Comprensión dos amplificadores operacionais: principios, ecuacións e aplicacións

Os amplificadores operacionais, ou op-amps, son bloques fundamentais na electrónica analóxica.Aumentan, comparan ou procesan os sinais eléctricos con gran precisión.Este artigo explica os principais tipos, parámetros básicos e fórmulas importantes que describen como funcionan os amplificadores operacionais.Desde circuítos inversores e non inversores ata integradores e diferenciadores, abrangue como estes amplificadores configuran sinais importantes.

Catálogo

Figura 1. Amplificadores operacionais

Que son os amplificadores operacionais?

Un amplificador operacional (Op-Amp) é un circuíto integrado usado para aumentar ou modificar sinais eléctricos en sistemas analóxicos.Ten dous pinos de entrada, un inversor (–) e outro non inversor (+) e unha única saída que ofrece unha versión amplificada da diferenza de voltaxe entre eles.Dentro do chip, os transistores e as resistencias traballan xuntos para crear unha ganancia e sensibilidade moi altas, permitindo que incluso pequenos cambios de entrada produzan variacións de saída notables.Nos circuítos do mundo real, engádese feedback para controlar a ganancia e facer que o amplificador sexa estable e preciso.Aínda que se asume que os amplificadores operacionais ideais teñen unha ganancia infinita e sen perdas internas, os amplificadores operacionais prácticos están deseñados para funcionar de forma eficiente dentro dos límites.Debido á súa precisión e flexibilidade, os amplificadores operacionales úsanse amplamente en amplificadores de audio, filtros, comparadores, sensores e circuítos de acondicionamento de sinal para tarefas como a amplificación de voltaxe, o filtrado de ruído e a conformación de formas de onda en dispositivos electrónicos e sistemas de control cotiáns.

Formas do amplificador operacional

Un amplificador operacional (op-amp) pódese ver de dúas formas, ideal e importante.

Característica	Ideal Op-Amp	Práctico Op-Amp
Ganancia en bucle aberto	Infinito	Moi alto (10⁵–10⁶)
Impedancia de entrada	Infinito	Alto (MΩ–GΩ)
Impedancia de saída	Cero	Baixo (decenas de Ω)
Ancho de banda	Infinito	Limitado
Slew Rate	Infinito	Finito
Tensión de compensación	Cero	Pequeno (µV–mV)

Características básicas e terminoloxía do amplificador operacional

Figura 2. Op-Amp Características básicas e Terminoloxía

Os amplificadores operacionais (op-amps) descríbense mediante algunhas características que definen como funcionan nos circuítos electrónicos.Comprender estes termos axuda a elixir o amplificador operacional axeitado para unha aplicación específica.

Tensión de compensación de entrada: unha pequena tensión non desexada que aparece nos terminais de entrada, aínda que as dúas entradas deben estar ao mesmo potencial.Provoca un pequeno erro de saída e representa o "equilibrado" que está internamente o amplificador.

Corrente de polarización de entrada: A pequena cantidade de corrente que flúe nos terminais de entrada para operar os transistores internos.A corrente de polarización máis baixa significa unha maior precisión de entrada.

Impedancia de entrada: A resistencia vista polo sinal de entrada.A alta impedancia de entrada garante que o amplificador operacional non cargue nin perturbe a fonte de sinal.

Impedancia de saída: A resistencia no terminal de saída.A baixa impedancia de saída permite que o amplificador operacional conduza outros circuítos ou cargas de forma eficiente.

Ganancia de bucle aberto (AOL): A ganancia de voltaxe do amplificador operacional sen ningunha retroalimentación.Normalmente é moi grande e determina a sensibilidade do amplificador ás diferenzas de entrada.

Ancho de banda: O rango de frecuencias nas que o amplificador operacional pode amplificar os sinais de forma eficaz.Un ancho de banda máis amplo permite unha resposta de sinal máis rápida e precisa.

Slew Rate: A velocidade máxima á que pode cambiar a tensión de saída.Afecta o ben que o amplificador operacional pode manexar os sinais que cambian rapidamente.

Relación de rexeitamento en modo común (CMRR): A capacidade do amplificador operacional para ignorar os sinais comúns que aparecen en ambas entradas, garantindo que só se amplifica a diferenza de voltaxe.

