Un amplificador operacional, de cutiu conocíu op-amp poles sos sigles n'inglés (operational amplifier) ye un dispositivu amplificador electrónicu d'alta ganancia acopláu en corriente continua que tien dos entraes y una salida. Nesta configuración, la salida del dispositivu ye, xeneralmente, de cientos de miles de vegaes mayor que la diferencia de potencial ente les sos entraes.
Historia El conceutu del amplificador operacional surdió escontra 1947, como un dispositivu construyíu con tubos de vacíu, como parte de los primeros ordenadores analóxicos dientro de les cualos executaben operaciones matemátiques (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.), de lo cual anicióse'l nome pol cual conózse-y. El primer amplificador operacional monolíticu construyíu como circuitu integráu, foi desenvueltu en 1964 na empresa Fairchild Semiconductor pol inxenieru lletricista d'Estaos Xuníos Robert John Widlar y llevó el númberu de modelu μA702.A ésti siguió-y el μA709 (1965), tamién de Widlar, y que constituyó un gran ésitu comercial. Más tarde sería sustituyíu pol popular μA741 (1968), desenvueltu por David Fullagar, y fabricáu por numberoses empreses, basáu en teunoloxía bipolar, que convirtióse n'estándar de la industria electrónico.
Principiu d'operación Los diseños varien ente cada fabricante y cada productu, pero tolos amplificadores operacionales tienen básicamente la mesma estructura interna, que consiste en tres etapes:
Amplificador diferencial: ye la etapa d'entrada qu'apurre una baxa amplificación del ruíu y gran impedancia d'entrada. Suelen tener una salida diferencial. Amplificador de tensión: apurre ganancia de tensión. Amplificador de salida: apurre la capacidá de suministrar la corriente necesaria, tien una baxa impedancia de salida y, usualmente, proteición frente a cortucircuitos. Ésti tamién apurre una ganancia adicional.
El dispositivu tien dos entraes: una entrada non inversora (+), na cual hai una tensión indicao como y otra inversora (–) sometida a una tensión . En forma ideal, el dispositivu amplifica solamente la diferencia de tensión nes entraes, conocida como tensión d'entrada diferencial (). La tensión o voltaxe de salida del dispositivu ta dada pola ecuación:
na cual representa la ganancia del dispositivu cuando nun hai realimentación, condición conocida tamién como "llazu (o bucle) abiertu". En dellos amplificadores diferenciales, esisten dos salíes con desfase de 180° pa delles aplicaciones especiales.
Llazu abiertu miniaturadeimagen|260x260px|Amplificador operacional en manera de llazu abiertu, configuración usada como comparador. La magnitú de la ganancia ye, xeneralmente, bien grande, del orde de 100.000 vegaes o más y, poro, una pequeña diferencia ente les tensiones y fai que la salida del amplificador seya d'un valor cercanu al de la tensión d'alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitú de nun ye bien controlada pol procesu de fabricación, asina que ye impráctico usar un amplificador en llazu abiertu como amplificador diferencial.
Si la entrada inversora ye coneutada a tierra (0 V) de manera direuta o por aciu una resistencia y el voltaxe d'entrada aplicáu a la otra entrada ye positivu, la salida va ser la de la máxima tensión positivo d'alimentación; si ye negativu, la salida va ser el valor negativu d'alimentación. Como nun esiste realimentación, dende la salida a la entrada, l'amplificador operacional actúa como comparador.
Llazu zarráu miniaturadeimagen|260x260px|Un amplificador operacional en manera de realimentación negativa. Si desea un comportamientu predecible na señal de salida, úsase la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de llazu zarráu amenorga notablemente la ganancia del dispositivu, una y bones ésta ye determinada pola rede de realimentación y non poles carauterístiques del dispositivu. Si la rede de realimentación ye fecha con resistencies menores que la resistencia d'entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en llazu abiertu nun afecta seriamente la operación del circuitu. Nel amplificador non inversor de la imaxe, la rede resistiva constituyida por y determina la ganancia en llazu zarráu.
