El Amplificador Operacional

La enorme ventaja de los circuitos lógicos es que no se requiere tener muchos conocimientos de electrónica para poder comprender cómo trabajan funcionalmente dichos circuitos. Existen muchos sistemas digitales en los que la mayoría del sistema basa su funcionamiento en electrónica puramente digital. Las computadoras de escritorio son un buen ejemplo de ello. Sin poseer conocimientos detallados de electrónica, cualquiera que haya asimilado los principios esenciales del libro puede muy bien ensamblar un circuito lógico, comprar en el mercado una fuente de poder que proporcione los voltajes requeridos para que los componentes del circuito puedan trabajar, y conectar todo de modo apropiado para que pueda funcionar. Sin embargo, existen también sistemas en los cuales es necesario interconectar componentes propios de la electrónica digital (bloques AND, OR y NOT) que siempre trabajan con valores discretos de voltaje, con componentes propios de la electrónica analógica, en donde se trabaja con voltajes que pueden variar continuamente entre dos límites pudiendo tomar cualquier valor posible entre dichos límites. Estos sistemas son esencialmente sistemas híbridos que combinan en un solo diseño aspectos de la electrónica digital y de la electrónica analógica. El texto principal del libro no presupone de parte del lector conocimiento alguno de electrónica analógica. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que entre los lectores haya técnicos con algunos conocimientos básicos de electrónica analógica que estén tal vez interesados en instruirse un poco más en aquellos circuitos integrados con los cuales los circuitos integrados propios de la electrónica digital suelen interactuar. Es con este auditorio en mente que se ha preparado este Suplemento que trata sobre uno de los componentes más versátiles para los diseños de circuitos analógicos: el amplificador operacional. Así como en la familia lógica de circuitos integrados TTL el circuito integrado 7400 es el componente fundamental de referencia del cual parten todos los demás, y así como en el mundo de los microprocesadores el microprocesador 8008 marcó la pauta a seguir por todos los demás microprocesadores que le sucedieron, del mismo modo en el mundo de los amplificadores operacionales el punto de referencia es un amplificador designado con el número 741.Si fuéramos a comprar en el mercado un amplificador operacional 741 fabricado por la empresa Motorola, dicho componente tendría el siguiente aspecto físico:

El diagrama esquemático de este circuito integrado en relación con sus ocho terminales muestra las siguientes designaciones funcionales de cada una de dichas terminales o "pins":

Esencialmente, el amplificador operacional es representado en los diagramas esquemáticos tal y como se muestra arriba, como un triángulo, con dos terminales de entrada, una entrada inversora (inverting input) identificada con un símbolo menos (-) y una terminal no-inversora (non-inverting input) identificada con un símbolo más (+).
Precaución: Los términos terminal inversora y terminal no-inversora en un amplificador operacional no tienen absolutamente nada que ver con las definiciones usadas en el mundo de los circuitos lógicos en relación con el bloque NOT. El símbolo triangular utilizado para representar un amplificador operacional encierra cómodamente para nosotros algo que es esencialmente un circuito analógico algo complejo, cuyo esquemático detallado es el siguiente:

Aunque el amplificador operacional lo podemos usar como una "caja negra" sin tener que preocuparnos por los detalles internos que muestra este último diagrama, de cualquier modo tenemos que saber cómo llevar a cabo conexiones externas al mismo para poder obtener del mismo algunas funciones analógicas que nos puedan ser de utilidad. Como su nombre lo indica, este componente es un amplificador, un amplificador de una señal analógica que puede variar continuamente entre un rango de valores. Y al amplificar la señal, lo puede hacer invirtiendo la polaridad de la señal con respecto a la señal de entrada (convirtiendo los valores de voltaje positivos a negativos, y los valores de voltaje negativos a positivos) , en cuyo caso lo usamos como amplificador inversor, o dejando que la polaridad de la señal de salida se mantenga con la misma polaridad que la señal de entrada, o sea como un amplificador no-inversor. Para poder utilizarlo en cualquiera de estas dos maneras, es necesario conectarle a cada configuración unas resistencias eléctricas externas como lo muestran los siguientes diagramas:

