OPAMP – Cap. 5 – Alimentación y tierra

Una de las características singulares de los Amplificadores Operacionales es la forma en que se alimentan y cómo usan la línea de tierra como referencia eléctrica para la entrada y salida.

Aquí, cuando digamos «conexión a tierra» no nos referimos a que haya una verdadera conexión eléctrica a un pozo de tierra o a alguna conexión física a la tierra, sino que nos referimos a la línea de alimentación eléctrica que se usa como referencia común en los circuitos electrónicos.

5.1 Alimentando al OPAMP

En principio, no hay nada especial en alimentar a un OPAMP. Solo hay que considerar los valores mínimos y máximos del voltaje de alimentación, que se pueden leer de la hoja técnica del OPAMP.

La siguiente figura muestra la sección de los datos técnicos que indican los límites superior e inferior de la alimentación del OAPMP uA741:

Esta tabla nos indica que la alimentación mínima que se recomienda, para este OPAMP, es de +-5V, mientras que la alimentación máxima es de +-15V. Clásicamente, este OPAMP se alimenta con +-12V, pero se podría usar cualquier otro valor, siempre que se encuentre en el rango indicado.

Ahora, si se desea un OPAMP con posibilidad de alimentarse a un voltaje más pequeño, se puede usar algo como el LM324, o similares, que pueden trabajar con voltajes tan bajos como +-1.5V.

Una recomendación importante, especialmente en aplicaciones en donde se usará el OPAMP para amplificar señales analógicas débiles, es usar un filtrado adicional para el OPAMP, que lo separe de la alimentación principal.

El siguiente fragmento de circuito, que pertenece a un equipo de procesamiento de audio, ilustra esta situación:

Notar que la alimentación, después de rectificada y filtrada con C1, pasa a ser lo que se llama «Alimentación Principal», pero se usa otra red de filtrado RC con R1 y C2 para obtener un segunda fuente de alimentación más estable que se usará para alimentar a los OPAMP. De esta forma protegemos a los OPAMP de posibles interferencias (que se pueden generar en la alimentación principal) que puedan llegar por la línea de alimentación.

La red de filtrado conformado por R1 y C2, se comporta como un filtro pasa bajos clásico, y su efectividad en el rechazo de interferencias se puede calcular como en el caso de cualquier filtro de ese tipo. Pero el análisis formal, debería considerar la impedancia del circuito completo que alimenta y no solo a R1.

5.2 El consumo de corriente

Otro parámetro que puede resultar importante, con respecto a la alimentación, es el consumo de corriente, que también se encuentra en las hojas del datos técnicos. Este valor suele ser bajo, del orden de 3 o 4 mA en un OPAMP típico, así que no suele ser un problema en los diseños, incluso en equipos alimentados por batería.

Hay que aclarar que el valor leído de consumo, suele ser solo del Operacional sin ninguna carga conectada a la salida, a menos que se indique lo contrario.

Si buscamos un OPAMP de bajo consumo, podemos optar por un modelo especial como el LTC6258, que tiene un consumo típico de 20uA por Operacional.

No obstante, hay que dejar en claro que, el consumo total de un circuito que usa un OPAMP, no es solo el consumo del OPAMP en sí, sino el consumo de todo el circuito completo. Por eso, si buscamos un diseño de bajo consumo, necesitamos que todo el circuito sea de bajo consumo.

Consideremos por ejemplo los siguientes amplificadores con OPAMP:

Estos circuitos son amplificadores de voltaje y, en principio, hacen exactamente lo mismo: Obtienen a la salida un voltaje que es 10 veces mayor al voltaje de entrada.

Si embargo, el primero usa una combinación de resistencias (en la red de realimentación) de más bajo valor, lo que originará que, en funcionamiento normal, el primer circuito tendría un consumo mayor que el segundo.

Aunque el análisis eléctrico formal es un poco más elaborado, esta diferencia en consumo se puede identificar fácilmente, observando que en el primer caso, hay una carga resistiva más baja a la salida.

5.3 ¿Y la línea de tierra?

Siempre se nos dice que, para alimentar un OPAMP, necesitamos una fuente de alimentación simétrica, que se compone de 3 líneas de alimentación: El positivo, el negativo y la tierra.

Pero, si somos observadores y miramos el encapsulado de un OPAMP clásico, veremos que no existe un pin para conectar la línea de tierra (GND) de la alimentación. Solo veremos las líneas dedicadas a la alimentación positiva y negativa.

Y eso no es todo. Si miramos cualquier circuito electrónico que use OPAMP, nunca vemos la conexión eléctrica a tierra. Observemos, por ejemplo, el siguiente circuito:

¿Dónde está la línea de GND del OPAMP?

La realidad es que no existe una línea de tierra o GND en un OPAMP común. El motivo: No se necesita.

Y no es solo que no sea necesario, sino que su carencia es más bien una fortaleza, como iremos viendo en las secciones siguientes.

