Características del amplificador operacional

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

Los amplificadores operacionales son dispositivos electrónicos que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde la electrónica de consumo hasta la ingeniería de sistemas de control industrial. Estos dispositivos tienen un alto grado de versatilidad y se pueden utilizar para amplificar señales, filtrar frecuencias, generar señales de onda y muchas otras funciones. En esta ocasión, se presentarán las características más importantes de los amplificadores operacionales, que permiten su amplio uso en la electrónica moderna. Se analizará su comportamiento en diferentes situaciones, su respuesta a diferentes tipos de señales y su capacidad para adaptarse a diferentes aplicaciones. Con esta información, se podrá comprender mejor cómo funcionan los amplificadores operacionales y cómo se pueden utilizar en diferentes configuraciones.

Principios básicos del amplificador operacional

El amplificador operacional es un componente electrónico extremadamente útil en la electrónica analógica. Es una pieza de circuito integrado que se utiliza para amplificar señales de entrada y producir una señal de salida mayor.

Principios básicos

El comportamiento del amplificador operacional se puede explicar en función de sus principios básicos:

  • Modo de operación: el amplificador operacional funciona en modo diferencial, lo que significa que amplifica la diferencia de voltaje entre sus dos entradas.
  • Ganancia: la ganancia del amplificador operacional es la relación entre la señal de salida y la señal de entrada. Es posible ajustar la ganancia con un circuito externo.
  • Impedancia de entrada: la impedancia de entrada del amplificador operacional es muy alta, lo que significa que requiere muy poca corriente de entrada.
  • Impedancia de salida: la impedancia de salida del amplificador operacional es muy baja, lo que significa que puede suministrar una gran cantidad de corriente a la carga sin afectar significativamente la señal de salida.
  • Linealidad: el amplificador operacional es lineal, lo que significa que la relación entre la señal de entrada y la señal de salida es constante para cualquier valor de entrada dentro de los límites de operación.

Ejemplos de aplicaciones

Algunas aplicaciones comunes del amplificador operacional incluyen:

  • Amplificación de señales de audio
  • Amplificación de señales de instrumentación
  • Filtro de señales
  • Generación de señales de referencia
  • Comparador de voltaje

Sus principios básicos de funcionamiento incluyen el modo de operación, la ganancia, la impedancia de entrada y salida, y la linealidad. Las aplicaciones comunes incluyen la amplificación de señales, el filtrado de señales y la generación de señales de referencia.

Tipos de amplificadores operacionales

El amplificador operacional es un circuito integrado que se utiliza para amplificar señales eléctricas. Existen varios tipos de amplificadores operacionales, cada uno con características específicas. A continuación, se detallan los principales tipos:

Amplificador operacional de propósito general

Los amplificadores operacionales de propósito general son los más utilizados en aplicaciones de electrónica. Son diseñados para tener una ganancia de voltaje muy alta y una impedancia de entrada muy alta. Estos amplificadores son muy útiles para amplificar señales pequeñas y para realizar sumas y restas de señales.

Amplificador operacional de alta velocidad

Los amplificadores operacionales de alta velocidad se utilizan en aplicaciones donde se requiere una respuesta rápida. Estos amplificadores tienen una ganancia de voltaje más baja que los amplificadores de propósito general, pero tienen una velocidad de respuesta mucho más alta. Son muy útiles para aplicaciones de comunicaciones y de procesamiento de señales.

Amplificador operacional de alta potencia

Los amplificadores operacionales de alta potencia se utilizan en aplicaciones donde se necesita amplificar señales de alta potencia. Estos amplificadores tienen una ganancia de voltaje baja, pero pueden manejar altas corrientes y voltajes. Son muy útiles para aplicaciones de audio, como amplificadores de potencia para altavoces.

Amplificador operacional de instrumentación

Los amplificadores operacionales de instrumentación se utilizan en aplicaciones donde se requiere una precisión muy alta. Estos amplificadores tienen una ganancia de voltaje muy alta y una impedancia de entrada muy baja. Son muy útiles en aplicaciones de medida, como la medición de la temperatura o la presión.

Amplificador operacional de transconductancia

Los amplificadores operacionales de transconductancia se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia. Estos amplificadores tienen una ganancia de voltaje baja, pero pueden manejar altas corrientes y voltajes. Son muy útiles en aplicaciones de control de motores y de iluminación.

La elección del amplificador adecuado dependerá de la aplicación específica para la que se necesite.

