Los amplificadores operacionales (A.O.), también conocidos como Op. Amp., son dispositivos activos, lineales y compactos de alta ganancia, diseñados para realizar funciones de transferencia específicas. Se componen de un circuito electrónico con dos entradas y una salida, y generalmente se alimentan con fuentes de voltaje positivas y negativas, lo que les permite operar tanto por encima como por debajo de la referencia de masa.
Se caracterizan por su respuesta en frecuencia, cambio de fase y alta ganancia, la cual se determina por la realimentación externa. Poseen una alta impedancia de entrada (Z) y una muy baja impedancia de salida.
Un amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita. En la práctica, la ganancia de un amplificador operacional real, como el 741C, se sitúa entre 20,000 y 200,000. El amplificador solo responde a la diferencia de voltaje entre sus dos terminales de entrada, no a su potencial común. Su función principal es amplificar la diferencia de voltaje entre las dos señales de entrada respecto a masa.
La ganancia de voltaje (AV) se define como el cociente entre el voltaje de salida (Vo) y el voltaje de entrada (Vin) en ausencia de un lazo de realimentación. La fórmula es: AV = - Vo / Vin. En amplificadores operacionales prácticos, esta ganancia es muy alta (típicamente 105), aunque varía con la frecuencia.
Configuraciones Básicas de Amplificadores Operacionales
A continuación, se presentan algunos de los modos básicos de configuración de un amplificador operacional:
Amplificador Inversor
En esta configuración, la entrada no inversora (+) está conectada a masa, y la señal se aplica a la entrada inversora (-) a través de una resistencia (R1). La realimentación se realiza desde la salida a través de otra resistencia (R2).
Amplificador No Inversor
Este es uno de los circuitos más comunes. Permite la entrada de señal tanto por la entrada inversora como por la no inversora. La señal de salida será proporcional a la diferencia entre las entradas y estará en fase con las señales aplicadas.
Amplificador Diferencial
Este circuito está basado en las configuraciones inversora y no inversora. Muestra un dispositivo activo lineal con dos entradas (V1 y V2) y una salida (Vo) respecto a la tensión media de alimentación o masa. La ganancia diferencial se denota como Ad.
La señal de salida no se ve afectada por señales comunes a ambas entradas. Esta disposición es única porque rechaza señales comunes. Debido a la alta ganancia del amplificador y a la tensión de entrada diferencial cero, debe aparecer una tensión igual en el nudo suma (-). Si la red de resistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, la salida (Vo) estará a potencial nulo para mantener V(-) igual a V(+).
Esta propiedad es muy útil para discriminar componentes de ruido no deseables en modo común, mientras se amplifican las señales diferenciales. Las impedancias de las dos entradas de etapa son distintas: para la entrada no inversora (+), la impedancia es R1 + R2; para la entrada inversora (-), la impedancia es R3.
Sumador Inversor
Es una aplicación práctica de la característica de "tierra virtual" en el nudo suma de la entrada inversora (-). En este circuito, la tensión de entrada (+) está conectada a masa, por lo que la tensión (-) estará a una masa virtual. Como la impedancia de entrada es infinita, toda la corriente circulará a través de la resistencia de realimentación (Ro).
La ganancia global del circuito la establece Ro, comportándose de manera similar al amplificador inversor básico. La mezcla de señales lineales de entrada no produce interacción entre ellas, ya que todas las fuentes de señal alimentan el punto de tierra virtual.
Integrador
Una modificación del amplificador inversor es el integrador. Se aplica una tensión de entrada (Ve) a R1, generando una corriente (ie). El elemento realimentador es un condensador (Co). Una corriente constante en Co da lugar a una rampa lineal de tensión en la salida.
El amplificador integrador realiza la función matemática de la integración, donde la señal de salida es la integral de la señal de entrada, más una constante inicial (k) que representa la carga inicial del condensador.
Un inconveniente del amplificador integrador es que si la señal de entrada es una señal de corriente continua (DC) o tiene una componente DC, el amplificador se satura y deja de integrar. Este problema no se puede solucionar por completo, pero se puede controlar agregando una resistencia en paralelo al condensador, lo que limita la ganancia en DC del integrador.
Diferenciador (Derivador)
Otra modificación del amplificador inversor que aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador o derivador. La tensión de salida es proporcional a la derivada de la señal de entrada (Vi) y a la constante de tiempo (t = RC), que generalmente se hace igual a la unidad.
Probador de Amplificadores Operacionales
A menudo, en talleres y laboratorios, es necesario verificar el estado de un amplificador operacional. Un circuito probador de amplificadores operacionales (Op. Amp.) permite salir de esta duda.
Para probar su funcionamiento, se configura el amplificador operacional como un simple circuito generador de pulsos. La iluminación alternada de dos LEDs indica su correcto funcionamiento y, por ende, el buen estado del amplificador.
Funcionamiento del Probador
Al presionar el botón de contacto momentáneo S1, el amplificador operacional se alimenta. Inmediatamente, a la salida del circuito integrado (pin 6) se obtiene un voltaje de nivel alto. Este voltaje se aplica a un divisor de voltaje (resistencias R2 y R3) que establece un voltaje de referencia en el pin 3 (entrada no inversora).
Simultáneamente, el condensador C1 se carga a través de la resistencia R1. Cuando el voltaje en C1 alcanza el voltaje de referencia, el amplificador operacional actúa como un comparador. En este punto, la salida del amplificador cambia de estado (de positivo a negativo), creando también un voltaje de referencia de polaridad opuesta en la entrada no inversora (pin 3). El condensador C1 comienza a descargarse y cargarse a un voltaje negativo, repitiéndose el ciclo indefinidamente.
