Un amplificador operacional, a menudo conocido op-amp o ampop por sus siglas en inglés (operational amplifier), es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.
Historia El concepto del amplificador operacional surgió hacia 1947, como un dispositivo construido con tubos de vacío, como parte de las primeras computadoras analógicas dentro de las cuales ejecutaban operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, Radicación etc.), de lo cual se originó el nombre por el cual se le conoce. El primer amplificador operacional monolítico construido como circuito integrado, fue desarrollado en 1964 en la empresa Fairchild Semiconductor por el ingeniero electricista estadounidense Robert John Widlar y llevó el número de modelo μA702. A este le siguió el μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular μA741 (1968), desarrollado por David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar, el cual se convirtió en estándar de la industria electrónica.
Principio de operación Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:
Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial. Amplificador de tensión: proporciona ganancia de tensión. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Este también proporciona una ganancia adicional.
El dispositivo posee dos entradas: una entrada no inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como y otra inversora (–) sometida a una tensión . En forma ideal, el dispositivo amplifica solamente la diferencia de tensión en las entradas, conocida como tensión de entrada diferencial (). La tensión o voltaje de salida del dispositivo está dada por la ecuación:
en la cual representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como "lazo (o bucle) abierto". En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180° para algunas aplicaciones especiales.
Lazo abierto miniaturadeimagen|260x260px|Amplificador operacional en modo de lazo abierto, configuración usada como comparador. La magnitud de la ganancia es, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones y hace que la salida del amplificador sea de un valor cercano al de la tensión de alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitud de no es bien controlada por el proceso de fabricación, así que es impráctico usar un amplificador en lazo abierto como amplificador diferencial.
Si la entrada inversora es conectada a tierra (0 V) de manera directa o mediante una resistencia y la tensión de entrada aplicada a la otra entrada es positiva, la salida será la de la máxima tensión positiva de alimentación; si es negativo, la salida será el valor negativo de alimentación. Como no existe realimentación, desde la salida a la entrada, el amplificador operacional actúa como comparador.
Lazo cerrado miniaturadeimagen|260x260px|Un amplificador operacional en modo de realimentación negativa. Si se desea un comportamiento predecible en la señal de salida, se usa la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de lazo cerrado reduce notablemente la ganancia del dispositivo, ya que ésta es determinada por la red de realimentación y no por las características del dispositivo. Si la red de realimentación es hecha con resistencias menores que la resistencia de entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en lazo abierto no afecta seriamente la operación del circuito. En el amplificador no inversor de la imagen, la red resistiva constituida por y determina la ganancia en lazo cerrado.
Una forma válida de analizar este circuito se basa en estas suposiciones válidas:
Cuando un amplificador operacional opera en el modo lineal (no saturado) la diferencia de tensión entre las dos entradas es insignificante (V+ ≅ V− ). La resistencia entre las entradas es mucho más grande que otras resistencias en la red de realimentación (Rin ≫ Rrealimentación).
Debido a (1), la tensión V− ≅ Vin y la corriente que pasa por la resistencia es:
Pero la red conformada por las resistencias es un divisor de tensión y como la corriente no entra al amplificador por presentar en sus entradas resistencias casi infinitas (2), entonces esa corriente circula también por la resistencia y por ello:
Como resultado, la ganancia en lazo cerrado la define la anterior ecuación:
Parámetros de los amplificadores operacionales Impedancia de entrada (): Es la resistencia entre las entradas del amplificador y se puede medir en modo diferencial y en modo común: En modo diferencial se define como la resistencia total entre las entradas inversora y no inversora. En modo común es la resistencia entre cada entrada y tierra. Impedancia de salida (): Es la resistencia que se observa a la salida del amplificador. Ganancia en lazo abierto (): Indica la ganancia de tensión en ausencia de realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logarítmicas (dB). Son valores habituales de 100.000 a 1.000.000 V/V. Algunos fabricantes denominan a este parámetro Large-signal differential voltage amplification (Amplificación de tensión diferencial para gran señal). Tensión en modo común (): Es el valor promedio de tensión aplicada a ambas entradas del amplificador operacional. Tensión de desequilibrio (offset) de entrada (): Es la diferencia de tensión, entre las entradas de un amplificador operacional que hace que su salida sea cero voltios. Corriente de desequilibrio de entrada (): Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del amplificador operacional, que hace que su salida tome el valor cero. Tensión de entrada diferencial (): Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones. Corriente de polarización de entrada (): Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de señal. Rapidez de variación de tensión (slew rate, en idioma inglés): Es la máxima variación de la tensión de salida respecto de la variación del tiempo, como respuesta a un tensión de escalón. Se mide en V/μs, kV/μs o unidades similares. Este parámetro está limitado por la compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales. Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en inglés): Es la capacidad de un amplificador de rechazar señales en modo común.
