Fundamentos y Configuraciones Esenciales del Amplificador Operacional (AoP)

Conceptos Fundamentales del Amplificador Operacional (AoP)

Definición de Amplificador Operacional (AoP)

El Amplificador Operacional (AoP) es un amplificador de corriente continua (CC) multietapa con entrada diferencial, cuyas características se aproximan a las de un amplificador ideal.

Características Ideales del AoP

Para fines teóricos, se considera que un AoP ideal posee las siguientes propiedades:

1. Resistencia de entrada infinita.
2. Resistencia de salida nula.
3. Ganancia de tensión infinita.
4. Respuesta en frecuencia infinita (ancho de banda infinito).
5. Insensibilidad a la temperatura.

Aplicaciones del Amplificador Operacional

Los AoP son componentes esenciales en:

• Sistemas electrónicos de control industrial.
• Instrumentación nuclear y médica.
• Equipos de telecomunicación y sistemas de audio.

Estructura Interna y Parámetros Críticos

Estructura Interna del AoP: Etapas

1. Etapa de Entrada: Caracterizada por una alta impedancia. Puede desfasar o no la señal entrante, según el diseño específico del AoP.
2. Etapa Comparadora: Compara la señal de entrada con la referencia y genera una señal de error amplificada.
3. Etapa de Potencia (o Salida): Multiplica la señal final y la entrega a la carga de salida.

Respuesta en Frecuencia (Ancho de Banda, BW)

Es fundamental que un amplificador posea un ancho de banda (BW) muy amplio, de modo que una señal de cualquier frecuencia pueda ser amplificada sin sufrir corte o atenuación significativa.

Tensión de Offset (V_OS)

Definición y Causa

La Tensión de Offset es la diferencia de tensión que debe aplicarse entre las entradas de un operacional (a través de resistencias iguales) para que su salida tome el valor cero.

Este fenómeno es causado por el hecho de que los transistores de la etapa diferencial de entrada del AoP no son idénticos, lo que provoca un desequilibrio interno que resulta en una tensión no deseada en la salida.

Eliminación de la Tensión de Offset

La tensión de Offset se puede eliminar o compensar de varias maneras:

• Utilizando un potenciómetro conectado a las patas 1 y 5 del circuito integrado.
• Utilizando una resistencia de compensación (R_G). La resistencia equivalente (R_E) se calcula como: $R_E = \frac{R_1 \cdot R_F}{R_1 + R_F}$. Este método se utiliza en las configuraciones inversora y no inversora (referidas como Figuras 1 y 2 en diagramas típicos).

Configuraciones Básicas del AoP

Tipos Comunes de Configuraciones

• Amplificador Inversor
• Amplificador No Inversor
• Sumador o Restador
• Diferencial
• Integrador
• Filtros Activos

Amplificador Inversor

Esta configuración desfasa la señal de salida 180° con relación a la señal de entrada. La ganancia de voltaje en lazo cerrado ($A_{vf}$) es:

$A_{vf} = \frac{V_0}{V_i} = -\frac{R_f}{R_1}$

Amplificador No Inversor

En esta configuración, la señal de salida no presenta desfase respecto a la entrada. La ganancia de voltaje en lazo cerrado ($A_{vf}$) es:

$A_{vf} = \frac{V_0}{V_i} = 1 + \frac{R_f}{R_1}$

Buffer (Seguidor de Tensión)

El Buffer presenta una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja. Su función principal es el acoplamiento de impedancias, ya que su ganancia es unitaria:

$A_{vf} = \frac{V_0}{V_i} = 1$

Circuitos Especiales y Componentes Relacionados

Comparador Regenerativo o Schmitt Trigger

El Schmitt Trigger es un comparador regenerativo que utiliza realimentación positiva. Su característica principal es la histéresis, la cual es crucial para evitar que el ruido de la señal afecte el disparo.

Para esto, se establecen dos niveles de referencia:

• Tensión de Disparo Superior ($V_{TS}$)
• Tensión de Disparo Inferior ($V_{TI}$)

La diferencia entre estos dos niveles se denomina Tensión de Histéresis, y define una banda de tensión que minimiza la influencia del ruido.

Diodo Zener

El Diodo Zener se usa como regulador de tensión de una carga, ya que entrega una tensión constante que es independiente de la tensión de entrada real y de la temperatura (dentro de sus límites operativos).

Resistencia Interna del Zener

Todo diodo Zener posee una resistencia interna entre su cátodo y ánodo. Por lo tanto, al circular una corriente ($I$) a través de él, el Zener produce una caída de tensión.