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Op-Amp, abreviatura de amplificador operacional, es la columna vertebral de la electrónica analógica. Un amplificador operacional es un componente electrónico acoplado a CC que amplifica el voltaje de una entrada diferencial usando retroalimentación de resistencia. Los amplificadores operacionales son populares por su versatilidad, ya que se pueden configurar de muchas maneras y se pueden usar en diferentes aspectos. Un circuito de amplificador operacional consta de pocas variables como ancho de banda, impedancia de entrada y salida, margen de ganancia, etc. Diferentes clases de amplificadores operacionales tienen especificaciones diferentes dependiendo de esas variables. Hay muchos amplificadores operacionales disponibles en diferentes paquetes de circuitos integrados (IC), algunos amplificadores operacionales tienen dos o más amplificadores operacionales en un solo paquete. LM358, LM741, LM386 son algunos circuitos integrados de amplificador operacional de uso común. Puede obtener más información sobre los amplificadores operacionales siguiendo nuestra sección de circuitos de amplificadores operacionales.

Un amplificador operacional tiene dos pines de entrada diferenciales y un pin de salida junto con pines de alimentación. Esos dos pines de entrada diferencial son pin inversor o pin negativo y no inversor o positivo. Un amplificador operacional amplifica la diferencia de voltaje entre estos dos pines de entrada y proporciona la salida amplificada a través de su Vout o pin de salida.

Dependiendo del tipo de entrada, el amplificador operacional se puede clasificar como inversor o no inversor. En este tutorial, aprenderemos cómo usar el amplificador operacional en una configuración no inversora.

En la configuración no inversora, la señal de entrada se aplica a través del terminal de entrada no inversora (terminal positivo) del amplificador operacional. Debido a esto, la salida amplificada se vuelve " en fase " con la señal de entrada.

Como comentamos antes, el amplificador operacional necesita retroalimentación para amplificar la señal de entrada. Esto generalmente se logra aplicando una pequeña parte del voltaje de salida nuevamente al pin inversor (en el caso de una configuración no inversora) o en el pin no inversor (en el caso de un pin inversor), usando una red divisoria de voltaje.

Configuración de amplificador operacional sin inversión

En la imagen superior, se muestra un amplificador operacional con configuración no inversora. La señal que se necesita amplificar usando el amplificador operacional se alimenta al pin positivo o no inversor del circuito del amplificador operacional, mientras que un divisor de voltaje que usa dos resistencias R1 y R2 proporciona la pequeña parte de la salida a la inversión pin del circuito del amplificador operacional. Estas dos resistencias están proporcionando la retroalimentación requerida al amplificador operacional. En una condición ideal, el pin de entrada del amplificador operacional proporcionará una impedancia de entrada alta y el pin de salida tendrá una impedancia de salida baja.

La amplificación depende de esas dos resistencias de retroalimentación (R1 y R2) conectadas como configuración del divisor de voltaje. R2 se conoce como Rf (resistencia de retroalimentación)

La salida del divisor de voltaje que se alimenta al pin no inversor del amplificador es igual a Vin, ya que los puntos de unión de Vin y del divisor de voltaje están situados en el mismo nodo de tierra.

Debido a esto, y como el Vout depende de la red de retroalimentación, podemos calcular la ganancia de voltaje de lazo cerrado como se muestra a continuación.

Ganancia de amplificador operacional no inversor

Como el voltaje de salida del divisor de voltaje es el mismo que el voltaje de entrada , el divisor Vout = Vin

Entonces, Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) O, Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

La ganancia de voltaje total del amplificador (Av) es Vout / Vin

Entonces, Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Usando esta fórmula, podemos concluir que la ganancia de voltaje de bucle cerrado de un amplificador operacional no inversor es,

Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)

Entonces, por este factor, la ganancia del amplificador operacional no puede ser menor que la ganancia unitaria o 1. Además, la ganancia será positiva y no puede ser negativa. La ganancia depende directamente de la relación de Rf y R1.

Ahora, lo interesante es que si ponemos el valor de la resistencia de retroalimentación o Rf como 0, la ganancia será 1 o la unidad. Y si el R1 se vuelve 0, entonces la ganancia será infinita. Pero solo es posible teóricamente. En realidad, depende en gran medida del comportamiento del amplificador operacional y de la ganancia de bucle abierto.

