OPAMP – Cap. 6 – Alternativas de Alimentación

La alimentación es uno de los temas que más problemas pueden generan en quienes se enfrentan por primera vez con circuitos que usan OPAMP y en algunos casos terminan complicando su diseño y usando más componentes de los necesarios.

Alternativamente, a la fuente de alimentación simétrica, se pueden usar formas alternativas de alimentación para el OPAMP. Algunas de estas formas se describen a continuación.

6.1 Alimentación con fuente única

Ya hemos visto, anteriormente, cómo es que los OPAMP se alimentan con una fuente simétrica, prescindiendo de la línea de tierra, de modo que solo se conectan a las líneas activas +Vcc y -Vcc.

También vimos que, en algunos casos, la línea de tierra no se usa para nada, dejando al OPAMP alimentado únicamente por dos líneas, como en el caso de una de alimentación sencilla (GND y +Vcc).

Una forma de enfrentar el problema de alimentación de un OPAMP es pensar que su alimentación es única y que, por ejemplo cuando nos dicen que se le está alimentando con +-12V, en realidad se le está alimentando con 0V y 24V.

En la práctica no hay diferencia eléctrica en pensar de una u otra forma. Dicho de otra manera, los siguientes circuitos son equivalentes:

Esta equivalencia es un concepto muy importante, y se debe tener presente a la hora de diseñar circuitos que usen OPAMP.

Estos dos circuitos son totalmente equivalentes desde el punto de vista del OPAMP. El OPAMP no tiene forma de saber (y nunca lo sabrá) en qué tipo de conexión está.

Aunque para el OPAMP no haya diferencia en la conexión, para nosotros, usuarios del circuito, hay una consideración muy importante que debemos tener en mente. Invito al lector a reflexionar un momento. ¿Cuál sería la diferencia, desde el punto de vista de uso, entre los circuitos mostrados en la Figura 6.1?

La respuesta es: Que en el primer caso, el voltaje de entrada está referenciada a GND, mientras que en el segundo caso, la entrada (y también la salida) debe estar referenciada a +12V, si esperamos obtener los mismos resultados.

El siguiente esquemático muestra la conexión completa de entrada y salida del mismo amplificador, en donde queda claro que hay una referencia de 12V para la entrada y salida.

Si entendemos correctamente esta equivalencia eléctrica, ya estamos listos para diseñar mejores circuitos con Amplificadores Operacionales.

6.2 Tierra artificial

En la sección anterior vimos cómo podríamos alimentar un OPAMP con fuente de alimentación única (Figura 6.1), pero todavía seguíamos usando una fuente adicional de 12V.

¿Podemos prescindir de esa fuente? ¡Claro que sí! Solo hay que suplirla de alguna forma.

Primeramente, tal vez alguien pensó que bastaría con simplemente eliminar dicha fuente y referenciar la entrada a tierra, de la siguiente forma:

Aquí habría que aclarar que, si bien un circuito como este podría funcionar, estaría restringido por las limitaciones del OPAMP. Primeramente la entrada debería ser siempre positiva, y si es que el OPAMP no es de tipo «rail to rail», difícilmente funcionará con niveles bajos de voltaje.

Salvando esta solución incompleta, pasamos a implementar una solución más flexible. El siguiente circuito usa un divisor resistivo para proveer los 12V de referencia para la entrada:

El divisor resistivo formado por R3 y R4 (que deberían ser iguales) proporcionan el voltaje de +12V requeridos por el OPAMP. A este voltaje de +12V, creado en el circuito, le llamo «Tierra Artificial», porque es como una línea de tierra para el OPAMP.

De esta forma logramos alimentar al OPAMP con una fuente de alimentación sencilla, valiéndonos de un simple divisor resistivo que, en términos monetarios solo representará unos cuantos centavos más en componentes.

No olvidar que la referencia de voltaje para la entrada y salida es de 12V en este amplificador, y no tierra. Esto es importante, especialmente si se trabaja con señales DC.

La función de C1 es estabilizar el voltaje de 12V ante variaciones de la carga, y proporcionar unos 12V más estable.

¿Así de simple?

No es tan simple. Nada es del todo perfecto.

Primeramente debemos dimensionar correctamente los valores de R3 y R4 a partir de la corriente que requiere el OPAMP de la línea de 12V. Para ello podemos hacernos la siguiente pregunta: ¿Cuánta corriente pasa por la línea de tierra?

Este valor requiere conocer algo de análisis de circuitos con OPAMP (que se hará en los siguientes Capítulos), pero por ahora podemos asumir que ese consumo máximo es:

I_{max} = \frac{12V}{(R1+R2)} 

Un análisis completo del diseño del divisor resistivo (incluyendo el filtro C1) sería muy extenso, pero a grandes rasgos, mi sugerencia sería diseñar un divisor resistivo que pueda proporcionar al menos 10 o 20 veces la corriente mínima requerida.

Una forma de simplificar el cálculo sería darle al divisor resistivo una resistencia de Thevenin que sea 10 o 20 veces menor que la que ve la fuente de 12V en el circuito del OPAMP, que en nuestro caso sería (R1+R2). Un cálculo simple nos daría que R3 y R4 deberían valer menos de (R1+R2)/5. En la práctica, no se tiene que ser tan preciso, pues el filtro C1 mejora considerablemente la capacidad de corriente del divisor.

Se podría tomar valores mucho más bajos que los obtenidos de este cálculo para mejorar la corriente que puede proporcionar nuestro divisor resistivo, pero valores muy bajos de resistencia para R3 y R4 implicarían un consumo adicional de corriente de la fuente de alimentación, además de requerir, posiblemente, resistencias de mayor potencia. Estos son los inconvenientes de siempre que tienen los divisores resistivos cuando se les pretende usar como fuentes de alimentación.

El siguiente circuito pertenece a un equipo real, que diseñé para detectar niveles en una línea telefónica. Notar que el los OPAMP se alimentan con una fuente simple y usan un divisor resistivo para proporcionar el punto de referencia A, que funciona en forma de «tierra artificial»:

Una opción más elaborada, y que puede ahorrarnos problemas de cálculo, sería usar un estabilizador de voltaje como el 7812 o similar. Así nos olvidamos de los cálculos para el divisor a costa de usar un componente un poco más caro.

No confundir el concepto de «Tierra Artificial» con el de «Tierra Virtual» que también se suele usar dentro de la terminología aplicada a los OPAMP.

Una «Tierra virtual» en un OPAMP, se refiere a la condición que adquiere una de sus entradas, de mantener un potencial igual (o muy cercano) al de tierra, por efecto de la realimentación negativa, cuando la otra entrada está conectada a tierra. El siguiente diagrama muestra un caso de tierra virtual producida en la entrada inversora:

El voltaje de Vin- se mantendrá en el mismo valor que tiene Vin+ (tierra) mientras la realimentación funcione y el OPAMP no entre en saturación.

En un caso más general, se habla de «cortocircuito virtual» o «corto virtual», el efecto de mantener el mismo potencial en las entradas de un OPAMP, por efecto de la realimentación negativa.

6.3 Alimentación asimétrica

Después de lo visto en las secciones anteriores, podemos ahora entender que no existe un punto de referencia absoluto para tierra dentro de OPAMP y que el uso de una fuente simétrica es solo una conveniencia para facilitar el diseño de ciertas configuraciones con los OPAMP.

Por ello es posible usar cualquier voltaje para referenciar la entrada (y por o tanto la salida) de un OPAMP en lazo cerrado.

Consideremos el siguiente circuito:

Este circuito es similar al de la figura 6.4, pero el voltaje de referencia de la entrada (y la salida) es solo 6V, así que es claramente asimétrico.

¿Qué beneficio nos puede dar este tipo de alimentación?

Sucede que hay casos en los que no es necesario usar una alimentación simétrica, porque la salida y/o entrada no son simétricas. Por ejemplo, si tenemos un amplificador cuya señal de salida solo se moverá entre +15V y -3V, tal como se muestra en la siguiente figura:

Si persistiéramos en usar una fuente simétrica para manejar este tipo de señal tendríamos que usar una que sea mayor a +-15V por lo menos. Pero si sabemos que la salida no es simétrica, podemos usar una fuente simple de +24V o tal vez algo menos y usar un punto de referencia menor para la entrada, tal como se muestra en la Figura 6.7.

6.4 Ejercicios

EJERCICIO 1. Si un circuito con OPAMP va a amplificar señales en DC con valores que oscilan entre 3V y 12V, ¿Qué tipo de alimentación se debería usar y con qué valores de voltaje? Justificar.

EJERCICIO 2. ¿Qué consideraciones hay que tener, cuando se alimenta a un OPAMP con una fuente de alimentación simple?

EJERCICIO 3. ¿Qué limitaciones tiene el usar una fuente de alimentación asimétrica? ¿Qué ventaja ofrece el usar alimentación simétrica?

EJERCICIO 4. Al usar un dividir resistivo para generar una referencia de voltaje para un OPAMP, ¿qué debemos tener en cuenta? Explique.