Fundamentos del Amplificador Operacional (Op-Amp): Características, Simbología y Estructura

I. Introducción

Un amplificador operacional es, básicamente, un amplificador de voltaje de alta ganancia con entrada diferencial. En la figura 1 se muestra el símbolo utilizado en los circuitos electrónicos para representar un amplificador operacional. El dispositivo posee dos líneas de entrada (+,-), una línea de salida, dos líneas de alimentación (+V, -V) y responde a la diferencia de los voltajes de entrada, esto es Vo=Ao(V2-V1), siendo Ao la ganancia de voltaje del dispositivo.

Figura 1 – Simbología

La señal de salida está en fase con la señal aplicada a la entrada no inversora y en oposición de fase con la aplicada a la entrada inversora. Esto implica que si se aplica un voltaje a la entrada (+), en la salida aparece un voltaje de la misma polaridad y si se aplica el mismo voltaje a la entrada (-), en la salida aparece un voltaje de polaridad opuesta. Esto se ilustra en la figura 2.

Figura 2 – Relación de fase en las entradas inversora y no-inversora

Idealmente, un amplificador operacional debe poseer las siguientes propiedades:

1. La ganancia de voltaje es infinita (Ao=¥).

2. La impedancia de entrada es infinita (Rin=¥).

3. La impedancia de salida es cero (Ro=0).

4. El ancho de banda es infinito (BW=¥).

5. El voltaje de salida es cero cuando el voltaje diferencial de entrada es cero (Vo=0 si Vin=0).

En la práctica, la ganancia de voltaje de un amplificador operacional es del orden de 10⁵ (100 dB), la impedancia de entrada del orden de 10⁶ a 10¹² W, la de salida del orden de 100W y el ancho de banda del orden de 100 kHz a 1 MHz. Del mismo modo, cuando el voltaje diferencial de entrada es cero, el voltaje de salida no es cero, sino que tiene un valor finito llamado voltaje de error o de offset.

En su forma más simple, un amplificador operacional consiste de un amplificador diferencial, una etapa de compensación de offset y un seguidor de emisor complementario de salida, como se muestra en la figura 3. Todos estos elementos se integran sobre una pastilla semiconductora (chip) y se albergan dentro de una cápsula DIP o de otro tipo para su presentación final. Muchos circuitos integrados incluyen hasta 4 amplificadores operacionales en una misma cápsula.

Figura 3 – Estructura simplificada de un amplificador operacional