OPAMP – Cap. 10 – Amplificadores

Los amplificadores (de voltaje o corriente), son la aplicación más directa que tienen los Amplificadores Operacionales. Los OPAMP encajan muy bien dentro de esta aplicación, porque, en su esencia, son simples amplificadores de voltaje, pero con una flexibilidad muy alta como para adaptarse a los distintos requerimientos que exigen los amplificadores electrónicos.

10.1 La esencia de un amplificador

Cuando hablamos de un amplificador electrónico estamos hablando de algún tipo de dispositivo o circuito que nos permite aumentar el nivel de:

• Voltaje
• Corriente
• Potencia

Este aumento de nivel significa que a la salida del amplificador obtendremos la misma magnitud física que se puso en la entrada (voltaje, corriente o potencia) pero aumentada de forma proporcional o de acuerdo a alguna otra función conocida.

La mayoría de amplificadores de voltaje o corriente tienen la posibilidad de aumentar potencia también (relacionado con el aumento de energía). De otra forma, nos bastaría con usar un simple transformador eléctrico pasivo, para obtener un incremento en el voltaje o la corriente, al menos cuando trabajamos con señales alternas.

Otra de las características que debe tener un amplificador electrónico es la desconexión (o independencia) de la salida con la entrada. Esto significa que en en un amplificador electrónico ideal, no hay forma de afectar a la entrada, mediante la línea de salida.

10.2 Amplificadores en lazo abierto

A este nivel ya nos debe haber quedado claro que un OPAMP real, en lazo abierto, revela su verdadera esencia de amplificador diferencial imperfecto, con las siguientes características:

• Alta ganancia, pero no conocida con precisión.
• Una salida que no está calibrada correctamente a cero, porque requiere ajustar la entrada.
• Ganancia variable con la temperatura y el voltaje de alimentación

Estas imperfecciones, que se corrigen muy bien en lazo cerrado, se deben tener muy presentes cuando manejamos amplificadores de lazo abierto. Es por ello, que rara vez encontraremos un amplificador de lazo abierto que use un OPAMP.

Un amplificador en lazo abierto tiene la siguiente forma:

Esta configuración ya se describió en los capítulos previos al describir el funcionamiento de un OPAMP, así que aquí solo lo incluimos como referencia.

10.3 Seguidor de voltaje

Este sería el caso más simple de amplificador, con ganancia unitaria. Se trata de una configuración con la realimentación negativa más simple. Tiene la siguiente forma:

Realmente se podría cuestionar su denominación de «amplificador» porque este circuito no ofrece ganancia adicional en voltaje, sin embargo puede amplificar la corriente de entrada en un factor de miles de veces, debido a la alta impedancia de entrada que ofrece. Su utilidad sería más como la de un circuito de aislamiento entre etapas o cuando se quiere tener un circuito con alta impedancia de entrada.

Como se puede apreciar, la salida del OPAMP está directamente conectada a la entrada negativa. Esta configuración se denomina «Seguidor de voltaje» porque el voltaje de la entrada aparece reflejado, con bastante precisión, a la salida. Su función de salida sería:

V_o = V_{i+}

Hay diversas forma de entender el funcionamiento de este circuito, pero en resumen, y por la forma en que está conectado el OPAMP, podemos deducir que cuando el voltaje la entrada no-inversora, es superior al de la entrada inversora, la salida tenderá aumentar haciendo que la entrada inversora iguale a la entrada no-inversora. El caso inverso también logrará el equilibrio, haciendo que, en todo momento, la salida tenga el mismo voltaje (con diferencia tal vez de algunos microvoltios) que la entrada no-inversora.

Otra forma, más simplificada de analizar este circuito, consiste en asumir que el voltaje diferencial es siempre cero, debido a la gran ganancia que posee un OPAMP y siempre que no estemos en saturación.

En estas condiciones podemos plantear las igualdades:

V_{i+} = V_{i-} \\
V_{i-} = V_o

De donde concluiremos que:

V_o = V_{i+}

Como ayuda para entender la ventaja de usar Amplificadores Operacionales, consideremos un seguidor de voltaje construido con transistores:

Este circuito se usa en diversos equipos como en etapas de salida de amplificadores de audio. Sin embargo, el voltaje de salida, en forma simplificada, tiene la siguiente función:

V_o = V_i - 0.7V

Este voltaje de diferencia, hace necesario de circuitos adicionales para lograr la compensación.

Otra desventaja de este seguidor de voltaje, a base de transistores, es que la impedancia de entrada tiene valores muy bajos, en comparación con el construido con un OPAMP, lo que muchas veces hace necesario incluir una etapa adicional de amplificación.

La gran ventaja de este circuito, en comparación con su equivalente con OPAMP, sería que puede lograr niveles de corriente mucho mayores, pero se puede lograr corrientes similares con arreglos como el mostrado en la figura 9.7.

10.4 Amplificador Inversor

Este circuito constituye uno de los amplificadores más elementales que se puede construir con un Amplificador Operacional.

En su forma simplificada, tiene la siguiente forma:

Este amplificador ya lo hemos estudiado en el Capítulo 8. Allí vimos que su función de salida es:

\begin{align}
V_o= \frac{-R2}{R1}.V_i 
\end{align} 

Podemos notar que el voltaje de salida tiene polaridad opuesta al voltaje de entrada. De allí obtiene su nombre de «Amplificador inversor».

Algunas consideraciones sobre los valores de R1 y R2 serían:

• El valor de R1 determina (es igual a) la impedancia de entrada.
• Valores muy altos de R1 y R2 harán al amplificador más sensible a interferencias estáticas.
• Valores muy bajos de R2, limitarán el rango dinámico de la salida del OPAMP.
• La relación R2/R1 no debería ser muy grande, porque la ganancia máxima del OPAMP depende del ancho de banda.

Otra consideración a tener en cuenta es que la impedancia de salida de este circuito, que es similar a la del OPAMP solo, no es tan baja como para manejar cargas muy altas (Ver Capítulo 9).

En el análisis del capítulo 8 vimos que este amplificador, en equilibrio, trabaja compensando la corriente de la malla R1-R2 para buscar que el voltaje diferencial sea mínimo.

Una forma de entender a este amplificador, es usar un símil mecánico, como el siguiente:

En este mecanismo, los voltajes de entrada y salida se pueden representar como la longitud de los arcos recorridos por ambos extremos de la palanca, cuando se aplica un desplazamiento por la parte izquierda, en donde se indica la flecha.

La ganancia estará definida por las longitudes de los brazos de palanca a las que se ha denominado R1 y R2. Notar también que el desplazamiento de la salida tiene sentido opuesto al desplazamiento de la entrada.

10.5 Amplificador No inversor

Este amplificador es otro de los circuitos clásicos que se puede construir con un OPAMP. En su forma elemental, tiene el siguiente diagrama:

Para obtener la función de salida, podemos realizar una análisis similar al que se usó en el Capítulo 8. Por simplicidad consideraremos solo el caso en que el circuito no se encuentre saturado, y bajo esa suposición, podemos partir del hecho que el OPAMP tratará de mantener el estado de equilibrio reduciendo el voltaje diferencial.

En este estado de equilibrio, en donde Vi+ = Vi-, la salida y la entrada deben estar dentro del rango permitido de voltaje. Tratemos ahora de sacar al OPAMP de equilibrio subiendo el voltaje de Vi- a un valor superior a Vi+.

Al incrementarse el voltaje de Vi-, se generará un voltaje diferencial negativo que hará caer el voltaje de la salida. Por la forma en que está conectada la salida, esa caída generará una reducción de voltaje en Vi-, retornando al punto de equilibrio. Si visualizamos la malla de la salida y su conexión con la entrada; tendremos el siguiente circuito:

Ahora podemos plantear ya la ecuación de salida, asumiendo que la salida tratará de mantener siempre el voltaje diferencial en cero:

\begin{align}
V_o = \frac{R1+R2}{R1}.Vi \\
\end{align} 

Otra forma de ver la ecuación anterior, es obtener el valor de Vi a partir de Vo, usando la ecuación de un divisor de voltaje:

V_i = \frac{R1}{R1+R2}.Vo \\

Finalmente el resultado será el mismo que el indicado en (2).

Como se puede apreciar, la polaridad de la salida será similar a la polaridad de la entrada (igualdad en signos). Es por eso que a este amplificador se le llama «No inversor».

Como la entrada del amplificador está conectada directamente a la entrada del OPAMP, la impedancia de entrada de este amplificador es muy alta, porque es la misma impedancia de entrada del OPAMP.

No olvidar que hay que considerar siempre la posibilidad de que el amplificador se encuentre saturado, en cuyo caso, este análisis no aplica.

Como quiera que el valor (R1+R2)/R1 será siempre mayor a uno, por lo tanto, la ganancia de este tipo de amplificadores (a diferencia de los amplificadores inversores) será siempre mayor a 1, lo cual, en la práctica, no suele ser un problema.

Una analogía mecánica de este Amplificador No inversor, construido con un OPAMP, es el que se muestra en la figura:

En este mecanismo, los voltajes de entrada y salida se pueden representar como la longitud de los arcos Vi y Vo, cuando se aplica un desplazamiento por la parte izquierda, en donde se indica la flecha.

Este símil mecánico nos permite inclusive calcular la ganancia del amplificador e intuir el por qué no se puede obtener una ganancia menor a uno.

10.6 Caso práctico: Preamplificador de audio

En base a lo estudiado, estamos ya en condiciones de implementar un sencillo preamplificador de audio que podría usarse como preamplificador de micrófono o en alguna cualquier etapa de una cadena de audio donde se requiera elevar el nivel de la señal.

