OPAMP – Cap. 1 – Generalidades

1.1 Introducción

Los Amplificadores Operacionales, también conocidos por sus siglas en ingles OPAMP, son probablemente los circuitos más útiles y flexibles en electrónica analógica, y aún, en los tiempos de la digitalización, se les encuentra presentes de forma obligatoria en amplificadores de audio, instrumentación electrónica, en sensores o, inclusive, como parte interna de muchos modelos de microcontroladores.

A diferencia de los componentes activos discretos, un OPAMP trabaja de forma lineal en todo su rango de trabajo, y es esta linealidad constante lo que los hace muy útiles para implementar diversidad de circuitos electrónicos.

La parte inicial de su nombre «amplificador» no le hace honor a su nombre, pues la amplificación es solo una de las funciones que es posible implementar con los OPAMP. La segunda parte de su nombre «operacional» es un recordatorio de sus posibilidades, pues estos dispositivos nos permiten implementar circuitos que pueden realizar una variedad de operaciones matemáticas, como la suma, resta o multiplicación.

Los OPAMP reales son circuitos que se acercan bastante bien a un circuito ideal, por lo que su análisis se simplifica en comparación a dispositivos no lineales. No obstante, se puede incurrir en muchos errores en la implementación de circuitos, debido principalmente a la forma peculiar en que se maneja la línea de tierra del OPAMP.

La presente obra es el producto de años de experiencia del autor trabajando con Amplificadores Operacionales en diversos campos de la industria electrónica.

1.2 Un amplificador de dos entradas

Los amplificadores son circuitos electrónicos que producen el aumento proporcional de una magnitud electrónica como el voltaje, la corriente o la potencia.

En la presente obra nos centraremos en el estudio de los amplificadores de voltaje, de modo que, a menos que se indique lo contrario, estaremos siempre refiriéndonos a amplificadores de voltaje. De todas formas, al ser el voltaje proporcional a la corriente, en la mayoría de casos los amplificadores de voltaje se comportarán también como amplificadores de corriente y de potencia.

Un amplificador común (de un solo canal), como un amplificador de audio, tiene el siguiente esquema:

Un circuito como este nos podría hacer pensar que todos los amplificadores tienen una sola entrada (y una sola salida), sin considerar la línea de tierra.

En realidad, todos los amplificadores tiene dos líneas de entrada, solo que la mayoría de ellos trabajan con una de las líneas conectadas a tierra, como el que se aprecia en la Fig. 1.

Consideremos ahora un amplificador que tenga accesible las dos líneas de entrada y las dos líneas de salida. Su esquema sería el siguiente:

Un amplificador como este, que presenta a la salida la diferencia de voltajes multiplicada por una ganancia «g», es llamado también Amplificador Diferencial, y es la base del concepto de un OPAMP.

En la Figura 2 se aprecia que la salida de voltaje obtenida también se entrega como una diferencia de potencial entre los terminales de salida, pero en la práctica, uno de los terminales de salida se encuentra conectada a la tierra del amplificador, por simplicidad y porque esta es la forma más práctica de interconectar equipos. Por lo tanto, podemos también trabajar con un amplificador diferencial como el siguiente:

Si a este amplificador le dotamos de una ganancia «g» muy alta y le cambiamos el símbolo, obtenemos lo que se llama Amplificador Operacional, y se representa de la siguiente forma:

Y eso es todo. Un OPAMP es solo un amplificador diferencial de dos entradas, con una ganancia muy alta (Infinita en un OPAMP ideal). A la entrada marcada como «-» se le llama Entrada inversora, mientras que a la entrada marcada como «+» se le llama Entrada no inversora.

A diferencia de la mayoría de amplificadores, que se alimentan con una línea de tierra (GND) y una línea Vcc o V+, la alimentación de un OPAMP tiene una línea de alimentación positiva V+ y una línea de alimentación negativa V-. Una observación importante es que no existe una conexión directa a tierra en el OPAMP y esto puede ser confuso y desconcertante a primera vista, pero existe una buena justificación a esta aparente falta y se describirá en el Capítulo 5.

