tiende a ser relativamente bajo y, por lo tanto, no son adecuados para aplicaciones de alta precisión donde se requiere un CMRR alto.
Si bien es posible usar algunos amplificadores operacionales especializados que cuentan con un CMRR más alto, generalmente son más costosos y pueden no ser adecuados para ciertas aplicaciones. Por lo tanto, cuando se diseñan sistemas que requieren un alto grado de exactitud y precisión, es importante asegurarse de que el amplificador operacional elegido tenga un CMRR adecuado.
Alta corriente de compensación
La última gran desventaja de los amplificadores operacionales es su tendencia a generar corrientes compensadas. Esto ocurre cuando el amplificador genera una corriente de salida que no coincide con la señal de entrada, lo que provoca una caída de voltaje en la carga que puede generar lecturas incorrectas u otros efectos no deseados. La magnitud de esta corriente depende del tipo y diseño del amplificador operacional que se utilice, pero normalmente debe mantenerse lo más pequeña posible para garantizar un funcionamiento fiable. [4]
Preguntas más frecuentes
¿Los amplificadores operacionales solo funcionan con CA?
Sí, los amplificadores operacionales (op-amps) se pueden usar con señales de CA y CC. Sin embargo, tradicionalmente se usan más comúnmente con señales de CA debido a su capacidad para amplificar por igual las partes positiva y negativa de una señal. Cuando se utilizan amplificadores operacionales con señales de CC, es posible que sea necesario emplear dos amplificadores separados para amplificar correctamente las partes positiva y negativa de la señal. Además, cuando se utilizan amplificadores operacionales para aplicaciones de baja frecuencia, como frecuencias de audio o radio, se debe tener especial cuidado al seleccionar un amplificador operacional que sea adecuado para esas frecuencias.
¿El amplificador operacional es AC o DC?
Las señales de CA, o las señales con corriente alterna, no pueden ser procesadas directamente por amplificadores operacionales. Sin embargo, la salida de un amplificador operacional aún se puede usar para crear una señal de CA a través de componentes externos como capacitores o inductores. En estos casos, el amplificador operacional se utiliza para crear una señal de CC que se puede convertir en una señal de CA mediante componentes externos. Al cambiar la frecuencia de la señal de CA y ajustar la ganancia, se pueden generar diferentes tipos de formas de onda.
Por ejemplo, un amplificador operacional con retroalimentación negativa puede usarse como un oscilador sinusoidal para generar ondas sinusoidales u ondas cuadradas. Además, los amplificadores operacionales también se utilizan a menudo para aplicaciones de conversión de energía, como inversores y convertidores CC-CC.
En general, aunque los amplificadores operacionales no están diseñados para procesar directamente señales de CA, tienen muchos usos cuando se trata de generar varios tipos de señales de CA a través de otros componentes conectados a sus terminales de salida.
¿Qué es el amplificador operacional y sus tipos?
Un amplificador operacional (op amp) es un circuito integrado que amplifica señales eléctricas. Es un bloque de construcción esencial para una variedad de circuitos electrónicos, desde simples amplificadores de audio hasta sofisticados convertidores de digital a analógico.
Los amplificadores operacionales están disponibles en una variedad de configuraciones, según la aplicación. Los tipos comunes incluyen amplificadores operacionales de suministro único, amplificadores operacionales de suministro dual y amplificadores operacionales de entrada/salida de riel a riel (RRIO). Los amplificadores operacionales de suministro único pueden operar con una fuente de alimentación y dos referencias a tierra. Este tipo de amplificador operacional se puede utilizar en aplicaciones como filtros activos o búferes de señal. Los amplificadores operacionales de suministro dual requieren fuentes de alimentación separadas para los nodos positivo y negativo, lo que les permite producir mayores ganancias que los amplificadores operacionales de suministro único. Se utilizan más comúnmente en amplificadores de audio y seguidores de voltaje.
Finalmente, los amplificadores operacionales RRIO ofrecen el más alto nivel de rendimiento entre los tres tipos. Estos amplificadores operacionales tienen entradas y salidas que pueden variar desde un voltaje completamente negativo a un voltaje completamente positivo, lo que les permite usarse en una variedad de aplicaciones que incluyen administración de energía, instrumentación y robótica.
