Amplificador operacional: què és?

Isaac

7 minuts

amplificador operacional

Si vols aprendre alguna cosa més sobre el amplificador operacional, o si encara no saps què és, aquí podràs comprendre una mica més aquest tipus de dispositius. A més, aquests components electrònics són força emprats en multitud de circuits, ja que resulten molt pràctics per a multitud d'aplicacions.

Gràcies a ells es poden processar senyals analògics, realitzar multitud d'operacions amb elles, fer comparacions, etc. Actualment estan presents en molts dels circuits que uses diàriament, inclosa la teva placa Arduino...

Què és un amplificador operacional?

símbol amplificador operacional

El concepte d'amplificador operacional apareixeria el 1947. Els primers es van construir fent ús de tubs de buit per emprar-los en els primers ordinadors analògiques. Gràcies a ells es podien realitzar operacions matemàtiques fonamentals, com ara la suma, resta, multiplicació, divisió, derivació, integració, etc. Per això s'anomenen amplificadors «operacionals»…

Fins al 1964, gràcies a la famosa Fairchild semiconductor, no arribaria el primer amplificador operacional monolític construït en un circuit integrat, tal com es distribueixen actualment. Va ser obra de l'enginyer Robert John Widlar, i es va marcar com a μA702. Des d'aquí aniria evolucionant fins a arribar al μA741 del 1968, un xip bipolar que s'ha transformat en un estàndard de la indústria.

Aquests amplificadors operacionals (també coneguts com a Op Amp), són dispositius capaços de realitzar multitud de tasques segons es col·loquin els components electrònics que l'acompanyen. Aquests elements aniran units a els seus 5 pins (pinout):

  • – entrada: és l'entrada inversora.
  • + entrada: és l'entrada directa, és a dir, la no inversora.
  • sortida: sortida.
  • +Vss: és l'alimentació positiva.
  • -Vss: és l'alimentació negativa.

En aquests dispositius se'n compleixen algunes condicions molt particulars que hauries de conèixer. Per exemple:

  • No hi ha corrent entrant/sortint dels pins inversor i no inversor pel fet que la impedància entre totes dues és infinita (en un amplificador operacional ideal).
  • El guany diferencial en un ideal serà també infinit, encara que a la pràctica no és possible, ja que en assolir la saturació, la tensió de sortida es manté constant.
  • La diferència de potencial entre l'entrada inversora i la no inversora ha de ser nul·la.
  • Guany molt elevat. Però equilibrada, és a dir, serà la mateixa a les dues entrades. Això implica que la sortida sigui zero si les dues entrades estan alimentades per senyals iguals i d'igual polaritat
  • Resistència d´entrada molt alta, i molt baixa a la sortida.
  • Com qualsevol altre amplificador, poden assolir el seu punt de saturació. En aquest instant, el senyal de sortida no continuarà augmentant encara que sí que ho faci la diferència entre senyals.
  • L'amplada de banda també és infinit en el cas ideal, però en un cas real no és possible. Això indica l'interval de freqüència dins el qual es manté exacta una funció operacional determinada.

I com el seu nom indica, un amplificador operacional és un dispositiu que pot augmentar qualsevol tipus de senyal (voltatge o intensitat), tant de corrent altern com de corrent continu. I això en té prou per fer multitud d'operacions segons les configuracions o modes que veurem a l'apartat següent…

Maneres d'operació

El que és bo de l'amplificador operacional és que pot configurar-se de diverses maneres perquè pugui treballar de manera diferent:

Inversor

Un amplificador operacional pot treballar com a amplificador de tensió inversor i no inversor. Quan ho fa com a inversor, la tensió de sortida està en oposició de fase amb la d'entrada (en comptes de la mateixa fase com en els no inversors).

A més, has de saber que poden treballar tant amb corrent continua com amb corrent altern en aquest tipus de configuració. En el cas de CA s'inclourà un condensador C1 en sèrie i davant de R1.