El amplificador operacional también se puede usar dos voltaje de entrada de voltaje adicional como amplificador sumador.

Ejemplo práctico de amplificador no inversor

Vamos a diseñar un circuito amplificador operacional no inversor que producirá 3x ganancia de tensión en la salida comparando la tensión de entrada.

Haremos una entrada de 2V en el amplificador operacional. Configuraremos el amplificador operacional en configuración no inversora con capacidades de ganancia 3x. Seleccionamos el valor de la resistencia R1 como 1.2k, encontraremos el valor de la resistencia Rf o R2 y calcularemos el voltaje de salida después de la amplificación.

Como la ganancia depende de las resistencias y la fórmula es Av = 1 + (Rf / R1)

En nuestro caso, la ganancia es 3 y el valor de R1 es 1. 2k. Entonces, el valor de Rf es, 3 = 1 + (Rf / 1.2k) 3 = 1 + (1.2k + Rf / 1.2k) 3.6k = 1.2k + Rf 3.6k - 1.2k = Rf Rf = 2.4k

Después de la amplificación, el voltaje de salida será

Av = Vout / Vin 3 = Vout / 2V Vout = 6V

El circuito de ejemplo se muestra en la imagen de arriba. R2 es la resistencia de retroalimentación y la salida amplificada será 3 veces mayor que la entrada.

Seguidor de voltaje o amplificador de ganancia unitaria

Como se discutió anteriormente, si hacemos que Rf o R2 sea 0, eso significa que no hay resistencia en R2, y la Resistencia R1 es igual a infinito, entonces la ganancia del amplificador será 1 o alcanzará la ganancia unitaria. Como no hay resistencia en R2, la salida está en cortocircuito con la entrada negativa o invertida del amplificador operacional. Como la ganancia es 1 o la unidad, esta configuración se denomina configuración de amplificador de ganancia unitaria o seguidor de voltaje o búfer.

Cuando colocamos la señal de entrada a través de la entrada positiva del amplificador operacional y la señal de salida está en fase con la señal de entrada con una ganancia de 1x, obtenemos la misma señal en la salida del amplificador. Por tanto, el voltaje de salida es el mismo que el voltaje de entrada. Salida de voltaje = Entrada de voltaje.

Por lo tanto, seguirá el voltaje de entrada y producirá la misma señal de réplica en su salida. Por eso se le llama circuito seguidor de voltaje.

La impedancia de entrada del amplificador operacional es muy alta cuando se usa un seguidor de voltaje o una configuración de ganancia unitaria. A veces, la impedancia de entrada es mucho más alta que 1 megaohmio. Entonces, debido a la alta impedancia de entrada, podemos aplicar señales débiles a través de la entrada y no fluirá corriente en el pin de entrada desde la fuente de señal al amplificador. Por otro lado, la impedancia de salida es muy baja y producirá la misma señal de entrada en la salida.

En la imagen de arriba se muestra la configuración del seguidor de voltaje. La salida está conectada directamente a través del terminal negativo del amplificador operacional. La ganancia de esta configuración es 1x.

Tal como lo conocemos, Ganancia (Av) = Vout / Vin Entonces, 1 = Vout / Vin Vin = Vout.

Debido a la alta impedancia de entrada, la corriente de entrada es 0, por lo que la potencia de entrada también es 0. El seguidor de voltaje proporciona una gran ganancia de potencia a través de su salida. Debido a este comportamiento, el seguidor de voltaje se utiliza como circuito de amortiguación.

Además, la configuración del búfer proporciona un buen factor de aislamiento de señal. Debido a esta característica, el circuito seguidor de voltaje se usa en filtros activos tipo Sallen-key donde las etapas de filtro están aisladas entre sí usando una configuración de amplificador operacional seguidor de voltaje.

También hay circuitos de búfer digitales disponibles, como 74LS125, 74LS244, etc.

Como podemos controlar la ganancia del amplificador no inversor, podemos seleccionar varios valores de resistencias y podemos producir un amplificador no inversor con un rango de ganancia variable.

Los amplificadores no inversores se utilizan en los sectores de la electrónica de audio, así como en el alcance, los mezcladores y varios lugares donde se necesita lógica digital utilizando electrónica analógica.