Componentes Clave y Funcionamiento de LEDs
El circuito utiliza transistores NPN (como el 2N2222) y PNP (como el 2N2905). Cuando la salida está en nivel alto (positivo), el transistor T1 conduce y enciende el LED D1. Cuando la salida está en nivel bajo (negativo), el transistor T2 conduce y enciende el LED D2.
La inclusión de transistores se debe a la posibilidad de que algunos amplificadores operacionales bajo prueba tengan una baja capacidad de entrega de corriente. Para su funcionamiento, se requieren dos baterías de 9V.
Lista de Componentes del Probador de Amplificador Operacional
- 1 amplificador operacional 741 o similar (circuito bajo prueba)
- 1 transistor bipolar NPN 2N2222 o similar (T1)
- 1 transistor bipolar PNP 2N2905 o similar (T2)
- 1 condensador de 1 nF (nanofaradio) (C1)
- 2 resistencias de 390 ohmios (R5 y R6)
- 1 resistencia de 620 K (R1)
- 1 resistencia de 100 K (R2)
- 1 resistencia de 120 K (R3)
- 1 resistencia de 1 K (R4)
- 2 LEDs color rojo (D1, D2)
- 1 pulsador doble de contacto momentáneo normalmente abierto.
Simulación de Circuitos con Transistores y Amplificadores Operacionales
Al simular circuitos electrónicos, especialmente con herramientas como KiCAD o LTSpice, es fundamental asignar modelos adecuados a los componentes para obtener resultados precisos.
Uso del Transistor Genérico QNPN en KiCAD
KiCAD incluye un transistor NPN genérico (QNPN) en sus librerías, útil para simulaciones iniciales de circuitos de polarización y amplificadores Clase A monoetapa.
Al intentar ejecutar una simulación AC sin asignar un modelo específico, puede aparecer un error indicando que no se encuentra un modelo válido para QNPN. Una solución es utilizar la directiva .model qnpn npn para especificar un modelo NPN genérico.
Asignación de Modelos SPICE Válidos
Una segunda forma de abordar este problema es utilizar un modelo SPICE válido de un transistor concreto, descargado de la web. Por ejemplo, se puede utilizar el modelo de un transistor BC548BP.
Es importante asegurarse de que el nombre del transistor en el esquema coincida exactamente con el especificado en el modelo SPICE. Además, aunque no sea necesario para la simulación, se debe agregar la licencia del modelo si la tiene.
La simulación con un modelo SPICE real proporciona resultados más detallados, reflejando las no idealidades de un componente real.
Creación de Librerías Personales de Modelos
Para un uso frecuente, es recomendable crear una biblioteca personal con los modelos de transistores más utilizados. Esta información se puede añadir a las propiedades del componente.
El archivo de la biblioteca personal debe crearse como texto plano y puede contener directivas como:
.lib spice-models.lib.model qnpn npn
Para asignar esta librería al componente, se siguen los pasos correspondientes en el software de simulación.
Descarga y Uso de Librerías Externas
También es posible descargar librerías completas de la web y añadirlas de manera similar. Sitios como Diodes Incorporated ofrecen multitud de librerías compatibles.
Simulación de un Amplificador en Emisor Común con BC548
Configurando un amplificador en emisor común autopolarizado con un transistor BC548, se puede simular su comportamiento. La fuente de excitación se configura para generar una señal AC sinusoidal (ej. 15 mV a 4 kHz).
El análisis puede configurarse para análisis AC y transitorio. La simulación mostrará la señal de entrada y salida, permitiendo observar la ganancia en tensión del amplificador.
El LM386: Amplificador de Potencia de Bajo Voltaje
El LM386 es un amplificador de potencia diseñado para aplicaciones de bajo voltaje en equipos de consumo. Sus entradas se refieren a masa, mientras que la salida se autorreferencia a la mitad de la tensión de suministro.
Control de Ganancia en el LM386
El LM386 dispone de pines (1 y 8) para el control de ganancia. Con los pines 1 y 8 abiertos, la ganancia se establece en 20 (26 dB). Si se conecta un condensador entre estos pines, la ganancia se acerca a 200 (46 dB).
La ganancia puede ajustarse a cualquier valor entre 20 y 200 mediante componentes externos, como resistencias y condensadores en paralelo con las resistencias de regeneración internas. Esto permite adaptar la ganancia y la respuesta en frecuencia para usos específicos, como la compensación de la respuesta de bajos de un altavoz.
Consideraciones de Entrada y Compensación
Las entradas del LM386 (pines 2 y 3) suelen conectarse a masa a través de una resistencia de 50 kW. La corriente de base de los transistores de entrada es baja (aprox. 250 nA), lo que resulta en una pequeña tensión de entrada cuando las entradas están abiertas.
Para resistencias de fuente DC altas, se puede añadir una pequeña compensación. Para resistencias de fuente DC bajas, se puede eliminar el exceso de compensación conectando una resistencia de valor igual a la resistencia de la fuente a masa en la entrada no utilizada. El acoplamiento capacitivo de la entrada elimina todos los problemas de compensación.
Al usar ganancias más altas en el LM386, es necesario evitar la entrada no utilizada para prevenir la degradación de la ganancia e inestabilidades.
Amplificador LM386
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