Aplicaciones del amplificador operacional

El amplificador operacional es un dispositivo electrónico que tiene múltiples aplicaciones debido a sus características únicas. A continuación, se explicarán algunas de las aplicaciones más comunes del amplificador operacional:

1. Amplificación de señales

Una de las funciones principales del amplificador operacional es amplificar señales. Esto significa que puede aumentar la amplitud de una señal de entrada sin distorsionarla. Por ejemplo, en un sistema de audio, el amplificador operacional se utiliza para amplificar las señales de sonido para que puedan ser escuchadas a través de los altavoces.

2. Filtro de señales

El amplificador operacional también se utiliza como un filtro de señales. Puede filtrar señales de alta o baja frecuencia, así como señales de ruido. Por ejemplo, en un sistema de comunicaciones, el amplificador operacional se utiliza para filtrar señales de ruido para mejorar la calidad de la señal.

3. Generador de señales

El amplificador operacional también se puede utilizar como un generador de señales. Puede generar señales de onda sinusoidal, triangular y cuadrada. Por ejemplo, en un sistema de control automático, el amplificador operacional se utiliza para generar señales de control para controlar el funcionamiento del sistema.

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4. Comparador de voltaje

Otra aplicación común del amplificador operacional es como comparador de voltaje. Puede comparar dos señales de voltaje y producir una señal de salida en función de la relación entre ellas. Por ejemplo, en un sistema de control de temperatura, el amplificador operacional se utiliza para comparar la temperatura real con la temperatura deseada y producir una señal de control para ajustar la temperatura.

5. Convertidor de voltaje a corriente

El amplificador operacional también se puede utilizar como un convertidor de voltaje a corriente. Puede convertir una señal de voltaje en una señal de corriente proporcional. Por ejemplo, en un sistema de control de motores, el amplificador operacional se utiliza para convertir una señal de voltaje en una señal de corriente para controlar la velocidad del motor.

Puede amplificar señales, filtrar señales, generar señales, comparar voltajes y convertir voltajes en corriente.

Análisis de circuitos con amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales son dispositivos electrónicos que se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde circuitos de audio hasta sistemas de control automático. Su principal función es amplificar una señal de entrada para producir una señal de salida más grande, con una ganancia que puede ser controlada por el usuario.

Características del amplificador operacional

Los amplificadores operacionales tienen varias características importantes que los hacen útiles en una amplia gama de aplicaciones. Algunas de las características más importantes incluyen:

  • Alta ganancia: Los amplificadores operacionales tienen una ganancia muy alta, lo que significa que pueden amplificar señales muy pequeñas a niveles mucho más altos.
  • Impedancia de entrada alta: Los amplificadores operacionales tienen una impedancia de entrada muy alta, lo que significa que no consumen mucha corriente de la señal de entrada.
  • Impedancia de salida baja: Los amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida muy baja, lo que significa que pueden proporcionar una gran cantidad de corriente a la carga.
  • Banda ancha: Los amplificadores operacionales tienen una banda ancha, lo que significa que pueden amplificar señales de alta frecuencia.
  • Linealidad: Los amplificadores operacionales son muy lineales, lo que significa que la relación entre la señal de entrada y la señal de salida es constante.

Análisis de circuitos con amplificadores operacionales

Los circuitos con amplificadores operacionales se pueden analizar utilizando las leyes básicas de la electrónica, como la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff. Sin embargo, hay algunas consideraciones especiales que deben tenerse en cuenta al analizar circuitos con amplificadores operacionales.

Algunas de las consideraciones más importantes incluyen:

  • Modo de operación: Los amplificadores operacionales pueden operar en modo lineal o en modo saturado. En modo lineal, el amplificador opera dentro de su rango de ganancia, mientras que en modo saturado, el amplificador está saturado y no puede amplificar la señal de entrada.
  • Polarización: Los amplificadores operacionales necesitan estar polarizados correctamente para que funcionen correctamente. Si el amplificador no está polarizado correctamente, puede haber distorsión de la señal de salida.
  • Realimentación: La realimentación es una técnica utilizada para controlar la ganancia de un amplificador operacional. Al agregar una resistencia o capacitancia en la salida del amplificador y conectándola de vuelta a la entrada, la ganancia puede ser controlada.

Sus características únicas, como la alta ganancia y la impedancia de entrada alta, los hacen ideales para amplificar señales de entrada débiles. Al analizar circuitos con amplificadores operacionales, es importante tener en cuenta consideraciones especiales como el modo de operación, la polarización y la realimentación.

Características de ganancia

En el mundo de la electrónica, la ganancia es uno de los conceptos más importantes. La ganancia se define como la relación entre la señal de salida y la señal de entrada de un circuito. En el caso de los amplificadores operacionales, la ganancia se refiere a la cantidad de amplificación que se aplica a la señal de entrada.