Una forma válida d'analizar esti circuitu basar nestos camientos válidos: L'amplificador va ser analizáu como ideal, lo que trai: La resistencia nes entraes del amplificador ye infinita. La resistencia de la salida ye despreciable o tiende a cero. La ecuación xeneral pal analisis de op amps; . Partiendo del fechu que ye conocíu, ye necesariu analizar , basandose en que la entrada inversora tien una resistencia infinita, puede considerase un circuitu equivalente que va ayudar a conocer dichu valor (por falta d'imáxenes descríbese testualmente). El circuitu consiste de 3 elementos coneutaos en serie, que son Una fonte de voltaxe que'l so valor ye . Una resistencia que'l so valor ye . Una resistencia que'l so valor ye . Note que si s'asitiara un voltmetro ente y tierra, se tendria . Con esti circuitu deduzse que la corriente que traviesa les resistencies ye:
Polo tanto'l voltaxe y por tanto'l voltaxe queda dau por:
Sustituyendo na ecuación xeneral de analisis llógrase:
.
Aplicando álxebra senciella, puede estenase , que queda dau por:
Tomando la primer considerancia mentada avera del analisis ideal va ser:
Sábese que la llende converxe a:
Entós considerando
Llógrase:
Parámetros de los amplificadores operacionales Impedancia d'entrada (): Ye la resistencia ente les entraes del amplificador. Impedancia de salida (): Ye la resistencia que se repara a la salida del amplificador. Ganancia en llazu abiertu (): Indica la ganancia de tensión n'ausencia de realimentación. Puede espresase n'unidaes naturales (V/V, V/mV) o logarítmiques (dB). Son valores habituales de 100.000 a 1.000.000 V/V. Dellos fabricantes denominen a esti parámetru Large-signal differential voltage amplification (Amplificación de voltaxe diferencial pa gran señal). Tensión en manera común (): Ye'l valor permediu de tensión aplicáu a dambes entraes del amplificador operacional. Voltaxe de desequilibriu (offset) d'entrada (): Ye la diferencia de tensión, ente les entraes d'un amplificador operacional que fai que la so salida seya cero voltio. Corriente de desequilibriu d'entrada (): Ye la diferencia de corriente ente les dos entraes del amplificador operacional, que fai que la so salida tome'l valor cero. Voltaxe d'entrada diferencial (): Ye la mayor diferencia de tensión ente les entraes del operacional que caltienen el dispositivu dientro de les especificaciones. Corriente de polarización d'entrada (): Corriente media que circula poles entraes del operacional n'ausencia de señal. Rapidez de variación de voltaxe (slew rate, n'idioma inglés): Ye la máxima variación de la tensión de salida respectu de la variación del tiempu, como respuesta a un voltaxe de pasu. Midir en V/μs, kV/μs o unidaes similares. Esti parámetru ta llindáu pola compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales. Rellación de refuga en Manera Común (RRMC, o CMRR nes sos sigles n'inglés): Ye la capacidá d'un amplificador de refugar señales en manera común.
Carauterístiques del amplificador operacional miniaturadeimagen|300px|Circuitu equivalente d'un amplificador operacional.
Amplificador operacional ideal Infinita ganancia en llazu abiertu Infinita resistencia d'entrada, Corriente d'entrada cero. Voltaxe de desequilibriu d'entrada cero. Infinitu rangu de voltaxe disponible na salida. Infinitu ancho de banda con desplazamientu de fase cero. Rapidez de variación de voltaxe infinita. Resistencia de salida cero. Ruíu cero. Infinitu refugu de manera común (CMRR) Infinitu factor de refuga a fonte d'alimentación (PSRR).
Estes carauterístiques pueden resumise en dos "regles d'oru": Nel llazu cerráu la salida intenta faer lo necesario pa faer cero la diferencia de voltaxe ente les entraes. Les corrientes d'entrada al dispositivu son cero.