5.4 Alimentación en lazo abierto

Consideremos que tenemos una fuente simétrica de +-12V y alimentamos un OPAMP en lazo abierto:

Una observación notoria es que cuando se alimenta a un OPAMP en lazo abierto, en esta forma, no se usa la conexión a tierra. Desde el punto de vista del OPAMP, se le está alimentando con 24V.

Se podría pensar que la salida debería estar relacionada a tierra, en cuyo caso tendríamos la siguiente situación:

Pero nuevamente vemos que el OPAMP está totalmente desconectado de tierra. Y no es que estemos escondiendo la conexión, realmente es así como se alimentaría este circuito.

Aquí podría caber la pregunta: Si el OPAMP no tiene una conexión a la línea de tierra ¿Cómo sabe que voltaje poner en la salida para que sea consistente con respecto a tierra?

La respuesta corta es que no lo sabe. No hay un divisor de voltaje adentro del OPAMP para obtener el voltaje de GND. Es por eso que aún en modo común, poniendo las entradas a tierra, es casi seguro que la salida estará volando sobre o por debajo de tierra. Para obtener el verdadero valor de 0V se necesitaría un ajuste del offset de entrada, como se explicó en el Capítulo 4.

Este ajuste del offset es más bien una calibración del OPAMP para ajustar el valor cero del voltaje de salida. Y, como se puede deducir, lo podríamos ajustar a cualquier valor, no solo a 0V. Así podríamos tener al OPAMP trabajando con fuente asimétrica como se explica en la sección 5.6.

Si usamos al OPAMP como comparador (como se suele usar en lazo abierto), la verdad es que no nos interesa calibrar la salida porque esta nunca debería estar en 0V, sino que debería saturarse a +12V o a -12V.

En conclusión. Una referencia a tierra en lazo abierto, no es necesaria, salvo que sea por seguridad del OPAMP o para asegurarse que no nos vamos a salir del rango del voltaje de entrada, como se explica en la sección 4.1.

5.5 Alimentación en lazo cerrado

Los circuitos en lazo cerrado tampoco necesitan conectar al OPAMP a tierra. Al menos no directamente. Observemos el siguiente circuito que corresponde a un seguidor de voltaje

Este circuito tiene como característica que presenta a la salida, el mismo voltaje que el voltaje de entrada (con un error igual al offset de entrada del OPAMP).

En este caso tampoco hay conexión a tierra en ninguna parte del circuito, porque no se necesita. Si queremos que la salida tenga un potencial de 0V, solo basta con poner la entrada a 0V. La salida se moverá en todo el rango que permita el OPAMP y el voltaje de la entrada no-inversora.

Consideremos ahora otro tipo de circuito clásico con un OPAMP, el amplificador no-inversor:

La particularidad de este tipo de circuitos es que sí existe una conexión a tierra, aunque esa conexión no sea directamente al OPAMP. La mayoría de circuitos en lazo cerrado tienen esta característica: Hay al menos una conexión a tierra a alguna de las entradas, mediante una red resistiva o con algún otro tipo de componentes.

Aquí podría caber la misma pregunta que se hizo en la sección 5.2: Si el OPAMP no tiene una conexión directa a tierra ¿Cómo sabe qué voltaje poner en la salida para que esta sea consistente con respecto a tierra?

La respuesta es la misma: No lo sabe. El OPAMP solo se deja llevar. El OPAMP seguirá tratando de amplificar el voltaje diferencial, pero al intentar desplazar la salida, subiendo o bajando el voltaje, también influenciará en la entrada inversora, produciendo que el circuito entre en un punto de equilibrio, haciendo que el voltaje diferencial tienda a cero. Cuando el OPAMP esté en equilibrio, el voltaje de salida estará referenciada a tierra, de forma proporcional al voltaje de entrada (con respecto a tierra).

Mayor explicación sobre este tipo de amplificadores se dará en el Capítulo 8, pero lo que se quiere dejar en claro aquí, es que la salida de un OPAMP realimentado negativamente se ubica automáticamente de acuerdo a la red de realimentación que tenga con la entrada negativa. Así obtiene su referencia exacta a tierra, siempre que la entrada esté también referenciada a la misma tierra.

Así, aunque parezca extraño, un OPAMP puede trabajar correctamente sin tener una conexión directa a tierra, usando solamente la red de realimentación correctamente referenciada a tierra.

Conforma vayamos estudiando algunas configuraciones que se pueden construir con OPAMP, iremos entendiendo mejor cómo es que los OPAMP pueden producir voltajes de salida muy precisos (con respecto a tierra), a tal punto que se les usa como el corazón de las computadoras analógicas.

5.6 Ejercicios

EJERCICIO 1. ¿Cuáles son los parámetros que debemos tener en cuenta en la alimentación de un Amplificador Operacional?

EJERCICIO 2. ¿Cómo disminuir el consumo de corriente de un circuito que usa un OPAMP? Explicar.

EJERCICIO 3. ¿Por qué no existe un pin de conexión a tierra en los OPAMP? Justificar.

EJERCICIO 4. En el siguiente circuito, si los datos técnicos del OPAMP indican que consume 3mA sin carga, y la resistencia R1 es de 1K, ¿cuál es la corriente máxima que puede consumir este circuito?