Características del amplificador operacional miniaturadeimagen|300px|Circuito equivalente de un amplificador operacional. Amplificador operacional ideal
Infinita ganancia en lazo abierto Infinita resistencia de entrada, Corriente de entrada cero. Tensión de desequilibrio de entrada cero. Infinito rango de tensión disponible en la salida. Infinito ancho de banda con desplazamiento de fase cero. Rapidez de variación de tensión infinita. Resistencia de salida cero. Ruido cero. Infinito Factor de Rechazo a Fuente de Alimentación (PSRR).
Estas características se pueden resumir en dos "reglas de oro": En el lazo cerrado la salida intenta hacer lo necesario para hacer cero la diferencia de tensión entre las entradas. Las corrientes de entrada al dispositivo son cero.
Amplificador operacional real El amplificador real difiere del ideal en varios aspectos: Ganancia en lazo abierto, para corriente continua, desde 100.000 hasta más de 1.000.000. Resistencia de entrada finita, desde 0,3 MΩ en adelante. Resistencia de salida no cero. Corriente de entrada no cero, generalmente de 10 nA en circuitos de tecnología bipolar. Tensión de desequilibrio de entrada no cero, en ciertos dispositivos es de ±15 mV Rechazo de modo común no infinito, aunque grande, en algunos casos, de 80 a 95 dB. Rechazo a fuente de alimentación no infinito. Características afectadas por la temperatura de operación. Deriva de las características, debido al envejecimiento del dispositivo. Ancho de banda finito, limitado a propósito por el diseño o por características de los materiales. Presencia de ruido térmico. Presencia de efectos capacitivos en la entrada por la cercanía de los terminales entre sí. Corriente de salida limitada. Potencia disipada limitada.
Aplicaciones
Las aplicaciones más comunes de los amplificadores operacionales son las siguientes: Comparador
Aplicación sin retroalimentación que compara señales entre las dos entradas y presenta una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.
Una aplicación simple pero útil, es la de proporcionar un sistema de control ON-OFF. Por ejemplo un control de temperatura, cuya entrada no inversora se conecta un termistor (sensor de temperatura) y en la entrada inversora un divisor resistivo con un preset (resistencia variables) para ajustar el valor de tensión de referencia. Cuando en la pata no inversora exista una tensión mayor a la tensión de referencia, la salida activara alguna señalización o un actuador.
Seguidor de voltaje o tensión derecha|miniaturadeimagen|Amplificador operacional en modo seguidor de tensión Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada. Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevada, la de salida prácticamente nula, y es útil como un búfer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) y realizar mediciones de tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte sensiblemente a la medición.
Amplificador no inversor derecha|miniaturadeimagen|Amplificador operacional en modo no inversor
En el modo amplificador no inversor, la tensión de salida varía con la misma polaridad que la tensión de entrada. La ecuación de ganancia para esta configuración es:
Sin embargo, en este circuito V− es una función de Vout debido a la realimentación negativa a través de la red constituida por R1 y R2, donde R1 y R2 forman un divisor de tensión, y como V− es una entrada de alta impedancia, no hay efecto de carga. Por consiguiente:
Donde
Sustituyendo esto en la ecuación de ganancia, se obtiene:
Resolviendo para :
donde si es muy grande, se simplifica a
.
Amplificador inversor derecha|miniaturadeimagen|Un amplificador operacional conectado en configuración de inversor
En el modo amplificador inversor, la tensión de salida varía con polaridad opuesta a la tensión de entrada. Como en el amplificador no inversor, se parte de la ecuación de ganancia general:
En este caso, V− es función de Vout y Vin dada por el divisor de tensión formado por Rf y Rin. De nuevo, no hay efecto de carga en V− debido a la alta impedancia del amplificador operacional, con lo que
Sustituyendo esto en la ecuación de ganancia y resolviendo :
Si es muy grande, se simplifica a
Sumador inversor derecha|miniaturadeimagen|Amplificador sumador de n entradas. Aplicación en la cual la salida es de polaridad opuesta a la suma de las señales de entrada. Para resistencias independientes R1, R2,... Rn
La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Zn = Rn
Restador Inversor