La ciencia de Toquelec: Qué es y cómo funciona un amplificador operacional integrado

Amplificador operacional integrado LM358P

Empezando un poco por el principio se puede decir que como su propio nombre indica el amplificador operacional se diseño para realizar operaciones matemáticas como sumar, restar, integrar..., no obstante también tiene otros muchos usos como amplificadores de señal, osciladores, rectificadores de alta precisión...

Primer amplificador operacional comercial no integrado GAP/R K2-W (1952). Imagen de philbrickarchive.org

Desde el punto de vista de sus conexiones principales nos encontramos que el amplificador operacional también llamado para abreviar op-amp, dispone de dos entradas, una negativa y otra positiva, y una salida, a su vez, este dispositivo requiere de una alimentación externa simétrica cuyo punto medio se conecta a una masa común, esto hace posible que la salida pueda volverse positiva o negativa.


Ejemplo de conexión a una fuente de alimentación simétrica

También los op-amps disponen de otras entradas para el ajuste del centrado, compensado de frecuencia de entrada..., pero por ahora no nos vamos a meter con ello.

Lo primero es entender cómo funcionan y qué ocurre en su salida cuando actuamos de diferentes formas en sus entradas, para ello nada mejor que unos ejemplos:

Formas de usar un op-amp

En la imagen de arriba podemos ver tres ejemplos del funcionamiento del amplificador operacional, veamos que pasa en cada uno de ellos.

En el primero se aplica una tensión positiva a la entrada negativa teniendo a masa la otra entrada, y como resultado la salida será negativa, es decir, estará invertida.

En el segundo caso se aplica una tensión positiva a la entrada positiva manteniendo a masa la otra entrada y la salida resultará positiva, es decir, sin invertir.

En el tercer caso si se aplica la misma tensión a ambas entradas el resultado en la salida será de cero ya que la función diferencial del op-amp es compensar ambas entradas. Esto en la práctica no suele ser así y más adelante veremos el porqué.

Con estos ejemplos podemos ir intuyendo un poco como funciona el amplificador operacional, pero de momento este dispositivo no está haciendo honor a su nombre ya que no parece que amplifique nada.

Así que vamos a ir un poco más allá estudiando un circuito muy clásico que es el comparador diferencial de tensiones, en el que disponemos de una tensión de referencia que introducimos en el terminal de entrada negativa y que será la que usaremos como tensión para comparar, y una tensión de muestra que introducimos en la entrada positiva y será la que haremos variar su valor.

Comparador diferencial de tensiones

Si la tensión de muestra es un poco superior a la de referencia (estamos hablando de décimas de voltio) la salida será positiva y estará en estado de saturación, es decir dará la máxima tensión que pueda.

Por el contrario si la tensión de muestra es un poco inferior a la de referencia ocurrirá lo contrario, la salida será negativa y estará también saturada.

Con esto podemos ver que una pequeña diferencia de tensiones entre las entradas se produce una tensión mucho mayor en la salida como respuesta, y aquí ya se puede ver un poco más claro esa función de amplificación.

Con "independencia" del op-amp que se use la ganancia típica de estos es del orden de 100 000, de ahí que con una pequeña diferencia de tensiones entre sus entradas sea suficiente para que la salida se sature. Supongamos que la tensión de referencia es de 2 voltios y la de muestra 2,01, la diferencia será de 0,01 voltios y partiendo de una ganancia de 100 000 la tensión en la salida tendría que ser igual a:

V salida = A0 x (V muestra - V referencia)

donde A0 es la ganancia en tensión del circuito en bucle abierto.

De este modo aplicando los valores del ejemplo anterior tenemos que:

V salida = 100 000 x (2,01 - 2 ) = 1000 voltios.

¡Eso sería imposible!, por lo que el op-amp solo podrá dar como mucho la tensión a la que esté alimentado, de ahí que esté saturado.

Pero, ¿y si pudiéramos controlar la ganancia total del circuito?, pues bien, se puede, pero hay que cambiar la configuración del circuito a algo que se conoce como en bucle cerrado, hasta ahora los ejemplos de arriba estaban en bucle abierto y como tal estábamos a merced de las características propias del op-amp, pero con un circuito en bucle cerrado la cosa cambia.

El amplificador en modo inversor de C.C.