Relación de rexeitamento da fonte de alimentación (PSRR) : indica o ben que o amplificador operacional pode manter unha saída estable mesmo cando cambia a tensión da fonte de alimentación.

Ecuacións e fórmulas de amplificadores operacionais comúns

Un amplificador operacional (op-amp) funciona co principio de amplificar a diferenza de tensión entre as súas dúas entradas, os terminais inversores (–) e non inversores (+).A continuación, a ecuación mostra que a saída depende da diferenza amplificada entre cada voltaxe de entrada.

Figura 3. Amplificador inversor

Amplificador inversor

An amplificador inversor é un simple circuíto de amplificador operacional que produce un sinal de saída que é invertida (fase oposta) en comparación coa entrada.A tensión de entrada aplícase ao entrada inversa (–) a través dunha resistencia de entrada $R_{en}$, mentres que a resistencia de realimentación $R_f$conecta a saída á mesma entrada.O entrada non inversora (+) está conectado a terra, creando unha terra virtual no terminal inversor.Debido á retroalimentación negativa, a corrente a través $R_{en}$atravesa $R_f$, e a relación entre a entrada e a saída vén dada pola fórmula $V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} \times V_{in}$.O signo negativo indica que a saída está 180° desfasada coa entrada.Este circuíto proporciona unha ganancia de tensión controlada e estable definida pola relación da resistencia e úsase amplamente en aplicacións de audio, acondicionamento de sinal e control onde se precisa unha amplificación precisa e invertida.

Figura 4. Amplificador non inversor

Amplificador non inversor

A amplificador non inversor é un amplificador operacional (op-amp) circuíto que aumenta o sinal de entrada sen cambiar a súa fase a saída sobe e baixa exactamente igual que a entrada.O tensión de entrada aplícase ao terminal non inversor (+), mentres que unha parte da saída envíase de volta ao terminal inversor (–) a través dun par de resistencias que forman a rede de feedback.Unha resistencia $R_f$conecta a saída á entrada inversora e outra resistencia $R_1$ conecta a entrada inversora a terra.Esta retroalimentación estabiliza o circuíto e establece o ganancia de tensión, que vén dada pola fórmula:

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_1}\right) V_{in}$$

Debido a que a ganancia é sempre maior que un, esta configuración amplifica o sinal de entrada mentres o mantén en fase.O amplificador non inversor ten un impedancia de entrada moi alta e a baixa impedancia de saída, o que o fai ideal para usar como a tampón, acondicionador de sinal, ou seguidor de tensión en circuítos analóxicos.

Figura 4. Seguidor de tensión

Seguidor de voltaxe

A seguidor de tensión, tamén coñecido como a amplificador buffer ou amplificador de ganancia unitaria, é sinxelo configuración de amplificador operacional que proporciona a mesma tensión de saída que a entrada pero cunha capacidade de conducción de corrente mellorada.Nesta configuración, o saída está directamente conectado ao entrada inversa (–), mentres que o sinal de entrada aplícase ao entrada non inversora (+).Isto crea Comentarios 100% negativos, forzando a tensión de saída a seguir exactamente a entrada.A fórmula para este circuíto é sinxela:

$$V_{saída} = V_{in$$

Aínda que a ganancia de tensión é unha, o seguidor de tensión ten importantes beneficios.Ofrece impedancia de entrada moi alta, que evita que o sinal de entrada se cargue ou se debilite, e moi baixa impedancia de saída, permitíndolle conducir cargas pesadas ou outras etapas do circuíto facilmente.

Figura 5. Amplificador diferencial

Amplificador diferencial

A amplificador diferencial é un circuito de amplificador operacional que amplifica o diferenza entre dúas tensións de entrada mentres se rexeita calquera tensión común a ambos.Isto faino ideal para reducir o ruído e as interferencias circuítos sensores, sistemas de audio, e instrumentos de medida.A relación entre as entradas e as saídas vén dada pola fórmula principal:

$$V_{fóra} = \left(\frac{R_2}{R_1}\right)(V_2 - V_1)$$

Esta ecuación mostra que o tensión de saída depende da diferenza entre os dous sinais de entrada multiplicado polo relación de resistencia $\frac{R_2}{R_1}$.Porque rexeita o ruído común e só amplifica a diferenza, o amplificador diferencial é moi utilizado para amplificación de sinal limpa, precisa e estable en aplicacións analóxicas e de instrumentación.

Figura 6. Amplificador sumador e integrador

Amplificador sumador e integrador

A amplificador sumador e integrador son dous comúns circuítos de amplificador operacional usado para operacións matemáticas sobre sinais analóxicos.A amplificador sumador combina varias tensións de entrada nunha soa saída, mentres que an amplificador integrador produce unha saída que depende da integral de tempo da entrada.A fórmula clave para un amplificador integrador é:

$$V_{out} = -\frac{1}{R_1C} \int V_{in} \, dt$$

Esta ecuación mostra que a tensión de saída é proporcional á integral do sinal de entrada, o que significa que engade continuamente a entrada ao longo do tempo.Os amplificadores integrados son amplamente utilizados analóxico ordenadores, filtros de sinal, xeradores de formas de onda, e sistemas de control para procesar e dar forma aos sinais.

Circuítos diferenciadores e integradores de amplificadores operacionais

Un integrador e un diferenciador de amplificadores operacionales son dous circuítos analóxicos importantes que realizan operacións matemáticas básicas sobre a integración e diferenciación de sinais eléctricos mediante un amplificador operacional.

Figura 7. Integrador

A Circuito integrador produce unha tensión de saída que é proporcional á integral da tensión de entrada ao longo do tempo.Neste circuíto, o sinal de entrada pasa por unha resistencia R1na entrada inversora (–) e utilízase un capacitor (C) no camiño de realimentación en lugar dunha resistencia.A entrada non inversora (+) está conectada a terra.

Isto significa que a tensión de saída cambia en función do sinal de entrada acumulado, unha entrada constante produce unha saída (rampa) que cambia constantemente.Os circuítos integradores úsanse habitualmente en filtros analóxicos, xeradores de formas de onda e aplicacións de procesamento de sinal.

Figura 8. Diferenciador

A Circuito diferenciador, pola contra, fai o contrario que produce unha saída que é proporcional á taxa de cambio do sinal de entrada.Aquí, o capacitor colócase na entrada e a resistencia úsase no camiño de retroalimentación.

Isto significa que cando a entrada cambia rapidamente, a saída responde con forza, facéndoa sensible ás variacións rápidas do sinal.Os circuítos diferenciadores utilízanse en sistemas de detección de bordos, conformación de ondas e control.

Aplicacións dos amplificadores operacionais

Os amplificadores operacionais úsanse en case todas as áreas da electrónica debido á súa versatilidade e precisión.Xogan un papel importante tanto en sistemas de sinais analóxicos como mixtos.As aplicacións comúns inclúen:

• Amplificadores de audio – Úsase para aumentar os sinais débiles de micrófonos ou instrumentos para obter un son claro.

• Circuitos de sensores – Amplificar pequenos sinais de tensión dos sensores en sistemas de detección de temperatura, presión e movemento.

• Sistemas de comunicación – Procesar e filtrar sinais en transmisores, receptores e módems para mellorar a calidade do sinal.

• Controladores industriais – Úsase en bucles de realimentación e control para automatización, accionamentos de motores e regulación de procesos.

• Amplificación do sinal – Aumentar os niveis de tensión ou corrente para aplicacións de medida, instrumentación e control.

• Filtros activos – Elimina o ruído ou as frecuencias non desexadas nos circuítos de audio, radio e datos.

• Operacións matemáticas – Realizar sumas, restas, integracións e diferenciacións en circuítos analóxicos de cálculo e control.

• Procesamento de sinais analóxicos e mixtos – Combina sinais analóxicos e dixitais para tarefas como conversión de datos, filtrado e acondicionamento.

Vantaxes e limitacións dos amplificadores operacionais

Vantaxes

• Alta ganancia – Incluso unha pequena diferenza de voltaxe de entrada produce unha gran saída, polo que son moi sensibles e eficaces para a amplificación.

• Alta impedancia de entrada – Consumen moi pouca corrente de entrada, evitando a perda de sinal e reducindo a carga na fonte.

• Baixa impedancia de saída – Pode conducir outras etapas de circuíto ou cargas de forma eficiente sen caídas de tensión significativas.