1.3 Construcción

Los Amplificadores Operacionales, se pueden construir usando componentes discretos como transistores o tubos al vacío. Un OPAMP con transistores puede ser tan simple como el que se muestra en el siguiente diagrama:

Sin embargo, para tener mejores prestaciones, se deben incluir más componentes y etapas. De modo que resulta más cómodo tener todo el OPAMP en un Circuito integrado. Existen diversos OPAMP que vienen en un cómodo empaque de Circuito Integrado que se adaptan para casi cualquier aplicación. En la actualidad, ya casi no se se usan Amplificadores Operacionales creados con componentes discretos.

El OPAMP integrado más famoso, y el primero que salió al mercado es el 741. Se le encuentra bajo diferentes denominaciones (como uA741, SA741, LM741 o LM741CN, ) dependiendo del fabricante y las características adicionales.

Físicamente, el 741 puede venir en diversos encapsulados. Algunos de ellos se muestran en la siguiente figura:

Internamente, el CI 741 incluye diversos componentes, como se muestra en la siguiente figura:

El 741 ofrece prestaciones mínimas y es suficiente para las aplicaciones electrónicas no exigentes. Pero existen diversos OPAMP que ofrecen mejores características como los TL081 de alta impedancia, El TL071 con alto rechazo al modo común, el LM321 con compensación interna, o el LM7301 que trabaja de «riel a riel».

1.4 Características

Un Amplificador Operacional ideal tendría ciertas características eléctricas deseables:

1. Impedancia de entrada infinita.
2. Impedancia de salida cero.
3. Ganancia de voltaje infinita.
4. Ancho de banda desde 0Hz (DC) a infinito.
5. Alimentación desde 0V hasta infinito.
6. Rango de voltaje de entrada de menos infinito a infinito.
7. Inmunidad total al modo común.
8. Offset de entrada de 0V.

Esta lista no es exhaustiva o completa. Solo incluye a algunos parámetros más comunes de los OPAMP. En realidad, todas estas características, con excepción de la 6, 7 y 8, son deseables en todo amplificador electrónico.

Los Amplificador Operacionales reales no cumplen ninguna de estas características pero tratan de acercarse a los valores ideales. Por ejemplo el OPAMP TL081 tiene las siguientes características:

1. Impedancia de entrada: 10^12 ohmios.
2. Impedancia de salida: 75 ohmios.
3. Ganancia de voltaje: 94dB típica.
4. Ancho de banda: 3MHz con ganancia unitaria.
5. Alimentación: Hasta +-18V.
6. Rango de voltaje de entrada: En todos los casos debe estar en el rango [-V, +V].
7. Rechazo al modo común: 86db típico.
8. Offset de entrada: <15mV

A este nivel, no es necesario entender lo que significa cada parámetro. La mayoría de los parámetros son comunes a todos los amplificadores electrónicos de voltaje. Solo algunos, como el Rechazo al Modo Común o el Voltaje de Offset de Entrada, serán explicados más adelante.

1.5 Comparación con los amplificadores de audio

Como puede que resulte más familiar el uso de amplificadores de audio, analicemos a los Amplificadores Operacionales en comparación con una amplificador de audio común.

Los amplificadores clásicos, como los usados en amplificadores de audio, solo tienen una entrada de señal, y aunque estrictamente no son Amplificadores Operacionales, podrían verse también como Amplificadores Operacionales con ganancia reducida (O Amplificadores Diferenciales) en los que una entrada está siempre conectada a tierra:

Otra de las diferencias de los amplificadores de audio con los Amplificadores Operacionales está en el ancho de banda. Un OPAMP suele tener un ancho de banda que empieza en 0 Hz, es decir, que puede amplificar corriente continua. De allí su utilidad en aplicaciones de instrumentación.

Consideremos que tenemos ahora una amplificador DC clásico, con una sola entrada y una salida, como el mostrado en la figura 2. ¿No nos bastaría este amplificador para usarse como Amplificador Operacional?

Pues en principio sí, pero habría que tener en consideración el problema de asilamiento o separación de tierras de las entradas.

La utilidad de un OPAMP está en que no hay que preocuparse por la separación de tierras.

En una aplicación común de audio (al igual que en video, RF o sistemas digitales), se trabaja con una tierra común y esto garantiza la interconectividad de diversos equipos en todo el sistema electrónico distribuido. Tener una tierra común garantiza que existe un único punto de referencia en todos los circuitos. Esto ayuda al diseño, interconexión y protección.

Como ejemplo, consideremos un sistema de amplificación para micrófono que incluye un ecualizador:

En esta cadena de audio, todos los bloques representan equipos separados pero todos ellos comparten eléctricamente la misma tierra. Esto es válido independientemente de si existe o no una conexión de toma a tierra en la línea eléctrica.

Para garantizar que todos los equipos comparten la misma tierra, los cables que los interconectan incluyen la línea de tierra también. Sería posible inclusive que, si todos los equipos tuvieran conexión al mismo pozo de tierra, estos se pudieran conectar con un cable de un solo hilo. En la práctica sin embargo, siempre se incluye la línea de tierra en el cable de interconexión, porque:

• No se puede garantizar que todos los equipos de la cadena de audio tenga conexión a alguna toma de tierra del local.
• Porque la tierra física (la que nos ofrece un pozo de tierra) no es un buen conductor, en comparación con un cable.
• Para evitar que las interferencias que existen en la tierra física (corrientes parásitas, o de fuga por los innumerables equipos conectados a tierra) entren como ruido en la cadena de audio.
• Para proteger la línea sensible de señal con un cable protector. De otra forma, hasta acercar la mano a un cable de señal unifilar podría generar interferencias en el audio.
• Para proteger al equipo de voltajes peligrosos en la entrada o salida. Si bien no es totalmente efectivo, el incluir el cable de tierra en los cables de interconexión, protege al equipo de corrientes accidentales, si los cables chocan con alguna parte electrizada, es mejor derivar la corriente a tierra, en lugar de derivarla entrar a una entrada o salida del equipo.

La función de protección del cable de señal se puede apreciar en la forma de los conectores y cables clásicos de audio como el conector RCA que protege al punto de señal con el blindaje de tierra.

A pesar de que usar la tierra del sistema, como cable adicional, es una mala idea para los sistemas de audio, video, RF o circuitos digitales, existen aplicaciones en las que sí resulta práctico este tipo de conexión. Algunas de ellas son:

• En los dispositivos conectados dentro de un automóvil. El chasis de los automóviles es un buen conductor y su uso como conductor eléctrico permite ahorrar un cable adicional de alimentación.
• En los nuevos sistemas de transmisión de energía eléctrica DC, conocidos como HVDC. En estos sistemas los costos de reducción de una línea eléctrica son considerables y en algunos casos es posible usar la tierra física como cable adicional.

Evaluación

EJERCICIO 1. Responder ¿Cuál sería a su criterio la diferencia entre un Amplificador Operacional y un Amplificador Operacional?

EJERCICIO 2. Si se tiene un amplificador diferencial con ganancia 30. Y el voltaje de cada entrada es V1 = 0.22V y V2 = -0.1V. ¿Cuánto es el voltaje de salida?

Solución:

Aplicamos la fórmula del voltaje de salida de un amplificador diferencial y reemplazamos los valores.

V_o = g( V_2 - V_1)\\
V_1 = 0.22V \\
V_2 = -0.1V \\
g = 30 \\
V_o = 30.(-0.1V-0.22V)\\
V_o = 30.(-0.32V)\\
V_o = -9.6\\

EJERCICIO 3. Si en las características técnicas de un OPAMP se indica que su ganancia es de 85dB, ¿a cuánto equivale ese valor como factor o número adimensional?

Solución:

Ganancia_{db} = 20. \log_{10}(Ganancia_{factor})\\
85 = 20. \log_{10}(Ganancia_{factor})\\
4.25 = \log_{10}(Ganancia_{factor})\\
Ganancia_{factor} = 10^{4.25} \\
Ganancia_{factor} = 17782

En la práctica, no se usa tanta precisión al expresar la ganancia como un valor adimensional, sino que se aproximaría a 17800 o inclusive a 18000.