Tipos de ganancia

Existen diferentes tipos de ganancia que se pueden obtener en un amplificador operacional. A continuación, se describen los más comunes:

  • Ganancia de voltaje: se refiere a la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada de un circuito. Esta es la forma más común de ganancia en un amplificador operacional.
  • Ganancia de corriente: se refiere a la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada de un circuito. Esta ganancia se utiliza en aplicaciones donde se necesita amplificar una señal de corriente.
  • Ganancia de transconductancia: se refiere a la relación entre la corriente de salida y el voltaje de entrada de un circuito. Esta ganancia se utiliza en aplicaciones donde se necesita convertir una señal de voltaje en una señal de corriente.
  • Ganancia de transimpedancia: se refiere a la relación entre el voltaje de salida y la corriente de entrada de un circuito. Esta ganancia se utiliza en aplicaciones donde se necesita convertir una señal de corriente en una señal de voltaje.

Factores que afectan la ganancia

La ganancia en un amplificador operacional puede verse afectada por diferentes factores. A continuación, se describen algunos de los más comunes:

  • Frecuencia: la ganancia de un amplificador operacional puede variar con la frecuencia de la señal de entrada. En general, la ganancia disminuye a medida que aumenta la frecuencia.
  • Temperatura: la ganancia también puede verse afectada por la temperatura. En general, la ganancia disminuye a medida que aumenta la temperatura.
  • Impedancia de carga: la ganancia puede verse afectada por la impedancia de carga del circuito de salida. En general, la ganancia disminuye a medida que aumenta la impedancia de carga.
  • Impedancia de entrada: la ganancia puede verse afectada por la impedancia de entrada del circuito de entrada. En general, la ganancia disminuye a medida que aumenta la impedancia de entrada.

Importancia de la ganancia en el diseño de circuitos

La ganancia es un factor crítico en el diseño de circuitos electrónicos. En el caso de los amplificadores operacionales, la ganancia se utiliza para amplificar señales débiles y mejorar la precisión del circuito. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la ganancia también puede introducir ruido y distorsión en la señal de salida.

Por lo tanto, es importante seleccionar cuidadosamente el tipo de ganancia que se necesita para cada aplicación y ajustar la ganancia del amplificador operacional de manera adecuada para garantizar un rendimiento óptimo del circuito.

Características de ruido

En la electrónica, el ruido es una señal no deseada que se introduce en un circuito y puede afectar la calidad de la señal de salida. Las características del ruido varían dependiendo de la fuente y pueden ser diferentes para distintos tipos de circuitos. A continuación se presentan algunas de las características de ruido más comunes:

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Frecuencia

La frecuencia del ruido se refiere a la cantidad de ciclos por segundo en la señal de ruido. El ruido puede ser de alta frecuencia o de baja frecuencia, dependiendo de la fuente y de la forma en que se introduce en el circuito. Por ejemplo, el ruido de la línea eléctrica tiene una frecuencia de 50 o 60 Hz, mientras que el ruido térmico tiene una frecuencia mucho más alta, del orden de los gigahertz.

Amplitud

La amplitud del ruido se refiere a la intensidad de la señal de ruido. El ruido puede ser de alta amplitud o de baja amplitud, dependiendo de la fuente y de la forma en que se introduce en el circuito. Por ejemplo, el ruido térmico tiene una amplitud muy baja, mientras que el ruido de la línea eléctrica puede tener una amplitud muy alta en ciertas condiciones.

Distribución

La distribución del ruido se refiere a la forma en que la señal de ruido se distribuye en el tiempo. El ruido puede ser de distribución uniforme o de distribución no uniforme, dependiendo de la fuente y de la forma en que se introduce en el circuito. Por ejemplo, el ruido térmico tiene una distribución uniforme, mientras que el ruido de la línea eléctrica puede tener una distribución no uniforme en ciertas condiciones.

Tipos de ruido

Existen varios tipos de ruido que pueden afectar un circuito. Algunos de los tipos de ruido más comunes son:

  • Ruido térmico: Es el ruido que se produce debido a la agitación térmica de los electrones en un conductor. Este tipo de ruido es más común en circuitos de alta impedancia y tiene una distribución uniforme en el tiempo.
  • Ruido de intermodulación: Es el ruido que se produce cuando dos señales de frecuencia diferente se mezclan en un circuito. Este tipo de ruido puede causar distorsión en la señal de salida.
  • Ruido de la línea eléctrica: Es el ruido que se produce debido a las fluctuaciones en la tensión de la línea eléctrica. Este tipo de ruido puede tener una distribución no uniforme en el tiempo.