Amplificador operacional real L'amplificador real difier del ideal en dellos aspeutos: Ganancia en llazu abiertu, pa corriente continua, dende 100.000 hasta más de 1.000.000. Resistencia d'entrada finita, dende 0,3 MΩ d'equí p'arriba. Resistencia de salida non cero. Corriente d'entrada non cero, xeneralmente de 10 nA en circuitos de teunoloxía bipolar. Voltaxe de desequilibriu d'entrada non cero, en ciertos dispositivos ye de ±15 mV Refugu de manera común non infinitu, anque grande, en dellos casos, de 80 a 95 dB. Refugu a fonte d'alimentación non infinito. Carauterístiques afeutaes pola temperatura d'operación. Deriva de les carauterístiques, debíu al avieyamientu del dispositivu. Anchu de banda finito, llindáu arremente pol diseñu o por carauterístiques de los materiales. Presencia de ruíu térmico. Presencia d'efeutos capacitivos na entrada pola cercanía de los terminales ente sigo. Corriente de salida llindada. Potencia disipada llindada.
Aplicaciones
Les aplicaciones más comunes de los amplificadores operacionales son les siguientes:
Comparador
Aplicación ensin retroalimentación que compara señales ente les dos entraes y presenta una salida en función de qué entrada seya mayor. Puede usase p'afaer niveles lóxicos.
Una aplicación simple pero útil, ye la d'apurrir un sistema de control ON-OFF. Por casu un control de temperatura, que la so entrada non inversora conéctase un termistor (sensor de temperatura) y na entrada inversora un divisor resistivo con un preset (resistencia variables) p'afaer el valor de tensión de referencia. Cuando na pata non inversora esista una tensión mayor a la tensión de referencia, la salida activara dalguna señalización o un actuador.
Siguidor de voltaxe o tensión derecha|miniaturadeimagen|Amplificador operacional en manera siguidora de tensión Ye aquel circuitu qu'apurre a la salida la mesma tensión qu'a la entrada. Presenta la ventaya de que la impedancia d'entrada ye alzada, la de salida práuticamente nula, y ye útil como un buffer, pa esaniciar efecto de carga o p'afaer impedancias (coneutar un dispositivu con gran impedancia a otru con baxa impedancia y viceversa) y realizar midíes de tensión d'un sensor con una intensidá bien pequeña que nun afecte sensiblemente a la midida.
Amplificador non inversor derecha|miniaturadeimagen|Amplificador operacional en manera non inversor
Na manera amplificadora non inversor, el voltaxe de salida camuda na mesma direición del voltaxe d'entrada.
La ecuación de ganancia pa esta configuración ye:
Sicasí, nesti circuitu V− ye una función de Vout por cuenta de la realimentación negativa al traviés de la rede constituyida por R1 y R2, onde R1 y R2 formen un divisor de tensión, y como V− ye una entrada d'alta impedancia, nun hai efeutu de carga. Por consiguiente:
Onde
Sustituyendo esto na ecuación de ganancia, llógrase:
Resolviendo pa :
Si ye bien grande, simplificar a
.
Sumador inversor derecha|miniaturadeimagen|Amplificador sumador de n entraes. Aplicación na cual la salida ye de polaridá opuesta a la suma de les señales d'entrada. Pa resistencies independientes R1, R2,... Rn
La espresión simplificar abondo si usen resistencies del mesmu valor Impedancias d'entrada: Zn = Rn
Restador Inversor derecha|miniaturadeimagen|Amplificador restador-inversor. Pa resistencies independientes R1,R2,R3,R4 la salida esprésase como:
La impedancia diferencial ente dos entraes ye:
onde representa la resistencia d'entrada diferencial del amplificador, inorando les resistencies d'entrada del amplificador de manera común. Esti tipu de configuración tien una resistencia d'entrada baxa en comparanza con otru tipu de restadores como'l amplificador d'instrumentación.
Integrador ideal derecha|miniaturadeimagen|Amplificador integrador. Esti montaxe integra ya invierte la señal d'entrada produciendo como salida: