Son dispositivos electrónicos que amplifican señales con una gran ganancia, típicamente del orden de 10^5 ó 10^6 veces.
La figura muestra la representación de un operacional, con la
entrada inversora (-) y no inversora (+) y en el otro lado se
representala salida. El dispositivo amplificará la diferencia entre
ambas entradas.
Las primeras veces que se utilizaron los amplificadores
operacionales fue en los computadores analógicos, hacia mediados del s.
XX e implementados con tubos de vacío. Realizaban sumas, diferencias,
multiplicación, diferenciación e integración, y todo ello de forma
analógica. De aquí se deriva su nombre “amplificador operacional”.
Las características principales de un operacional son:
- La impedancia de entrada es muy alta, del orden de megohms.
- La impedancia de salida Zout es muy baja, del orden de 1 ohm
- Las entradas apenas drenan corriente, por lo que no suponen una carga.
- La ganancia es muy alta, del orden de 10^5 y mayor.
- En lazo cerrado, las entradas inversora y no inversora son prácticamente iguales.
Circuitos básicos con operacionales.
1. Amplificador no inversor
Por la característica 5), -vin = vin
R1 y R2 forman un divisor de tensión, cuya entrada es vout y la salida del divisor es –vin.
O sea:
-vin = vin = vout R1 / (R1+R2)
Ganancia = Av = vout/vin = 1+R2/R1
La impedancia de entrada Zin es muy elevada, mientras que la impedancia de salida Zout vale unas décimas de ohm.
La señal de salida está en fase con la entrada por ser inyectada por la entrada no inversora.
2. Amplificador inversor
La
entrada no inversora está a tierra, y por la característica 5), A
también lo estará. Por tanto, la tensión en R2 vale vout, y la tensión
en R1 vale vin, y por tanto la ganancia vale:
Av = -vout / vin = -R2 / R1
El signo menos por ser la señal invertida en fase.
La impedancia de entrada Zin vale R1, puesto que como dijimos,
A está puesto a tierra a efectos prácticos. La impedancia de salida
Zout vale una fracción de ohm.
3. Buffer o seguidor
Se trata de un amplificador no inversor cuya resistencia R1 vale infinito y R2 vale cero y ganancia unidad.
Tiene una impedancia de entrada Zin muy elevada, y una
impedancia de salida Zout muy pequeña. Por este motivo se utiliza
principalmente para aislar dos circuitos, de manera que el segundo no
resulte una carga para el primero, pues la impedancia vista será la
altísima Zin del operacional. En este caso se dice que U1 sirve para
“adaptar impedancias”.
Existen operacionales especiales para utilizarlos como buffers, como el LM310 o el OPA633.
4. Restador.
El circuito de la figura resta las señales de entrada y el resultado se amplifica con la ganancia
Av = R2/R1
Es decir:
Vout = R2/R1 (V2-V1)
5. Sumador
El circuito sumador es una variante del restador presentado anteriormente.
El punto A es una tierra virtual y por tanto la corriente de entrada vale:
Iin = V1/R + V2/R + V3/R
Se obtiene:
Vout = -(V1+V2+V3)
Las entradas pueden ser positivas o negativas. En el caso de
que las resistencias sean diferentes entre sí, se obtiene una suma
ponderada. Esto vale por ejemplo para hacer un sumador binario si las
resistencias fuesen por ejemplo R, 2R, 4R, 8R, etc., y de hecho
constituye el fundamento de un convertidor analógico-digital (ADC:
Analog to Digital Converter).