Las características del ruido varían dependiendo de la fuente y pueden ser diferentes para distintos tipos de circuitos. Es importante tener en cuenta estas características al diseñar y analizar circuitos electrónicos.

Características de distorsión

En un amplificador operacional, las características de distorsión son aquellas que afectan la fidelidad de la señal de salida en comparación con la señal de entrada. Estas características son importantes a la hora de elegir el amplificador adecuado para una aplicación específica.

Distorsión armónica total (THD)

La THD es una medida de la cantidad de armónicos presentes en la señal de salida en relación con la señal de entrada. Los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental de la señal y pueden ser causados por la no linealidad del amplificador. La THD se expresa como un porcentaje y debe ser lo más baja posible para una señal de alta calidad.

Intermodulación (IMD)

La IMD se produce cuando dos o más señales de entrada se mezclan en el amplificador y generan nuevas frecuencias no deseadas en la salida. Esto puede ser causado por la no linealidad del amplificador y debe ser minimizado para evitar la distorsión de la señal.

Slew rate

El slew rate es la tasa máxima a la que la señal de salida puede cambiar en respuesta a una señal de entrada. Si la señal de entrada cambia demasiado rápido, el amplificador no podrá seguir el ritmo y se producirá distorsión. El slew rate se expresa en voltios por microsegundo (V/μs) y debe ser lo suficientemente alto para evitar la distorsión.

Distorsión por cruce por cero

La distorsión por cruce por cero se produce cuando la señal de entrada cruza por cero y la salida no sigue el mismo patrón. Esto puede ser causado por la no linealidad del amplificador y puede ser minimizado mediante el uso de técnicas de compensación.

Distorsión de fase

La distorsión de fase se produce cuando la fase de la señal de salida no coincide con la fase de la señal de entrada. Esto puede ser causado por la no linealidad del amplificador y puede ser minimizado mediante el uso de técnicas de compensación.

Al elegir un amplificador, es importante considerar estas características y asegurarse de que sean adecuadas para la aplicación específica.

Características de distorsión

En un amplificador operacional, las características de distorsión son aquellas que afectan la fidelidad de la señal de salida en comparación con la señal de entrada. Estas características son importantes a la hora de elegir el amplificador adecuado para una aplicación específica.

Distorsión armónica total (THD)

La THD es una medida de la cantidad de armónicos presentes en la señal de salida en relación con la señal de entrada. Los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental de la señal y pueden ser causados por la no linealidad del amplificador. La THD se expresa como un porcentaje y debe ser lo más baja posible para una señal de alta calidad.

Intermodulación (IMD)

La IMD se produce cuando dos o más señales de entrada se mezclan en el amplificador y generan nuevas frecuencias no deseadas en la salida. Esto puede ser causado por la no linealidad del amplificador y debe ser minimizado para evitar la distorsión de la señal.

Slew rate

El slew rate es la tasa máxima a la que la señal de salida puede cambiar en respuesta a una señal de entrada. Si la señal de entrada cambia demasiado rápido, el amplificador no podrá seguir el ritmo y se producirá distorsión. El slew rate se expresa en voltios por microsegundo (V/μs) y debe ser lo suficientemente alto para evitar la distorsión.

Distorsión por cruce por cero

La distorsión por cruce por cero se produce cuando la señal de entrada cruza por cero y la salida no sigue el mismo patrón. Esto puede ser causado por la no linealidad del amplificador y puede ser minimizado mediante el uso de técnicas de compensación.

Distorsión de fase

La distorsión de fase se produce cuando la fase de la señal de salida no coincide con la fase de la señal de entrada. Esto puede ser causado por la no linealidad del amplificador y puede ser minimizado mediante el uso de técnicas de compensación.

Al elegir un amplificador, es importante considerar estas características y asegurarse de que sean adecuadas para la aplicación específica.

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Características de impedancia de entrada y salida

Los amplificadores operacionales son dispositivos electrónicos que se utilizan para amplificar señales. Para que funcionen correctamente, es importante considerar sus características de impedancia de entrada y salida.

Impedancia de entrada

La impedancia de entrada se refiere a la resistencia que presenta el amplificador operacional ante la señal que recibe. Esta característica es importante porque afecta la cantidad de corriente que fluye a través del amplificador y, por lo tanto, la señal que se amplifica.

