El amplificador operacional.
Para comenzar vamos a aclarar el porqué de su nombre para que no lleve a confusiones. Originalmente su nombre se debía al uso que se le daba como "operador" matemático, permitiendo la suma, resta, multiplicación, división etc. en calculadoras electrónicas.
Esto se logra debido a que por sus características se puede prefijar su ganancia y teniendo 2 entradas, amplifica la diferencia entre ambas.
Idealmente tiene una ganancia infinita (en la práctica aprox. 10000), impedancia de salida 0 (en la práctica desde algunos ohms hasta algunos cientos de ohms) e impedancia de entrada infinita (del orden de megaohms hasta cientos de megaohms o más).
En su forma más genérica tiene una entrada no inversora (indicada con +), una entrada inversora (indicada con -), una salida, alimentación + y alimentación –
Internamente podemos decir que tiene un amplificador diferencial seguido de un amplificador de potencia.
En su configuración más simple está alimentado con una alimentación simétrica con VS+ y VS- y actuando como amplificador solo necesita 2 resistencias. La relación entre estas 2 resistencias va a determinar la ganancia que tiene el amplificador (lo que se está haciendo es realimentar la salida hacia la entrada inversora, con lo que se consigue "realimentación negativa"). Si R1 fuera 0 la ganancia seria unitaria.
En el ejemplo siguiente, lo hemos alimentado con +-12 volts, la ganancia fue definida en 10 (R1/R2) y se le aplica una señal sinusoidal de 100 mV pK (pico).
El trazo superior
del osciloscopio corresponde a la entrada y el inferior a la salida. Vemos que
tienen la misma amplitud, pero si miramos detenidamente los seteos del osciloscopio
vemos que el canal A está puesto con una sensibilidad de 100 mV/Div y
el B en 1 V/Div., o sea que la salida es efectivamente 10 veces superior a la
entrada.
Hay que hacer notar 3 cosas interesantes: con esta configuración, no se necesita condensador de entrada, tampoco de salida y la salida está en fase con la entrada. Además esta configuración permite amplificar desde DC hasta la frecuencia que permita el integrado.
No solo amplifica como estaba previsto si no que además lo hace con una distorción muy baja.
Con una carga
de 10K, la distorción está en el orden del 0.007% (pequeña
maravilla teniendo en cuenta que el integrado que he utilizado es de muy bajo
precio y de los más comunes no?)
Pero para ser honestos, vamos a ponerla una carga más grande y veremos que no todo lo que brilla es oro:
Vemos que con
una carga de 100 ohms la distorción subió considerablemente, pero
vamos............. está aún muy por debajo de lo que es capaz
de percibir un oído humano normal.
Ahora vamos a repetir la experiencia usando la entrada inversora y veremos que pasa:
Vemos que funciona
exactamente igual salvo que la salida esta 180 grados defasada de la entrada.
Ahora como vamos a ver, si queremos hacer lo mismo con una fuente simple, se complica un poco el diseños pues necesitamos una tensión de referencia extra que sea de la mitad de la tensión de la fuente y además debemos dejar "flotante" la entrada inversora.
Como vemos, hemos tenido que agregar varios componentes. C1, C2, R3, R5, R6, C3 y C4.
Con R3, R5 y C3 conseguimos la referencia de la mitad de la tensión de la fuente, la cual es aplicada mediante R6 a la entrada no inversora del operacional.
Debido a que ahora en la entrada no inversora tenemos una DC de ½ del +V debemos desacoplarla de la tensión de entrada. Esto lo hace C1. El mismo problema tenemos a la salida, ya que sin señal esta parta va a estar también a ½ del +V, ahora el encargado de desacoplar esa continua es C2, y por último pasa exactamente lo mismo con la entrada inversora, trabajo que le encargamos a C4.
En la próxima entrega veremos algunas aplicaciones simples que se pueden hacer con un operacional.