OPAMP – Cap. 9 – Entradas y Salidas

En los Capítulos anteriores se explicó cómo analizar y resolver circuitos individuales que incluyen a un solo Amplificador Operacional.

En este Capítulo analizaremos el caso de la interconexión de varios circuitos que incluyen a un OPAMP haciendo una revisión previa del cálculo de las impedancia de entrada y salida para los circuitos que incluyen un Amplificador Operacional.

9.1 Impedancia de Entrada

Sabemos que la impedancia de un OPAMP es, por lo general, bastante alta. Puede superar a valores del orden de 10¹² ohmios, en los Operacionales con entrada JFET. Con estos valores de impedancia, podemos decir que, para fines prácticos, las entradas de un OPAMP son circuitos abiertos.

Los circuitos en lazo abierto son las que mejor pueden aprovechar la impedancia alta de los OPAMP, pero existen algunas configuraciones de lazo cerrado que también pueden mantener la impedancia original del OPAMP, como los circuitos de la siguiente figura:

Estas configuraciones mantienen la impedancia original del OPAMP porque la entrada del circuito es la misma que el OPAMP, por lo tanto, deberían ser las opciones elegidas para cuando busquemos circuitos de muy alta impedancia de entrada.

Pero cuando armamos circuitos que incluyen otros componentes adicionales en la línea de entrada, la impedancia general del circuito puede bajar considerablemente. Consideremos, por ejemplo, al amplificador inversor:

Si asumimos que el OPAMP está en equilibrio, podemos inferir que el voltaje de la entrada inversora se mantendrá igual al de la entrada no-inversora que está en 0 voltios. Por lo tanto, lo que ve la entrada. es a R1 conectada a tierra.

Entonces podemos deducir, directamente que la impedancia de entrada es R1.

Si el circuito estuviera saturado, debemos considerar el voltaje de saturación de la salida. Imaginemos que el voltaje de entrada Vi tiene un nivel tal que satura negativamente al OPAMP y hace que la salida tome el valor -Vcc. En ese caso, el equivalente del circuito de entrada sería:

Aquí resulta sencillo calcular la impedancia de entrada, tomando la resistencia de Thévenin del equivalente del circuito con el OPAMP. En este caso, dicha resistencia es R1 + R2, y en consecuencia, esa será la impedancia de entrada del circuito.

Z_e = R_1 + R_2

Así, podemos apreciar que el circuito presenta impedancias diferentes, dependiendo de su estado. En condiciones normales, un circuito, como este amplificador inversor, trabajará en su región lineal.

Podría pensarse que, tener entradas con una impedancia muy alta (como cuando usamos a los OPAMP en lazo abierto), sería lo mejor, pero esto puede resultar perjudicial en circuitos que tienen su entrada expuesta (como los amplificadores de audio). Se me ocurren dos buenas razones por las que no conviene exponer entradas de alta impedancia:

• Porque son una fuente constante de ruido, cuando no se encuentran conectadas. Los pines «al aire» siempre están recibiendo ruido eléctrico pues se comportan como antenas. Mientras más impedancia tengan, más potencial reciben.
• Porque pueden recibir cargas estáticas que terminarían destruyendo al OPAMP. Los pines expuestos no solo reciben ruido eléctrico sino que son potenciales puntos de descarga de electricidad estática. Un simple dedo con estática alta, puede introducir miles de voltios a un OPAMP.

Estos problemas desaparecerán en circuitos que tienen la entrada permanentemente conectadas a otros circuitos, como en el caso de las etapas intermedias.

9.2 Impedancia de Salida

Aunque se supone que la impedancia de un OPAMP es bastante baja (en comparación a su entrada), no es realmente cero, sino que tiene un valor mayor. En la siguiente figura se ha modelado la salida de un OPAMP representando su impedancia de salida con la resistencia R_o:

La resistencia que se coloca a la salida (R_L) es la carga del OPAMP.

El voltaje Vo sería el verdadero voltaje de salida del amplificador diferencial que vive dentro de un OPAMP. El terminal de salida Vsal, no es exactamente igual a Vo, sino que está conectado a Vo a través de Ro que es la impedancia de salida de nuestro OPAMP. Este valor Ro explica por qué la salida de un OPAMP no es infinita en un cortocircuito, sino que está limitada a un valor máximo.

Esta corriente máxima de salida se encuentra como un parámetro más en las hojas técnicas del OPAMP y por lo general es de solo unos pocos miliamperios. Por ejemplo, en el TL081 se puede ver que es de 60mA como máximo a +-15V de alimentación:

En nuestro análisis, por simplificación asumimos que el Ro, de la Figura 9.5, vale siempre 0, pero un cálculo simple, a partir de las hojas técnicas (y con ayuda del Teorema de Thévenin), nos indica que, para el TL081, debe valer algo de 250 ohmios, lo cual es demasiado alto para manejar cargas como un altavoz de 8 ohmios. Pero sí será suficiente para cargas ligeras como un diodo led, un transistor o hasta un micro relé.

Si deseamos bajar la impedancia de salida de un OPAMP, para controlar cargas de mayor potencia, podemos agregar un transistor a la salida del OPAMP, como se muestra en la siguiente figura:

El circuito anterior, que tiene al OPAMP conectado a un seguidor de voltaje con un transistor, puede proporcionar una corriente mucho mayor a la carga R_L, de la que que proporcionaría el OPAMP solo, porque en este caso la corriente la proporciona el transistor.

Sin embargo, esta configuración solo funcionaría en la parte positiva de la salida. Además, restringe el voltaje de salida a un valor que es algo de 0.7 V menor (si usamos un transistor de silicio) por efecto de la caída en la unión base-emisor del transistor.

