5.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Un amplificador operacional, u op-amp, es un amplificador diferencial de muy alta ganancia que posee alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Por lo general, el amplificador operacional se utiliza para proporcionar cambios en la amplitud de voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtro y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un amplificador operacional se diseña para ejecutar algunas operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración) cuando componentes externos, como resistores y capacitores, están conectados a sus terminales.

El amplificador operacional es un dispositivo electrónico que consta de un complejo sistema de resistores, transistores, capacitores y diodos. Por lo cual en esta sesión no trataremos con la composición de los amplificadores operacionales, sino que lo trataremos como un solo elemento activo único.

En la figura 1 se muestra el símbolo de un op-amp básico con dos entradas y una salida como resultaría de la utilización de una etapa de entrada con amplificación diferencial. Las entradas se identifican con los signos menos (-) y más (+) para especificar las entradas inversora y no inversora, respectivamente. Una entrada aplicada a la terminal no inversora aparecerá con la misma polaridad en la salida, mientras que una entrada aplicada a la terminal inversora aparecerá invertida en la salida.

Figura 1: Símbolo de un Amplificador Operacional básico

Como elemento activo es necesario un suministro de tensión al amplificador operacional el cual es colocado entre las terminales V+ y V-. Los amplificadores operacionales se venden en paquetes de circuitos integrados de diversas presentaciones. En la figura 1 se muestra uno de los amplificadores operacionales más utilizados, el LM741. Este circuito integrado es un empaquetado de línea doble (dual in-line package, DIP por sus siglas en inglés) de ocho terminales. La terminal 8 no se usa, y las terminales 1 y 5 son de escaso interés para el objetivo de esta sección. Las cinco terminales importantes son:

1. La entrada inversora, terminal 2.

2. La entrada no inversora, terminal 3.

3. La salida, terminal 6.

4. El suministro de potencia positivo V+, terminal 7.

5. El suministro de potencia negativo V-, terminal 4.

Figura 2: Circuito integrado 741

5.1.1. ENTRADA DE TERMINAL SIMPLE

Si se aplica una señal a una terminal de entrada del amplificador y la otra entrada se conecta a tierra, se dice que tenemos una entrada de terminal simple. El resultado de este tipo de entrada se ejemplifica en la siguiente figura:

Figura 3: Entrada de terminal simple

Si la señal se aplica a la entrada de signo positivo (con la entrada de signo negativo en tierra), da por resultado una salida que tiene la misma polaridad que la de la señal de entrada aplicada. Si la señal de entrada se aplica a la entrada de signo negativa, la salida es de fase opuesta a la señal aplicada.

5.1.2. ENTRADA DE TERMINAL DOBLE

Es posible aplicar señales en cada una de las entradas del amplificador operacional, lo que representa la operación de terminal doble. La figura muestra la acción ocasionada cuando dos señales distintas se aplican a las entradas, donde la señal es diferencial V1-V2. Un amplificador operacional calcula la diferencia entre sus dos terminales de entrada y la multiplica por la ganancia A provocando una tensión resultante que aparece en la salida.

Figura 4: Entrada de terminal doble

A se llama ganancia en tensión de lazo abierto, porque es la ganancia del amplificador operacional sin retroalimentación externa de la salida a la entrada.

5.1.3. OPERACIÓN EN MODO COMÚN

Cuando se aplican las mismas señales de entradas sobre ambas entradas, se obtiene la operación en modo común, como se muestra en la figura 5. De forma ideal, las dos entradas son igualmente amplificadas y debido a que ocasionan señales con polaridad opuesta en la salida, estas señales se cancelan, lo que da por resultado una salida de 0 V. Sin embargo, en la práctica, se obtendrá una señal pequeña de salida.

Figura 5: Operación en modo común

5.1.4. RECHAZO EN MODO COMÚN

Una característica importante de una conexión diferencial es que las señales que son opuestas en las entradas, son altamente amplificadas, mientras que aquellas que son comunes a las dos entradas, son sólo ligeramente amplificadas; la operación general es que se amplificará la señal diferencial, mientras que se rechazará la señal común a las dos entradas. Dado que el ruido (cualquier señal de entrada no deseada) es, por lo general, común a ambas entradas, la conexión diferencial tiende a ofrecer atenuación de esta entrada no deseada, mientras que ofrece una salida amplificada de la señal diferencial aplicada a las entradas. Esta característica de operación, referida como rechazo en modo común, se analiza con mayor detalle en sesiones posteriores.