En el diagrama superior tenemos un amplificador inversor, y en el diagrama inferior tenemos un amplificador no-inversor. Antes de entrar en detalles sobre el funcionamiento de estos circuitos, observemos primero que para poder trabajar adecuadamente el amplificador operacional requiere de dos voltajes, un voltaje positivo +V aplicado en la terminal 7, y un voltaje negativo -V aplicado en la terminal 4. Si fueramos a proporcionar estos voltajes con baterías externas de modo tal que el voltaje positivo sea +V=+15 volts y el voltaje negativo sea -V=-15 volts, lo haríamos utilizando algo como lo siguiente:

Obsérvese en los diagramos de los dos circuitos amplificadores mostrados arriba que no es necesario conectar ninguna de las terminales del amplificador operacional al punto intermedio entre las dos baterías designado en el esquemático como la tierra eléctrica. Una fuente dual de voltajes fácil de implementar con dos baterías desechables proporcionando un voltaje positivo +V=+9 volts y un voltaje negativo -V=-9 volts sería la siguiente:

Sin embargo, como la desventaja de una fuente dual de voltajes construída con baterías desechables es que las baterías tienen una vida de uso limitada, para un diseño fijo que no se estará moviendo mucho de un lugar a otro se puede construír una fuente dual de voltajes alimentada con corriente alterna de línea como la que se muestra a continuación:

Regresemos ahora a los circuitos amplificadores. La señal de entrada una vez amplificada será proporcionada por el amplificador operacional u op-amp en su terminal de salida 6 (output). La ganancia (gain) del op-amp es la medida de la amplificación de voltaje del circuito y se define simplemente como el valor instantáneo del voltaje de salida Vout en la terminal 6 entre el valor del voltaje Vin de entrada:

De este modo, si el voltaje de entrada es de 1 volt y el voltaje de salida es de 10 volts, el op-amp estará amplificando la señal por un factor de 10: la señal de salida será diez veces más grande que la señal de entrada. Si el diseño que utilizaremos será el de un amplificador inversor, entonces usaremos el circuito designado arriba como "inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 2 (inverting input). En este caso, nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de cinco tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser cinco veces más grande que la resistencia R1. Una vez escogidos los valores de las resistencias R1 y R2 el valor de la resistencia R3 estará prácticamente prefijado por la fórmula que nos dice cuál debe ser el valor de dicha resistencia (en algunos diseños, se prescinde de esta resistencia por completo). En la fórmula de la ganancia:
Gain = -R2/R1el signo menos indica que la polaridad de la señal estará invertida con respecto a la polaridad de la señal de entrada, que es justo lo que debe hacer un amplificador inversor.Si por el contrario queremos diseñar un amplificador no-inversor, entonces usamos el circuito designado arriba como "non-inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 3 (non-inverting input) directamente. Aquí también nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual a 1 sumado al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de tres tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser dos veces más grande que la resistencia R1, lo cual sumado a la unidad nos dá una ganancia de tres:
Gain = 1 + (R2/R1) = 1 + (2/1) = 1 + 2 = 3Los valores de las resistencias generalmente deben estar seleccionados en el rango de los miles de ohms (K ohms). Valores demasiado bajos de resistencias, situados por debajo de 1 Kohm, producen corrientes eléctricas grandes que pueden producirle daño al circuito, mientras que valores demasiado grandes de resistencias, situados por encima de 1 Megohm, inducen un efecto indeseable conocido como el ruido térmico (en inglés, thermal noise) o ruido Johnson-Nyquist. A continuación tenemos un amplificador no-inversor construído en torno a un op-amp en el cual se han seleccionado resistencias R1 y R2 con valores respectivos de 1K (mil ohms) y 15K (15 mil ohms), con lo cual obtenemos un factor de multiplicación de 16 sobre la señal de entrada: