OPAMP – Cap. 3 – Lazo abierto y Lazo cerrado

Los OPAMP son muy usados porque se adaptan a muchas aplicaciones de la electrónica analógica. En la mayoría de ellas trabajan por medio de la realimentación, pero pueden trabajar también sin ser realimentados.

En términos globales, los OPAMP pueden trabajar en lazo abierto y cerrado de acuerdo al circuito en el que se usen. A su vez los circuitos en lazo cerrado, pueden ser de realimentación positiva negativa, como se resume en el siguiente diagrama:

A continuación exploraremos estos modos de trabajo.

3.1 Funcionamiento en lazo abierto

Un OPAMP, tal como lo hemos visto hasta ahora, es solo un Amplificador diferencial de alta ganancia con dos entradas independientes.

En su forma general amplifica solo la diferencia de voltajes entre sus entradas:

Este circuito, que sería la conexión más simple de un OPAMP, es considerado una conexión en Lazo abierto. Se dice que es en lazo abierto o bucle abierto, porque la salida del OPAMP no se conecta de ninguna manera con la entrada.

En esta forma de trabajo, el OPAMP amplificará fuertemente el voltaje Vd. El factor de amplificación Ad depende del modelo de OPAMP, pero en general siempre será un muy alto, del orden de decenas o cientos de miles. Este valor, que se conoce como ganancia en lazo abierto, se puede obtener de las hojas técnicas del OPAMP, como se aprecia en la siguiente figura:

Lo que muestra la hoja técnica es en realidad, la amplificación de voltaje diferencial de señal larga, que es equivalente a la ganancia diferencial en lazo abierto, pero es más específico para señales de baja frecuencia o DC, además de que considera una carga a la salida del OPAMP. Se especifica en V/mV, pero se puede convertir a un factor haciendo la correspondiente división. Así para este uA741, tenemos que el valor típico es de 200000 (106db).

Se prefiere expresar la ganancia en DC, porque esta ganancia no es constante, sino que va decreciendo con la frecuencia.

Como se puede deducir de los datos técnicos la ganancia Ad que aplicará un OPAMP, no es exacta ni siquiera para un mismo modelo de OPAMP y tampoco tiene que serlo porque en este modo de trabajo no se espera precisión en la ganancia diferencial.

Cuando nos interesa tener control preciso sobre la ganancia del OPAMP, nunca se trabaja en lazo abierto sino en lazo cerrado, como veremos más adelante. Aún cuando se necesite un circuito de alta ganancia , la opción más sensata puede ser usar dos o más amplificadores en lazo cerrado en lugar de uno de lazo abierto. Así se puede predecir la ganancia final de forma precisa y se obtiene mayor estabilidad.

3.2 Ventajas y desventajas de los circuitos de lazo abierto

En comparación con los circuitos que usan OPAMP en lazo cerrado, se pueden listar algunas ventajas y desventajas.

VENTAJAS

• Ganancia. La principal ventaja que que nos proporcionan los sistemas de lazo abierto son que usan siempre la máxima ganancia que puede dar un OPAMP. Los sistemas de lazo abierto (al menos los de realimentación negativa) no pueden igualar a esta ganancia usando el mismo OPAMP.
• Impedancia. Como las entradas van conectadas directamente, proporcionan la máxima impedancia de entrada que puede dar un OPAMP. Aunque un circuito de lazo cerrado (como un seguidor de voltaje) también puede trabajar con la impedancia máxima. Pero la mayoría de sistemas de lazo cerrado tienen una impedancia menor y controlable.
• Simplicidad. Como no se requieren componentes adicionales de realimentación, un sistema de lazo abierto típico, usa menos componentes que uno de lazo cerrado para la misma función.

DESVENTAJAS

• Tienen una ganancia muy variable, lo cual limita su aplicación. Si bien es posible limitar la ganancia en lazo cerrado, no se puede predecir, con un margen razonable de precisión, cual será la ganancia que tendrá un OPAMP en lazo abierto aún sabiendo el modelo exacto.
• Requieren ajuste o calibración de los circuitos debido a la imprecisión en la ganancia. Esta desventaja es una consecuencia de la primera. Por eso, en algunos casos, como en los comparadores, solo sirven para medidas cualitativas no cuantitativas.
• Posible inestabilidad. Los amplificadores de muy alta ganancia son muy susceptibles a ruidos externos y también pueden producir oscilaciones indeseables. Este comportamiento no solo se aplica a un OPAMP. Cualquier sistema electrónico no realimentado de alta ganancia presenta cierto grado de inestabilidad.

3.3 Aplicaciones en lazo abierto

La mayor utilidad de los OPAMP se obtiene en circuitos de lazo cerrado. Sin embargo, existen algunos casos en donde puede resultar útil usar a los OPAMP en lazo abierto.

Una de las primeras aplicaciones que podríamos hacer con un OPAMP trabajando en lazo abierto podría ser cuando necesitamos amplificar voltajes muy pequeños y no nos interesa mucho la precisión de la ganancia.

Uno de estos casos podría ser usar un OPAMP con sensores de temperatura de tipo Termopares.

Este circuito tiene solo fines demostrativos porque en la práctica se debe considerar el ruido, la referencia a tierra que debería tener la entrada de un OPAMP, además de la corrección del voltaje de entrada, tal como se indica en el Capítulo 4.

Los termopares generan pocos microvoltios por grado centígrado, así que la amplificación diferencial considerable, que ofrece un OPAMP común, puede servir bien para estos fines. Como la ganancia en lazo abierto es difícil de predecir, una conexión como esta debería tener necesariamente una calibración o compensación posterior.

A pesar que que el lazo abierto con su ganancia alta nos ayuda para este caso. Siempre será preferible usar circuitos de lazo cerrado, cuando sea posible.

Otra de las aplicaciones en donde caen bien los OPAMP en lazo abierto son los comparadores. Un comparador típico tiene el siguiente diseño:

Existen diversas aplicaciones para los comparadores. Más información sobre los comparadores se dará en el Capítulo 7.

3.4 Funcionamiento en Lazo cerrado

Hacer funcionar a un OPAMP en lazo cerrado significa que de alguna forma estaremos realimentando al circuito. Eso es, tomar parte de la salida para introducirla, previamente procesada o no, en alguna entrada o en las dos.

Siendo estrictos, la realimentación en un OPAMP (y en cualquier sistema electrónico) puede hacerse de dos formas:

• Realimentación negativa. Consiste en introducir la señal de salida del OPAMP (de forma directa o procesada) como parte (o el total) de la entrada inversora.
• Realimentación positiva. Consiste en introducir la señal de salida del OPAMP (de forma directa o procesada) como parte (o el total) de la entrada no inversora.

La mayoría de aplicaciones de lazo cerrado se implementan con realimentación negativa. Por eso, salvo que se exprese lo contrario, cuando se habla informalmente de lazo cerrado, es seguro que se refiere a sistemas realimentados negativamente.

Los siguientes circuitos muestran tres casos de lazo cerrado con realimentación negativa:

Notar que, a diferencia de los circuitos de lazo abierto, en todos los casos estos circuitos tienen algún tipo de conexión a la entrada. Cuando la conexión es a la entrada no-inversora, se dice que hay realimentación negativa.

El lazo cerrado, con realimentación negativa, tiene como desventaja que no proporciona la ganancia máxima que puede dar un OPAMP, pero un circuito realimentado negativamente es mucho más estable que su equivalente en lazo abierto.

3.5 Ventajas y desventajas de los circuitos de lazo cerrado

Las ventajas y desventajas de los circuitos en lazo cerrado con OPAMP, en comparación con los de lazo abierto, se deducen de lo indicado en la sección 3.2.

DESVENTAJAS

• Ganancia. Los circuitos de lazo cerrado, con realimentación negativa, que es donde más se usan los OPAMP, tienen inherentemente menos ganancia que los de lazo abierto. Solo en casos de realimentación positiva se puede lograr ganancia adicional.
• Impedancia de entrada. En muchos casos, existe una disminución considerable de la impedancia de un circuito con OPAMP por causa de la realimentación negativa.
• Complejidad. Los circuitos de lazo cerrado requieren componentes adicionales para lograr la realimentación, de la salida.

VENTAJAS

• Ganancia precisa y controlable. En lazo cerrado es posible configurar la ganancia de amplificación, independientemente de la ganancia del OPAMP (excepto porque no debe ser mayor), con una precisión solo limitada por la precisión de los componentes externos.
• Estabilidad de la ganancia. La ganancia de un amplificador construido con un OPAMP en lazo cerrado, es independiente de las variaciones de la alimentación o de la temperatura aplicada al OPAMP. La ganancia solo depende de los componentes de la malla de realimentación.
• Estabilidad general. Como cualquier sistema realimentado negativamente, el circuito en general, obtiene mayor estabilidad que si no estuviera realimentado.

Una ventaja adicional de los sistemas realimentados negativamente, es que se compensa el Voltaje de offset de entrada, de forma que, salvo casos muy especiales, este valor es intrascendente en el diseño de circuitos con OPAMP.

El problema de la disminución de la ganancia, en lazo cerrado se puede solucionar fácilmente acoplando más operacionales en serie para multiplicar la ganancia total. El problema de la impedancia se puede solucionar, también, agregando una etapa más a la entrada. Es por ello que las desventajas de los circuitos de lazo cerrado no constituyen un gran inconveniente y solo se justifica el uso de sistemas de lazo abierto para casos específicos.

3.6 Realimentación positiva

La realimentación positiva es un caso especial de los circuitos de lazo cerrado construidos con OPAMP. A nivel de circuito, son muy similares a los de lazo cerrado, con la diferencia de que la realimentación se realiza con la entrada no-inversora.

El siguiente circuito muestra un circuito típico de OPAMP con realimentación positiva:

El circuito mostrado toma una parte de la señal de salida a través de R1 y R2, y la inyecta a la entrada no-inversora. Eso lo convierte en un circuito con realimentación positiva. Es cierto que también existe una derivación de la salida, a través de R3 y C1, a la entrada negativa, pero eso no le quita el carácter de ser positivamente realimentado.

De hecho mezclar la realimentación positiva con algo de realimentación negativa es lo que le da utilidad al circuito, porque un circuito con realimentación positiva pura, difícilmente podrá hacer algo más que saturarse.

La realimentación positiva tiende a aumentar la ganancia del OPAMP, que ya de por sí es alta, pudiendo generando mayor inestabilidad. Un sistema con mucha ganancia, si no se controla adecuadamente, puede generar oscilación o interferencia. Hay amplificadores que aprovechan esta característica como los receptores regenerativos de radio, pero son circuitos que requieren calibración precisa.

La realimentación positiva no es el caso más común de circuito y se usa casi exclusivamente para la construcción de circuitos biestables o circuitos osciladores, como es el caso del circuito de la Figura 3.7. En el capítulo 13 se analiza con más detalle el funcionamiento de un oscilador, como el aquí mostrado,

3.7 Aplicaciones de lazo cerrado

Los circuitos en lazo cerrado son los más usados de entre todas las aplicaciones de los OPAMP. Algunos de los circuitos que se pueden construir usando lazo cerrado son:

• Amplificadores de señales DC o de baja frecuencia (salida de sensores, video o señales digitales).
• Amplificadores de señales AC (audio o RF de baja frecuencia).
• Seguidores de voltaje.
• Mezcladores
• Rectificadores activos.
• Filtros.
• Amplificadores diferenciales.
• Computadoras analógicas.
• Biestables (Realimentación positiva)
• Osciladores (Realimentación positiva)

Esta lista no es exhaustiva. Incluye solo a las configuraciones más conocidas. Cabe aclarar que no se listan las aplicaciones en los que se usan los OPAMP en lazo cerrado, sino simplemente los tipos de circuitos.

Muchos de estos circuitos se tratarán en los siguientes capítulos de esta obra.

3.8 Ejercicios

EJERCICIO 1. ¿Qué tipo de conexión usaría (Lazo abierto o lazo cerrado) para amplificar la señal de un sensor que tiene una salida de 0 a 100 microvoltios? Justificar la respuesta.

EJERCICIO 2. ¿Qué tipo de sistema (Lazo abierto o lazo cerrado) puede proporcionar mayor ganancia en un amplificador?

EJERCICIO 3. ¿Qué tipo de sistema (Lazo abierto o lazo cerrado) usaría para construir un amplificador de audio?

EJERCICIO 4. ¿Qué ventaja ofrece un circuito con realimentación positiva, con respecto a uno que usa realimentación negativa?

EJERCICIO 5.