• Facilidade de uso – Deseño sinxelo de circuítos utilizando resistencias e capacitores;dispoñibles como circuítos integrados compactos.

• Ancho de banda amplo – Pode manexar unha ampla gama de frecuencias dependendo do tipo de amplificador operacional utilizado.

• Rendemento estable – Comportamento fiable e consistente cando se utiliza feedback negativo.

• Rentable – Facilmente dispoñible e barato para aplicacións tanto académicas como industriais.

Limitacións

• Ganancia finita - Os amplificadores operacionais reais non teñen ganancia infinita;o seu rendemento diminúe a frecuencias máis altas.

• Ancho de banda limitado – A ganancia diminúe ao aumentar a frecuencia debido ao intercambio ganancia-ancho de banda.

• Tensión de compensación de entrada – Poden aparecer pequenas diferenzas de tensión na saída aínda que as entradas sexan iguais.

• Limitación da taxa de variación – A saída non pode cambiar ao instante;as variacións rápidas do sinal poden causar distorsión.

• Corrente de polarización de entrada finita – Sempre é necesaria unha pequena corrente de entrada para o funcionamento do transistor interno, o que pode afectar á precisión.

• Sensibilidade á temperatura – Parámetros como a tensión de compensación e a corrente de polarización poden variar coa temperatura.

• Dependencia da fonte de alimentación – As variacións na tensión de alimentación poden afectar o rendemento da saída (medido por PSRR).

• Ruído e distorsión – Algúns amplificadores operacionales introducen unha pequena cantidade de ruído eléctrico ou distorsión, especialmente en sinais de baixo nivel.

OP-AMP Ganancia de ancho de banda e resposta de frecuencia

Entón, se un amplificador operacional está configurado para unha ganancia alta, só pode manexar frecuencias máis baixas;se a ganancia é menor, pode funcionar a frecuencias máis altas.Por exemplo, un amplificador operacional cun GBW de 1 MHz pode dar unha ganancia de 10 a 100 kHz.

En termos sinxelos, ganancia de ancho de banda e resposta en frecuencia cóntanos como cambia a amplificación do amplificador operacional coa velocidade do sinal.Axudan a deseñar circuítos estables, claros e precisos audio, filtrado, e procesamento de sinal aplicacións.

Amplificadores operacionais vs. Amplificadores diferenciais

Característica	Operativo Amplificador	Diferencial Amplificador
Definición	Un circuíto integrado que amplifica a diferenza de tensión entre dúas entradas con ganancia moi alta e pode realizar moitas funcións analóxicas.	Un circuíto básico que amplifica a diferenza de tensión entre dúas entradas mentres se rexeita o modo común sinais.
Estrutura	Consta de diferencial múltiple etapas de amplificación, cargas activas e redes de compensación internas.	Un amplificador de unha etapa usando resistencias e transistores.
Ganancia	Moi alto (normalmente de 10⁵ a 10⁶).	Moderado (depende da resistencia ratios).
Impedancia de entrada	Moi alto (rango de MΩ a GΩ).	Relativamente baixo a moderado.
Impedancia de saída	Moi baixo.	Moderado.
Funcionalidade	Pode realizar varios analóxicos operacións (amplificación, filtrado, suma, integración, diferenciación).	Limitado a tensión diferencial amplificación.
Uso de comentarios	Usa comentarios negativos para estabilidade e control.	Normalmente funciona sen comentarios.
Ratio de rexeitamento en modo común (CMRR)	Moi alto, debido ao deseño interno e compoñentes de precisión.	Baixo, dependendo da resistencia correspondencia.
Aplicacións	Usado en amplificadores de audio, filtros, sistemas de control, instrumentación e acondicionamento de sinal.	Usado en circuítos de sensores, entrada etapas de amplificadores operacionales e sistemas de medida.

Conclusión

Os amplificadores operacionais son importantes para a amplificación, filtrado e control do sinal en innumerables sistemas electrónicos.Comprender os seus tipos, fórmulas e comportamento axuda a deseñar circuítos precisos e estables.Tanto se se usan como búfers, integradores ou amplificadores diferenciais, os amplificadores operacionales combinan flexibilidade e rendemento, polo que son fundamentais para a electrónica moderna de sinais analóxicos e mixtos.