Los amplificadores operacionales (A.O. o también op-amp) son dispositivos compactos, activos y lineales de alta ganancia, diseñados para proporcionar la función de transferencia deseada. Un amplificador operacional está compuesto por un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. Es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que obtenga excursiones tanto por arriba como por debajo de masa o punto de referencia que se considere. Se caracteriza especialmente por su respuesta en frecuencia, cambio de fase y alta ganancia, que se determina por la realimentación introducida externamente. Por su concepción, presenta una alta impedancia (Z) de entrada y muy baja de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común. Es decir, la misión del A.O. es amplificar la diferencia de tensión entre las dos señales de entrada, respecto de masa.
En un amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. Sin embargo, cuando el operacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000 (en el amplificador operacional 741C). Como decimos, los amplificadores operacionales prácticos tienen ganancia de tensión muy alta (típicamente 105), sin embargo, esta ganancia varía con la frecuencia.
¿Qué es un Amplificador Restador?
La configuración del amplificador restador, también conocido como amplificador diferencial, calcula la diferencia de las señales aplicadas en su terminal negativa y positiva y, según el valor de las resistencias, la señal resultante será amplificada o no. Este tipo de circuito operacional utiliza ambas entradas (invertida y no invertida) para producir una salida igual a la diferencia entre las entradas, lo que significa que la señal que se obtiene en la salida es el resultado de la diferencia de las señales aplicadas en las entradas.
Un amplificador restador produce una salida proporcional a la diferencia de dos voltajes de entrada. Es útil en aplicaciones donde es necesario comparar señales, eliminar interferencias comunes o realizar mediciones precisas. El circuito de un amplificador restador se compone de un amplificador operacional con resistencias específicas conectadas a las entradas inversora y no inversora. Esto demuestra cómo el amplificador restador puede utilizarse para calcular diferencias precisas entre dos voltajes.
Principio de Funcionamiento
El principio de funcionamiento del amplificador restador es sencillo: si se introducen señales a las dos entradas del A.O. restador, el circuito operacional resta esas señales y posteriormente las amplifica. Por ejemplo; si tenemos en una entrada un voltaje de 9V y en la otra 3V, el voltaje o señal de salida será 6V. Algo que se debe tomar en cuenta al realizar el diseño, es saber si se desea realizar la amplificación de la diferencia, ya que, de ser el caso, tendríamos que variar el valor de las resistencias para obtener un amplificador diferencial. La señal de salida no se ve afectada por cualquier señal común en ambas entradas.
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Esta configuración es única porque rechaza una señal común a ambas entradas. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial.
Características del Amplificador Restador
Algunas características importantes sobre estos circuitos operacionales son las siguientes:
- Posee dos entradas: una entrada inversora (-) y otra no inversora (+).
- En modo común, la ganancia para la señal es cero.
- Posee 4 resistencias, las cuales influyen en el funcionamiento correcto del circuito y pueden disminuir los efectos de corriente de polarización.
- Cada señal o voltaje de entrada es multiplicada por una ganancia.
- Con la configuración de resistencias correcta, puede amplificar la diferencia de voltajes.
Método General de Análisis y Deducción de la Fórmula
Las resistencias en el amplificador restador toman una importancia muy grande, ya que nos van a permitir distinguir una simplificación en la expresión que se utiliza para calcular la señal o voltaje de salida (Vo). Las configuraciones en la práctica real, se pueden realizar en diferentes amplificadores como el LM741, LM324, LM358.
Fórmulas de Salida según la Configuración de Resistencias
Para el cálculo del voltaje de salida (Vo) en un amplificador restador, se consideran diversas configuraciones de las resistencias:
- Cuando las resistencias tienen un mismo valor, es decir, R1 = R3 y R2 = R4, la expresión se simplifica a:
VO = V2 - V1
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- Cuando las resistencias tienen un valor diferente, se utiliza una expresión más compleja para calcular el voltaje de salida (Vo).
- Si nos encontramos con el caso donde R1=R2 y R3=R4, se emplea otra expresión para calcular el voltaje de salida (V0).
- Si se establece una ganancia dentro de los datos proporcionados, la expresión para calcular la salida de voltaje (Vo) queda de la siguiente manera:
VO = A1V1 - A2V2
Donde A1 y A2 son las ganancias respecto al voltaje de entrada V1 y V2, respectivamente.
Deducción y Diseño Avanzado
En un amplificador operacional sumador restador, las entradas pueden sumarse y restarse. Las ecuaciones vistas en el sumador inversor y en el sumador no inversor son totalmente válidas. Posteriormente, se debe hacer cumplir que la suma de los pesos positivos sea igual a la suma de los pesos negativos más uno (A+=A-+1). Para cumplir esto, se debe observar si se cumple o no la condición en la ecuación de salida y determinar si se requiere un peso positivo o negativo para satisfacer la ecuación.
Posterior a esto, se agrega una resistencia del pin inversor o del pin no inversor a tierra. Esta resistencia debe tener un valor igual a RF dividido sobre el peso que falta para cumplir la ecuación. Si el resultado es negativo, la resistencia se debe colocar del pin inversor a tierra, y si el resultado es positivo, la resistencia se debe colocar del pin no inversor a tierra. Al realizar el método anterior se obtiene también un circuito balanceado.
Consideraciones sobre la Impedancia
La impedancia de diferencial (ZIN) entre dos entradas se define de la siguiente manera:
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ZIN = R1 + R2 + RIN
Aquí, RIN representa la resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada de modo común. Puede llegar a ser similar al amplificador de instrumentación, variando en el tipo de configuración de las resistencias.
Aplicaciones del Amplificador Restador
El amplificador operacional restador tiene una gran aplicación cuando se necesita aumentar la potencia de una señal que es restada por el ruido; generalmente estos casos se encuentran cuando deseamos conectar sistemas como sensores (temperatura, presión, volumen, etc.). Funciona perfectamente para comparar voltajes en nuestros circuitos. También tiene aplicación en los osciladores, computadoras analógicas y en conversores.