Amplificadores

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

En otros tutoriales hemos presentado componentes electrónicos discretos, que habitualmente se fabrican y encapsulan en unidades separadas, aptas para ser incorporadas en la fabricación de circuitos. Ahora es el momento para avanzar un paso más, e introducir el concepto de circuito integrado. Un circuito integrado se diferencia de los circuitos convencionales en que todos sus componentes se fabrican en el mismo bloque de silicio. Con ello se consiguen múltiples ventajas:

• Reducción de tamaño

• Mayor fiabilidad, pues se eliminan todos los problemas asociados con la interconexión de los componentes

• Menor costo, si el número de circuitos fabricados es elevado

A la hora del diseño, también ofrece ventajas el uso de los circuitos integrados, puesto que estos se comportan como bloques con un comportamiento definido. De esta forma, en muchas ocasiones no es necesario analizar el esquema completo del integrado para predecir su funcionamiento en el circuito.

En este capítulo presentamos uno de los circuitos integrados más empleados: el amplificador operacional. Su nombre se debe a que empezaron a emplearse en áreas de computación e instrumentación. Los primeros amplificadores operacionales estaban fabricados con componentes discretos (válvulas, después transistores y resistencias) y su costo era desorbitado. A mediados de la década de los 60 comenzó la producción de operacionales integrados. Pese a que sus características eran pobres (comparándolos con los de hoy en día), y su costo relativamente elevado, este hecho supuso el comienzo de una nueva era en el diseño electrónico. Los diseñadores comenzaron a incorporar operacionales en sus circuitos. La demanda de nuevos y mejores dispositivos fue atendida por los fabricantes de componentes electrónicos, y en unos pocos años se estableció una amplia gama de operacionales de alta calidad y bajo costo.

Una de los factores que más ha contribuido al éxito de los amplificadores operacionales es su versatilidad. Se trata de un circuito de propósito general que puede emplearse en multitud de aplicaciones. Por si fuera poco, los modelos necesarios para analizar su comportamiento son muy sencillos, y en la gran mayoría de los casos, puede asumirse un comportamiento ideal.

Será precisamente este comportamiento ideal el primer punto que se tratará en el siguiente apartado. Posteriormente se explicarán los diversos modos de operación, para finalizar el tema con unos sencillos circuitos de aplicación.

I. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

Tal y como acabamos de exponer, el componente electrónico conocido como amplificador operacional es realmente un circuito complejo formado por muchos transistores y otros componentes en un solo circuito integrado. El esquema funcional de un amplificador operacional puede verse en la Figura 1.

Esquema funcional del amplificador operacional

El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que se amplifica el modo diferencial de las señales, mientras que el modo común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia total es muy elevada, típicamente del orden de 105. Finalmente, en la última etapa no se amplifica la tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades.

Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una fuente de alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el operacional está formado por componentes no generadores.

Una vez realizada esta presentación, hay que aclarar que en la mayoría de los casos, es posible conocer el comportamiento de un circuito en el que se inserta un operacional sin tener en cuenta su estructura interna. Para ello vamos a definir, como siempre, un componente ideal que nos permita una primera aproximación. Y también como es habitual, los cálculos rigurosos necesitarán de modelos más complejos, para los que sí es necesario estudiarlo más profundamente.

El símbolo del amplificador operacional es el que se muestra en la Figura 2, junto con el equivalente circuital ideal.

Representación del amplificador operacional ideal

El operacional tiene cinco terminales:

 Entrada no inversora (V+)

 Entrada inversora (V-)

 Alimentación positiva (ECC)

 Alimentación negativa (-ECC)

 Salida (VOUT)

A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que como se verá, no afectan al funcionamiento. La representación circuital está formada por una resistencia de entrada, que une los dos terminales, y un generador de tensión de salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las entradas.

Las características más relevantes del amplificador operacional son:

 Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M.

 Ganancia muy elevada: Mayor que 105.

Las consecuencias que se derivan de estas características son:

 La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan elevada, la corriente que circula por los terminales

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