Algunas características importantes de la impedancia de entrada son:

  • Alta impedancia de entrada: los amplificadores operacionales tienen una impedancia de entrada muy alta, lo que significa que no consumen mucha corriente de la señal de entrada. Esto es importante porque permite que la señal de entrada no se vea afectada por la carga que presenta el amplificador.
  • Impedancia de entrada constante: la impedancia de entrada de los amplificadores operacionales es constante en un rango de frecuencias. Esto significa que la señal de entrada no se ve afectada por cambios en la frecuencia.
  • Impedancia de entrada balanceada: algunos amplificadores operacionales tienen una impedancia de entrada balanceada, lo que significa que la impedancia de entrada es la misma para las señales positivas y negativas. Esto es importante porque evita que se produzcan distorsiones en la señal de entrada.

Impedancia de salida

La impedancia de salida se refiere a la resistencia que presenta el amplificador operacional ante la carga a la que se conecta. Esta característica es importante porque afecta la cantidad de corriente que puede entregar el amplificador y, por lo tanto, la señal que se amplifica.

Algunas características importantes de la impedancia de salida son:

  • Baja impedancia de salida: los amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida muy baja, lo que significa que pueden entregar mucha corriente a la carga sin afectar la señal amplificada.
  • Impedancia de salida constante: la impedancia de salida de los amplificadores operacionales es constante en un rango de frecuencias. Esto significa que la señal amplificada no se ve afectada por cambios en la frecuencia.
  • Impedancia de salida balanceada: algunos amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida balanceada, lo que significa que la impedancia de salida es la misma para las señales positivas y negativas. Esto es importante porque evita que se produzcan distorsiones en la señal amplificada.

La impedancia de entrada debe ser alta y constante para no afectar la señal de entrada, mientras que la impedancia de salida debe ser baja y constante para entregar la señal amplificada sin distorsiones.

Características de polarización

En un amplificador operacional, la polarización se refiere al voltaje que se aplica a los terminales de entrada para establecer el punto de operación del amplificador. Esto es importante porque el punto de operación afecta la precisión y estabilidad del amplificador.

Características de polarización

  • Impedancia de entrada: La impedancia de entrada es la resistencia que presenta un amplificador operacional a la entrada. Cuando se aplica un voltaje de polarización a la entrada, se puede crear una corriente de polarización que fluya a través de la impedancia de entrada. Si la impedancia de entrada es demasiado alta, la corriente de polarización puede provocar errores en la medición.
  • Corriente de polarización: La corriente de polarización es la corriente que fluye a través de las entradas del amplificador operacional cuando se aplica un voltaje de polarización. Esta corriente puede afectar la precisión de la señal de salida y debe ser minimizada para lograr una mayor precisión.
  • Offset de entrada: El offset de entrada se refiere a la diferencia de voltaje entre los terminales de entrada del amplificador operacional cuando no se aplica ningún voltaje de entrada. Esta diferencia de voltaje puede afectar la precisión de la señal de salida y debe ser eliminada o minimizada.
  • Offset de corriente: El offset de corriente se refiere a la corriente que fluye a través de las entradas del amplificador operacional cuando no se aplica ningún voltaje de entrada. Esta corriente puede afectar la precisión de la señal de salida y debe ser eliminada o minimizada.
  • Drift: El drift se refiere a la variación de la polarización con el tiempo y la temperatura. Si la polarización cambia con el tiempo o la temperatura, puede afectar la precisión y estabilidad del amplificador operacional.

Es importante tener en cuenta las características de polarización, como la impedancia de entrada, la corriente de polarización, el offset de entrada, el offset de corriente y el drift, para minimizar errores y lograr una mayor precisión en la medición.

En conclusión, el amplificador operacional es un dispositivo electrónico fundamental en la ingeniería y la electrónica. A través de su diseño y características, es capaz de amplificar señales, realizar operaciones matemáticas y actuar como un circuito de retroalimentación. Además, su versatilidad y facilidad de uso han hecho posible que se utilice en una amplia variedad de aplicaciones, desde la electrónica de consumo hasta la industria de la telecomunicación. Por lo tanto, es esencial para cualquier persona interesada en la electrónica tener un conocimiento sólido sobre las características del amplificador operacional.

En conclusión, las características del amplificador operacional son esenciales para su funcionamiento y desempeño en diferentes aplicaciones. Entre las características más importantes se encuentran la ganancia de voltaje, la impedancia de entrada, la impedancia de salida, la respuesta de frecuencia y la distorsión armónica. Además, la elección de un amplificador operacional adecuado dependerá de las necesidades específicas de cada proyecto o aplicación. En resumen, conocer las características del amplificador operacional es fundamental para su correcta utilización en diferentes circuitos y sistemas electrónicos.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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