Circuitos con amplificador operacional — conceptos básicos

Un circuito con amplificador operacional usa un amplificador operacional junto con componentes de realimentación para controlar cómo responde la salida a la entrada. La idea principal es simple: el amplificador por sí solo tiene una ganancia tan grande que es el circuito externo, especialmente la red de realimentación, lo que hace predecible su comportamiento.

La mayoría de las fórmulas que se ven en clase provienen del modelo ideal del amplificador operacional. Esas fórmulas solo son fiables cuando el circuito tiene realimentación negativa y la salida se mantiene entre los rieles de alimentación, de modo que el amplificador operacional permanece en su región lineal.

Cuándo se aplican las reglas del amplificador operacional ideal

Para un amplificador operacional ideal en funcionamiento lineal con realimentación negativa, se usan una y otra vez dos atajos:

1. Las corrientes de entrada son cero.
2. Los voltajes de entrada son casi iguales, así que $V_+ \approx V_-$.

A la segunda regla se la suele llamar cortocircuito virtual. No significa que las entradas estén conectadas físicamente. Significa que la realimentación hace que la salida se ajuste hasta que la diferencia de voltaje entre las entradas sea muy pequeña.

Si el amplificador operacional está saturado o el circuito no usa realimentación negativa, no debes suponer que $V_+ \approx V_-$.

Fórmula del amplificador inversor

En el amplificador inversor estándar, la señal de entrada pasa por una resistencia $R_{in}$ hasta la terminal inversora, la terminal no inversora se conecta a una referencia como tierra, y una resistencia de realimentación $R_f$ va desde la salida de vuelta a la terminal inversora.

Bajo las suposiciones ideales,

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

El signo menos significa que la salida está invertida con respecto a la entrada.

Fórmula del amplificador no inversor

En el amplificador no inversor estándar, la señal de entrada se aplica a la terminal no inversora, y la terminal inversora queda dentro de una red de realimentación con resistencias.

Bajo las mismas suposiciones ideales,

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_g}\right) V_{in}$$

Esta versión mantiene la salida en fase con la entrada y proporciona una impedancia de entrada idealmente muy grande.

Por qué la realimentación negativa lo cambia todo

Un amplificador operacional tiene una ganancia en lazo abierto extremadamente grande. Incluso una diferencia muy pequeña entre $V_+$ y $V_-$ tiende a llevar la salida con fuerza hacia un riel o hacia el otro.

La realimentación negativa controla ese comportamiento. Devuelve parte de la salida a la red de entrada, de modo que el circuito se estabiliza en una salida donde se cumple la condición de entrada requerida. En estos circuitos básicos, por eso las razones de resistencias suelen fijar la ganancia en lazo cerrado en lugar de la ganancia interna bruta del chip.

Ejemplo resuelto: resolver un circuito inversor

Supón que un amplificador inversor ideal tiene $R_{in} = 2 \, \mathrm{k\Omega}$ y $R_f = 10 \, \mathrm{k\Omega}$. El voltaje de entrada es $V_{in} = 0.30 \, \mathrm{V}$.

Usa la fórmula del amplificador inversor:

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

Sustituye los valores de las resistencias:

$$V_{out} = -\frac{10 \, \mathrm{k\Omega}}{2 \, \mathrm{k\Omega}}(0.30 \, \mathrm{V})$$ $$V_{out} = -(5)(0.30 \, \mathrm{V}) = -1.5 \, \mathrm{V}$$

Así que la salida calculada es $-1.5 \, \mathrm{V}$. Esta es la respuesta correcta solo si la fuente de alimentación permite que la salida llegue a ese valor.

Si los rieles de alimentación disponibles no pueden sostener $-1.5 \, \mathrm{V}$, el amplificador operacional se satura y la fórmula simple de ganancia deja de predecir la salida real.

Errores comunes con amplificadores operacionales

• Usar $V_+ \approx V_-$ en cualquier circuito con amplificador operacional, incluso cuando no hay realimentación negativa.
• Olvidar que la salida no puede superar los rieles de alimentación.
• Confundir las fórmulas de ganancia del inversor y del no inversor.
• Ignorar el signo de la salida en el amplificador inversor.
• Tratar las reglas ideales como descripciones exactas de cualquier amplificador operacional real a cualquier frecuencia y nivel de salida.

Dónde aparecen los circuitos con amplificadores operacionales

Los circuitos básicos con amplificadores operacionales aparecen en el acondicionamiento de sensores, preamplificadores de audio, filtros activos, seguidores de voltaje y sistemas de medición. Se usan mucho porque un solo amplificador más unos pocos componentes pasivos pueden proporcionar ganancia, aislamiento o filtrado de una forma predecible.

El modelo ideal suele ser el primer paso. Un análisis más detallado importa cuando el ancho de banda, la slew rate, la corriente de polarización de entrada, el voltaje de offset, el ruido o los límites de excursión de salida se vuelven importantes.

Prueba un problema similar

Mantén el mismo amplificador inversor, pero cambia la resistencia de realimentación a $20 \, \mathrm{k\Omega}$. La magnitud de la ganancia en lazo cerrado se duplica, así que la salida calculada pasa a ser $-3.0 \, \mathrm{V}$ si el amplificador operacional todavía puede mantenerse en su región lineal. Si quieres resolver un circuito parecido desde cero, prueba tu propia versión con una razón de resistencias distinta y comprueba primero si los límites de los rieles todavía permiten ese resultado.