Introducción a los amplificadores operacionales: 7 pasos

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2025-01-23 14:40

En este Instructable, daré una introducción al amplificador operacional, uno de los dispositivos analógicos más útiles. Este dispositivo se puede configurar como amplificador no inversor o inversor, comparador, amplificador de voltaje, amplificador sumador, amplificador de instrumentación, búfer, filtro activo, oscilador de puente de Wien y muchas otras aplicaciones. El amplificador operacional viene en diferentes configuraciones, como el único DIP de 8 pines LM741 o el amplificador operacional cuádruple LM324 de 14 pines que se muestra arriba. También hay tipos que vienen en variantes de montaje en superficie.

Paso 1: ¿Qué es un amplificador operacional?

El amplificador operacional, que también se conoce para abreviar como amplificador operacional, es un amplificador de voltaje de alta ganancia acoplado a CC, incorporado en un chip IC. Tienen dos entradas (entrada diferencial) y una salida. Se han utilizado como bloques de construcción en la electrónica analógica desde que aparecieron los primeros dispositivos a fines de la década de 1960. Una de las bellezas de estos dispositivos es que simplificaron enormemente el diseño electrónico por la naturaleza de su estandarización. El diseño de amplificadores con componentes discretos implicaba muchos ajustes debido a las diferencias entre los dispositivos activos. Si todos los amplificadores están construidos con la misma matriz de silicio, todos pueden fabricarse de la misma manera y tener las mismas características. Al diseñar con amplificadores operacionales, se puede obtener una ganancia específica para el dispositivo instalando dos resistencias externas con una relación de resistencia específica. Por ejemplo, si se desea una ganancia de voltaje de 100, se podría colocar una resistencia de 100k y una resistencia de 1k en el circuito para obtener una relación de 100. Con esta estrategia, la ganancia es la misma siempre. El amplificador operacional más popular de todos los tiempos es el 741, que ha existido desde principios de los 70 y ha sido utilizado por generaciones de aficionados en todo, desde amplificadores de audio hasta fuentes de alimentación. El 741 no ha sido utilizado por la industria durante muchos años porque se han desarrollado mejores amplificadores operacionales, pero todavía tienen seguidores entre los aficionados y son fáciles de obtener. Los primeros dispositivos salieron en un estilo de paquete en línea dual de 8 pines o en una lata de metal circular. Más tarde, los dispositivos de montaje en superficie estuvieron disponibles. El 741 y otros amplificadores operacionales de su época usaban transistores bipolares con dispositivos que usaban entradas de transistor de efecto de campo que saldrían más tarde. Las entradas de transistor de efecto de campo comenzaron a usarse debido a la necesidad de tener una mayor impedancia de entrada y un menor consumo de corriente.

Paso 2: el amplificador no inversor

El amplificador no inversor es el primer circuito que cubriremos. En el diagrama anterior, el amplificador operacional está cableado con la entrada yendo a la entrada positiva con la resistencia de retroalimentación yendo a la entrada negativa. La relación de Rf a Rg determina la ganancia. En el caso del circuito anterior, la ganancia de voltaje es 10. El diagrama en el medio las limitaciones del "mundo real" del amplificador operacional 741 cuando una onda cuadrada de 10 kHz se alimenta a la entrada pero sale como una forma de onda triangular debido a la velocidad de conmutación limitada del dispositivo. Cuando la entrada se reduce a una onda cuadrada de 1 kHz, la salida mejora y se parece más a una onda cuadrada real. La medición de la capacidad del amplificador operacional para seguir los cambios de amplitud de la señal de entrada se denomina "Velocidad de respuesta" y se mide en voltios por microsegundo. El 741 tiene una clasificación muy dócil de.5 voltios por microsegundo. Los amplificadores operacionales de alta velocidad tienen valores nominales de hasta 5000 voltios por microsegundo, aunque uno típico como el TL081 tendrá un valor nominal promedio de 13 voltios por microsegundo.

Paso 3: el amplificador inversor

El amplificador operacional se puede configurar de tal manera que una forma de onda negativa de 1 voltio pueda invertirse y amplificarse para dar una forma de onda positiva de 10 voltios. Los usos de esta configuración podrían ser en cualquier lugar donde se necesite un cambio de fase, como en las etapas del controlador de amplificadores de transistores discretos.

Paso 4: uso de un amplificador operacional como un convertidor de onda cuadrada a onda sinusoidal

El circuito anterior cambiará una onda cuadrada de 1000 Hz a una onda sinusoidal de 1000 Hz. Lo hace filtrando todos los componentes de frecuencia (armónicos) por encima y por debajo de la fundamental, que es una onda sinusoidal. En lugar de utilizar resistencias en el circuito de retroalimentación, utilizamos componentes selectivos de frecuencia (condensadores) que proporcionan retroalimentación negativa para cancelar las frecuencias no deseadas. El diagrama del medio muestra el circuito real simulado y la forma de onda producida. El tercer diagrama muestra la respuesta de frecuencia del circuito. El nombre técnico de este tipo de circuito es un filtro de paso de banda activo. Solo permite que pase una banda muy estrecha de frecuencias sin ser atenuada.

Paso 5: uso de un amplificador operacional como comparador

Hay chips dedicados que son mejores comparadores, pero a veces es posible que no tenga uno a mano, por lo que siempre es útil saber cómo hacer un comparador con un opamp. Una revisión rápida de lo que es un comparador, es básicamente un amplificador operacional configurado como un amplificador sin retroalimentación, lo que permite que el amplificador funcione a su máxima ganancia. Cuando una entrada está vinculada a un voltaje específico, como los 3 voltios que se muestran en el diagrama, el circuito dará una salida que es casi el voltaje máximo del riel cuando las dos entradas tienen el mismo voltaje. En el caso del circuito anterior, una onda sinusoidal de 1 kHz da una salida cuando se eleva por encima de los 3 voltios y cambia de nuevo cuando la onda sinusoidal desciende por debajo de los 3 voltios. Los comparadores se utilizan comúnmente en (ADC) y osciladores de relajación.

Paso 6: Construcción de un amplificador sumador con un Opamp

El amplificador sumador de arriba toma dos señales de 1 kHz, una de 10 mV pico a pico y otra de 20 mV pico a pico. La salida resultante es de 60 mV pico a pico. Dado que es un amplificador inversor, emite una señal de fase opuesta.

Los amplificadores sumadores se utilizan en mezcladores de audio en los que se deben sumar diferentes entradas. Al alimentar señales en potenciómetros, las señales se pueden variar para dar la salida deseada.

Paso 7: Mezclador de audio de tres entradas

Este circuito podría usarse para mezclar dos instrumentos y una pista vocal, se podrían agregar más entradas según sea necesario. Cada nivel de entrada se puede ajustar de forma independiente con los potenciómetros.