Notar que la red de realimentación se está tomando del emisor del transistor en lugar de la salida del OPAMP. También funcionaría si se toma de la salida del OPAMP, pero el voltaje que recibiría la carga sería menos precisa. Tomar la realimentación del emisor del transistor, asegura que el voltaje que se compara sea siempre el voltaje que verdaderamente le llega a la carga y no lo que pueda generar el OPAMP.

Entender este modo de realimentación ayuda a entender mejor cómo funciona internamente un OPAMP, si se considera que el transistor de la Figura 9.7, es realmente parte del mismo OPAMP. Así podremos entender mejor la importancia de la realimentación en los circuitos electrónicos.

9.3 Efecto de la Carga

Para simplificar nuestros cálculos, casi siempre se asume que la carga a la salida de un OPAMP es

Normalmente nuestros cálculos no consideran este valor de Ro porque un OPAMP, cuando está realimentado negativamente, compensará la caída de tensión en Ro y tendremos el valor correcto de Vo en Vsal.

Pero existen límites a lo que el OPAMP puede compensar. Por ejemplo, para el siguiente circuito con un TL081, el voltaje de salida esperado, sería de 8V, pero sabemos que Ro debe ser de más de 250 ohmios, por lo tanto, en el mejor de los casos (y cuando el OPAMP ponga su Vo al máximo valor de 9V), solo tendremos 6V en R_L (debido a la caída de voltaje en Ro).

Un detalle importante a considerar es que, la carga de un OPAMP no es solo debido a la carga que se conecte a la salida del circuito, sino que debe incluir al mismo circuito. Así, en la figura 9.8, la carga real que verá el TL081 no es solo debido a la resistencia R_L de 500 ohmios, sino también debido a las resistencias de 10K y de 5K.

Un análisis simple, deducida a partir del hecho de que el voltaje en Vi- debe ser igual a 0V, nos indicará que la impedancia total que ve el OPAMP es el paralelo de las resistencias de 500 y 10K ohmios.

Por eso, para lograr que el OPAMP mantenga un buen nivel de voltaje en su salida (y simplificar los cálculos también), se debe tratar que de que la carga total que ve el OPAMP (incluyendo la red de realimentación) sea mucho mayor a su impedancia de salida interna.

Cuando interconectamos varias etapas, debemos considerar la impedancia de salida completa de todo el circuito que incluye al OPAMP (y su red de realimentación). Por norma general:

«Para cumplir el principio de independencia entre circuitos se debe cumplir que la impedancia de salida de una etapa debe ser mucho mayor a la impedancia de entrada de la etapa a la que se conecta».

9.4 Circuitos de varias etapas

Si el circuito que queremos analizar es más complejo, en el sentido de que incluye a más de un OPAMP o mucha circuitería auxiliar, lo mejor es separar ese circuito en partes o etapas más elementales. Cada parte elemental debería incluir a un solo OPAMP (o en el peor de los casos a ninguno).

Lo mejor aislar solo la parte que contiene al OPAMP y sus componentes asociados. Esta tarea puede no resultar sencilla las primeras veces, pero es solo cuestión de práctica.

Consideremos el siguiente diagrama que corresponde a un equipo comercial:

Una simple inspección nos revela que el circuito incluye dos bloques basados en un OPAMP. En la siguiente imagen marcamos los bloques con un recuadro rojo:

Cada uno de estos bloques debería poder analizarse en forma separada, porque en la mayoría de diseños con Operacionales, se diseñan para que cada bloque funcione de forma independiente.

9.5 Acoplamiento entre etapas

El acoplamiento, entre diversas etapas de un circuito electrónico, debe realizarse siempre de la forma más apropiada, al margen de que incluyan o no Amplificadores Operacionales. Imaginemos que tenemos una etapa A, cuya salida va conectada a la entrada de una etapa B.

Para asegurar un correcto acoplamiento entre estas etapas, conviene recordar las siguientes reglas:

• Si queremos conseguir el máxima transferencia de voltaje, se debe tener una impedancia de entrada muy alta en B.
• Si queremos conseguir el máximo transferencia de corriente, se debe tener una impedancia de entrada muy baja en B.
• Si queremos conseguir el máximo acoplamiento de potencia, se debe tener una impedancia de entrada en A, igual a la impedancia de salida en B.

Dentro de las etapas de un mismo circuito impreso, es común realizar el acoplamiento por voltaje. El acoplamiento por corriente se realiza en algunas redes de corrientes diferenciales (como el RS-485) para interconectar dispositivos separados. El acoplamiento por potencia se usa para radiar energía, como las ondas de radio (RF) desde un transmisor a una antena.

9.6 Ejercicios

EJERCICIO 1. Calcular la impedancia de entrada del siguiente circuito:

EJERCICIO 2. En el circuito del Ejercicio 1, ¿Cuál es la ganancia?

EJERCICIO 3. En el circuito del Ejercicio 1, ¿Cómo aumentar la impedancia de entrada sin cambiar la ganancia? Justifique.

EJERCICIO 4. En el circuito del Ejercicio 1, si la impedancia de salida del circuito es de 500 ohmios, ¿Cuál es la corriente máxima que puede proporcionar el OPAMP a una carga conectada a tierra?.

EJERCICIO 5. En el Ejercicio 4, ¿Cuál es la corriente máxima que puede proporcionar a una carga conectada a -12V?

EJERCICIO 6. ¿Qué tipo de conexión se debe realizar entre cada una de las diversas etapas de una cadena de audio:

• Pre-amplificador
• Equalizador
• Amplificador de potencia
• Altavoz o parlante.