Partimos del diseño del amplificador inversor complementándolo con los componentes típicos de un circuito de audio:

Notar que estamos usando una fuente de alimentación única (que puede ser de 12V) con una referencia de Vcc/2 para el OPAMP, para no requerir de una fuente simétrica. Lo importante aquí es que la referencia Vcc/2, obtenida a partir de R1 y R2, sea estable en DC y represente un cortocircuito en AC a tierra que es la referencia de la señal de entrada. De eso se ocupa C1, que es electrolítico y de capacidad considerable. Lo convenientes sería que C1 no esté lejos del OPAMP dentro del circuito impreso.

El circuito tiene una ganancia máxima de 10 con inversión de polaridad. La ganancia está determinada por la relación R5/R3. Estos valores no son arbitrarios, porque el valor de R3 determina la impedancia de entrada del amplificador que debe ser del valor apropiado. Se elige el valor de 10K para la impedancia del amplificador inversor porque es un valor suficientemente alto con respecto a P1 (10 veces más). Tener a P1 con un valor bajo, ayuda a mantener la linealidad en el nivel señal que se deja entrar con el giro del potenciómetro, ayuda a simplificar los cálculos para definir el valor de C3 y simplifica el cálculo de la impedancia de entrada de todo el preamplificador.

Se puede usar valores más altos en las resistencias R3 y R5, pero usar valores muy altos, como 1M o 10M, haría a ciertas partes del circuito (los terminales de R3 y R5) más sensibles a los ruidos por electricidad estática.

Tampoco conviene hacer a R3 y R5 muy bajos por que incrementarían el consumo general del circuito, reduciría el rango dinámico de la salida (Ver sección 9.3), además que obligaría a reducir aún más la resistencia de P1, que, al determinar la impedancia de entrada de todo el preamplificador, no debería ser menor a 1K como es común en circuitos de una cadena de audio.

Se elige la configuración del amplificador inversor porque:

1. Es fácil configurar su ganancia y su impedancia de entrada. En este caso, por simple inspección se ve que ganancia máxima es de -10 y la impedancia de entrada es de 10K.
2. Consume una corriente despreciable en la entrada inversora del OPAMP, de modo que no se exige corriente a la referencia +Vcc/2 que puede ser obtenida sin problemas del divisor de voltaje R1-R2 ,y con un filtrado mínimo.

Por lo general, no existe problemas en usar un amplificador de audio con inversión de la polaridad de la señal, porque en audio no suele tener efecto el invertir la fase, debido a que:

• El oído no es sensible a la fase del sonido, solo a su frecuencia e intensidad.
• En la práctica, una etapa inversora va seguida de otra etapa inversora que compensa a la primera.
• Aún, usando un amplificador no inversor, es difícil controlar el corrimiento de la fase del audio debido al efecto de los filtros que suelen tener la mayoría de las etapas de audio.

Lo que sí es importante, con respecto a la fase de la señal, es que si usamos un sistema en estéreo, ambos canales del estéreo deben ser exactamente iguales, para que el posible corrimiento de fase no afecte la experiencia del sonido estereofónico.

El detalle del condensador C3 las entrada, es para desacoplar la componente DC que pueda aparecer a la entrada, porque la señal de audio es de tipo AC, pero nada garantiza que pueda venir con algún nivel de DC.

Podríamos pensar que tener un amplificador, sin condensadores de entrada y salida, y que por lo tanto trabaje desde 0Hz (acoplamiento DC) sería perfecto, pero en la práctica, esto nos puede traer más problemas que beneficios. Un amplificador de audio que amplifique DC tiene las siguientes desventajas:

• La referencia de tierra del OPAMP debe ser la misma que la de la fuente de audio de la entrada, lo que obligaría a usar alguna forma de alimentación simétrica con el OPAMP.
• El circuito podría estar amplificando ruidos subsónicos de muy bajo nivel que no son audibles pero que podrían deteriorar a un altavoz, si estuviera conectado en DC al amplificador.
• Si la señal de audio con DC no está correctamente nivelada a tierra y presenta algún nivel de DC, estaría generando un consumo de corriente adicional en el amplificador, sin amplificar ninguna señal.
• Si la señal de entrada aparece con una componente DC (posiblemente por una falla en alguna etapa de la cadena de audio), podría saturarse fácilmente al amplificador con la componente DC, sin llegar a amplificar nada de la señal (componente AC).

El condensador de desacoplo C3 no tiene un valor arbitrario. Se ha fijado para que forme parte de un filtro pasa alto, en conjunto con R3. La implementación de filtros con OPAMP se discutirá en el Capítulo 16.

10.7 Ejercicios

EJERCICIO 1. Indique dos diferencias entre los amplificadores Inversor y No inversor, construidos a base de OPAMP.

EJERCICIO 2. Indique una ventaja y desventaja de los Amplificadores No inversores, con respecto a los Amplificadores Inversores.

EJERCICIO 3. Calcule la ganancia del siguiente amplificador:

EJERCICIO 4. En el circuito anterior, ¿cuál será el voltaje de salida si a la entrada ponemos 9V?