¿Cuáles son las 3 características principales de los amplificadores operacionales?
Los amplificadores operacionales suelen tener tres características principales: son muy lineales, tienen un producto de ancho de banda de alta ganancia y tienen un voltaje de compensación de entrada bajo.
La alta linealidad es importante cuando se usa un amplificador operacional, ya que significa que la señal de salida sigue con precisión la señal de entrada sin distorsión. El producto del ancho de banda de ganancia define cuánto aumento en la respuesta de frecuencia se puede lograr aumentando la ganancia y generalmente se expresa en MHz/V. El voltaje de compensación de entrada ocurre cuando ambas entradas de un amplificador operacional tienen voltajes idénticos pero aún hay una diferencia entre sus salidas debido a imperfecciones internas. Esto es importante porque afecta la precisión del rendimiento general del amplificador.
Para mejorar estas tres características, los diseñadores suelen utilizar la retroalimentación para controlar la ganancia, el ancho de banda y el voltaje de compensación. Esto se hace conectando la salida de un amplificador operacional a una de sus entradas para crear un bucle que reduzca los errores causados por imperfecciones en el propio amplificador.
¿Cuáles son los amplificadores operacionales comunes?
Se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde amplificación de audio hasta acondicionamiento de señales.
Los tipos más comunes de amplificadores operacionales suelen contener varios transistores, resistencias y condensadores, todos combinados en un solo paquete. Estos componentes trabajan juntos para brindarle al amplificador una variedad de funciones, como control de ganancia, respuesta de frecuencia, rechazo de ruido y regulación de la fuente de alimentación.
Por ejemplo, un amplificador operacional de retroalimentación de voltaje tendrá una etapa de entrada que consiste en transistores para amplificar la señal de entrada; resistencias para establecer niveles de ganancia; condensadores para filtrar altas frecuencias; y diodos u otros componentes para controlar la fuente de alimentación.
Los amplificadores operacionales se pueden clasificar por su tipo de salida, como seguidor de voltaje, fuente de corriente o amplificador diferencial. Cada uno tiene su propio conjunto de ventajas y desventajas con respecto al rendimiento, consumo de energía, costo, tamaño y otros factores.
Para aplicaciones más avanzadas, los amplificadores operacionales también pueden contener características especiales, como circuitos de corrección de errores o filtros integrados para un mejor rechazo de ruido o procesamiento de señales de datos.
Video útil: Introducción al amplificador operacional: características del amplificador operacional ideal
Conclusión
Los amplificadores operacionales son una herramienta versátil y poderosa utilizada en muchas aplicaciones. Desde circuitos de audio hasta robótica, se pueden usar como amplificadores, comparadores, filtros y mucho más. Los amplificadores operacionales han existido durante décadas, pero aún se están desarrollando y mejorando para brindarnos diseños cada vez más eficientes y precisos.
Aunque los conceptos básicos de cómo funciona un amplificador operacional son relativamente simples, todavía hay mucha complejidad involucrada al diseñar un circuito o sistema que lo use. Solo hemos arañado la superficie en esta guía introductoria; una mayor experimentación e investigación le ayudarán a familiarizarse más con los componentes involucrados y su funcionamiento.
En este artículo, hemos respondido algunas de las preguntas más frecuentes sobre qué son los amplificadores operacionales y cómo funcionan. También proporcionamos algunos consejos útiles para tener en cuenta al diseñar con ellos. Al comprender los conceptos básicos de lo que es un amplificador operacional y sus usos, puede pasar a temas más avanzados, como seleccionar los componentes correctos para su aplicación o diseño de circuito, solucionar cualquier problema que surja y mucho más. ¡Con más exploración y estudio, puede convertirse en un experto en este campo!
Esperamos que haya disfrutado de nuestra introducción a los amplificadores operacionales. ¡Vuelva a consultar este artículo si alguna vez necesita un repaso! Gracias por leer.
Referencias
- https://www.monolithicpower.com/es/amplificadores-operativos
- https://www.ablic.com/en/semicon/products/analog/opamp/intro/
- https://www.monolithicpower.com/es/amplificadores-operacionales
- https://yourengineer.in/knowledge-hub/what-is-op-amp-definitions-advantages-disadvantages/