En el siguiente ejemplo de amplificador inversor se puede ver en que consiste el sistema en bucle cerrado o también conocido como realimentación negativa en el que la salida se conecta a su propia entrada negativa a través de una resistencia (R2) y la señal que se introduce a la entrada negativa se hace ahora a través de una resistencia (R1).

Circuito inversor de c.c.

En este momento R1 y R2 van a controlar la amplificación total del circuito que vendrá dada por la expresión

A = R2 / R1

donde A es la amplificación total del circuito, a su vez en la salida va a aparecer una tensión no solo amplificada, también invertida.

Esta ganancia que ahora podemos controlar también la podemos hacer variable en todo momento si añadimos al circuito un potenciómetro en serie con la resistencia de realimentación (R2) como podemos ver a continuación:

Circuito inversor de c.c. de ganancia variable entre 1 y 101

Si elegimos los mismos valores para R1 y R2 (10 kΩ) y para R3 un valor de 1 MΩ, tenemos que para un ajuste de R3 a un valor de 0 Ω la amplificación total o ganancia en tensión total del circuito será de

A = (R2 + R3) /R1

y sustituyendo valores obtenemos

A mín.= (10 kΩ + 0) / 10 kΩ = 1.

Y para un ajuste de R3 a un máximo valor obtendremos una ganancia total de

A máx. = (10 kΩ + 10^3 kΩ) / 10 kΩ = 101.

Como podemos apreciar podemos ajustar la ganancia total entre 1 y 101.

El amplificador en modo no inversor de C.C.

Otra forma de usar el amplificador operacional es en modo no inversor, esto se consigue cambiando la configuración de las entradas, y al igual que veíamos en el segundo ejemplo del principio la señal que queremos amplificar se conecta ahora a la entrada positiva y la otra entrada negativa se conecta a masa pero a través de la toma media de dos resistencias, siendo R1 la resistencia de realimentación y R2 la resistencia a través de la cual la entrada negativa se conecta a masa formando el conjunto de estas dos un divisor de tensión.

Circuito amplificador no inversor de c.c.

Sin embargo para calcular ahora la ganancia total del circuito se emplea la expresión

A = (R1 + R2) / R2

Como antes también podemos hacer en todo momento variable la ganancia total sustituyendo R1 por un potenciómetro, de este modo las ganancias posibles serán de entre

A mín. = (0 kΩ + 1 kΩ) / 1 kΩ = 1, y

A máx. = (100 kΩ + 1 kΩ ) / 1 kΩ = 100

por lo que la ganancia total podrá ajustarse entre 1 y 100.

Circuito amplificador no inversor de c.c.de ganancia variable entre 1 y 100

El amplificador en modo inversor de C.A.

Hasta ahora hemos hecho trabajar al op-amp con señales de tensión continua pero también puede amplificar señales de corriente alterna, para ello hay que insertar en el circuito un condensador de bloqueo en serie con la entrada y otro a la salida como se ve a continuación:

Circuito amplificador inversor de c.a. y ganancia 100

El amplificador en modo no inversor de C.A.

Al igual que antes añadiendo condensadores de bloqueo podemos trabajar con una señal de C.A. pudiendo entregarla amplificada a su salida y sin invertirla como se ve a continuación:

Circuito amplificador no inversor de c.a. y una ganancia de 100

También se hace necesario poner a masa la entrada positiva a través de R3 ya que de lo contrario el op-amp se puede volver inestable haciendo que la salida se sature rápidamente.

Uso del centrado en los amplificadores operacionales.

Antes hablábamos que si introducimos una misma tensión a las entradas o si incluso conectamos ambas a masa en la salida el resultado sería cero, eso es lo que dice la teoría, en la práctica no suele pasar, debido a que por las características y las diferencias en las tolerancias de los elementos que constituyen el op-amp pueden aparecer en su interior pequeñas tensiones internas que deriven en sus entradas haciendo que estas ya no tengan la misma tensión entre ellas, y que el amplificador por si solo de una respuesta en su salida diferente a cero o incluso que llegue a saturarse si este está en bucle abierto.

Debido a esto los op-amp disponen de terminales con los que desde el exterior se puede corregir este desequilibrio. En el siguiente ejemplo se puede observar un caso real de como ajustar el centrado para el op-amp LM741, en el que por medio de R3 se puede ajustar el centrado para obtener cero voltios al conectar ambas entradas a masa.