En aquest cas, la Guany es pot calcular amb la fórmula:

Av = – R2 /R1

Mentre que també es pot calcular la resistència que es connecta a l'entrada ia terra amb:

R3 = R1 · R2 /R1 + R2

No inversor

no inversor

Un amplificador operacional no inversor estarà alimentat per l'entrada no inversora, i el senyal de sortida es troba en fase amb el de l'entrada. En aquest cas també pot funcionar en aquesta configuració per a CC com a CA, afegint en el segon cas dos condensadors, un C1 a l'entrada directa, i un C2 en sèrie entre R1 i la terra.

En aquest cas, el guany es calcula de manera diferent:

Av = R1 + R2 /R1

Mentre que la tercera resistència se segueix calculant amb la mateixa fórmula que a l'inversor…

Sumador de tensió

sumador

Un amplificador operacional es pot utilitzar per barrejar senyals d'entrada que procedeixen de fonts diferents. Aquest tipus de circuits usen diverses entrades (fins a un màxim de 10, encara que a la imatge només n'hi hagi 3).

El que passa aquí és que la intensitat de corrent és igual a la suma de corrents parcials de les entrades (segons estableix la llei de Kirchhoff):

Ii = I1 + I2 + I3

Cadascuna d'aquestes intensitats, aplicant la llei d'Ohm, dependrà de:

I1 = V1 /R1

I2 = V2 /R2

I3 = V3 /R3

Com que la intensitat de corrent d'entrada té el mateix valor i és de signe oposat a la corrent de sortida, es pot determinar que:

Ii = – Io

Per tant, es pot determinar que la tensió de sortida serà:

Vo = Io · R4 = -Ii · R4

En aquest cas, novament afegint condensadors es podria fer funcionar també amb CA…

Restador de tensió

restador

En aquest cas, és un amplificador diferencial que està format per un inversor i un altre no inversor. Es pot utilitzar per restar corrents alterns i continus, n'hi haurà prou de posar o treure els condensadors en sèrie amb les resistències de les seves entrades.

En aquest cas, la tensió de sortida serà:

Vo = Vo1 + Vo2 = R4 /R1 (Vo1 + Vo2)

comparador

comparador

En una configuració com comparador, es compararan dues magnituds del mateix tipus d'un senyal i el senyal de sortida indicarà si els valors de les entrades són iguals o no. És a dir, pot passar el següent:

Si Vi1 < Vi2  la sortida Vo serà positiva.

Si Vi1 > Vi2  la sortida Vo serà negativa.

Has de tenir en compte que si es fa servir el circuit a llaç obert (sense la resistència de realimentació o feedback), es comportarà com un comparador de tensió.

altres configuracions

es poden configurar altres formes per a aquests amplificadors operacionals, connectar-los en cascada, i fins i tot substituir les resistències per potenciòmetres per fer amplificadors de guany variable, com a integrador, derivador, com a convertidors, per a funcions logarítmiques i exponencials, comparador de finestra, etc. Però aquests són menys freqüents que els que he descrit anteriorment…â € <

aplicacions

Les aplicacions daquests amplificadors operacionals poden ser múltiples. Segur que els has fet servir. De fet, són presents en algunes plaques de desenvolupament, en calculadors digitals, en filtres de sistemes de so (pas alta, pas sota, banda i banda, filtres actius, oscil·ladors), en preamplificadors i buffers d'àudio/vídeo, en reguladors, convertidors, adaptadors de nivells (pe CMOS-TTL,…), rectificadors de precisió, per evitar l'efecte de càrrega, etc.

Su versatilitat és perquè poden funcionar com a comparadors de senyals, seguidors de voltatge, amplificadors no inversors, un sumador inversor, com a sumador inversor, com a integrador, derivador, convertidor de corrent a tensió, per a funcions logarítmiques o exponencials, com a convertidors Digital/Analògic, etc.

Amplificadors operacionals més usats

Si ets maker o estàs fent algun tipus de projecte DIY, segur que en voldràs conèixer alguns de els models d'amplificador operacional més comuns. Com per exemple: