Vimos en el último tutorial que la ganancia de lazo abierto, ( AVO ) de un amplificador operacional puede ser muy alta, tanto como 1.000.000 (120dB) o más.
Sin embargo, esta alta ganancia no es de ninguna utilidad real para nosotros, ya que hace que el amplificador sea inestable y difícil de controlar, ya que la más pequeña de las señales de entrada, sólo unos pocos micro-voltios, (μV) sería suficiente para hacer que el voltaje de salida se sature y oscile hacia uno u otro de los carriles de alimentación de tensión perdiendo el control completo de la salida.
Como la ganancia DC de lazo abierto de un amplificador operacional es extremadamente alta, podemos permitirnos perder parte de esta alta ganancia conectando una resistencia adecuada a través del amplificador desde el terminal de salida hasta el terminal de entrada inversor para reducir y controlar la ganancia global del amplificador. Esto produce un efecto conocido comúnmente como realimentación negativa, y por lo tanto produce un sistema basado en un amplificador operacional muy estable.
La realimentación negativa es el proceso de «devolver» una fracción de la señal de salida a la entrada, pero para que la realimentación sea negativa, debemos devolverla al terminal negativo o «entrada inversora» del amplificador operacional utilizando una resistencia de realimentación externa llamada Rƒ. Esta conexión de realimentación entre la salida y el terminal de entrada inversora fuerza la tensión diferencial de entrada hacia cero.
Este efecto produce un circuito de lazo cerrado al amplificador dando como resultado que la ganancia del amplificador se denomine ahora su Ganancia de lazo cerrado. Entonces un amplificador inversor de lazo cerrado utiliza la realimentación negativa para controlar con precisión la ganancia global del amplificador, pero a costa de la reducción de la ganancia de los amplificadores.
Esta realimentación negativa hace que el terminal de entrada inversor tenga una señal diferente a la tensión real de entrada ya que será la suma de la tensión de entrada más la tensión de realimentación negativa dándole la etiqueta o término de Punto de Suma. Por lo tanto, debemos separar la señal de entrada real de la entrada inversora mediante el uso de una Resistencia de Entrada, Rin.
Como no estamos utilizando la entrada positiva no inversora esta se conecta a una tierra común o terminal de tensión cero como se muestra a continuación, pero el efecto de este circuito de realimentación de bucle cerrado hace que el potencial de tensión en la entrada inversora sea igual al de la entrada no inversora produciendo un punto de suma de Tierra Virtual porque estará al mismo potencial que la entrada de referencia conectada a tierra. En otras palabras, el amplificador operacional se convierte en un «amplificador diferencial».
Configuración del amplificador operacional inversor
En este circuito de amplificador inversor el amplificador operacional está conectado con realimentación para producir un funcionamiento en bucle cerrado. Cuando se trata de amplificadores operacionales hay dos reglas muy importantes a recordar sobre los amplificadores inversores, estas son: «No fluye corriente en el terminal de entrada» y que «V1 siempre es igual a V2». Sin embargo, en los circuitos de amplificadores operacionales del mundo real ambas reglas se rompen ligeramente.
Esto se debe a que la unión de la señal de entrada y retroalimentación ( X ) está al mismo potencial que la entrada positiva ( + ) que está a cero voltios o a tierra entonces, la unión es una «Tierra Virtual». Debido a este nodo de tierra virtual, la resistencia de entrada del amplificador es igual al valor de la resistencia de entrada, Rin y la ganancia de bucle cerrado del amplificador inversor se puede establecer por la relación de las dos resistencias externas.
Dijimos anteriormente que hay dos reglas muy importantes para recordar sobre los amplificadores inversores o cualquier amplificador operacional para el caso y son.
- No fluye corriente en los terminales de entrada
- La tensión diferencial de entrada es cero ya que V1 = V2 = 0 (tierra virtual)
Entonces, utilizando estas dos reglas, podemos derivar la ecuación para calcular la ganancia en lazo cerrado de un amplificador inversor, utilizando los primeros principios.
La corriente ( i ) fluye a través de la red de resistencias como se muestra.
Entonces, la ganancia de voltaje de lazo cerrado de un amplificador inversor se da como.
y esto se puede transponer para dar Vout como:
Salida lineal
El signo negativo en la ecuación indica una inversión de la señal de salida con respecto a la entrada ya que está desfasada 180o. Esto se debe a que la realimentación tiene un valor negativo.
La ecuación de la tensión de salida Vout también muestra que el circuito es de naturaleza lineal para una ganancia fija del amplificador ya que Vout = Vin x Ganancia. Esta propiedad puede ser muy útil para convertir una señal de sensor más pequeña en una tensión mucho mayor.
Otra aplicación útil de un amplificador inversor es la de un circuito «amplificador de transresistencia». Un amplificador de transresistencia también conocido como «amplificador de transimpedancia», es básicamente un convertidor de corriente a voltaje (Corriente «in» y Voltaje «out»). Se pueden utilizar en aplicaciones de baja potencia para convertir una corriente muy pequeña generada por un fotodiodo o dispositivo fotodetector, etc, en una tensión de salida utilizable que es proporcional a la corriente de entrada, como se muestra.
Circuito amplificador de trans-resistencia
El sencillo circuito activado por la luz anterior, convierte una corriente generada por el fotodiodo en una tensión. La resistencia de retroalimentación Rƒ establece el punto de tensión operativa en la entrada inversora y controla la cantidad de salida. La tensión de salida viene dada como Vout = Is x Rƒ. Por lo tanto, la tensión de salida es proporcional a la cantidad de corriente de entrada generada por el fotodiodo.
Ejemplo de Op-amp inversor nº1
Halle la ganancia en lazo cerrado del siguiente circuito amplificador inversor.
Utilizando la fórmula encontrada anteriormente para la ganancia del circuito
.amp gain
Ahora podemos sustituir los valores de las resistencias en el circuito de la siguiente manera,
Rin = 10kΩ y Rƒ = 100kΩ
y la ganancia del circuito se calcula como: -Rƒ/Rin = 100k/10k = -10
Por lo tanto, la ganancia en bucle cerrado del circuito amplificador inversor anterior viene dada por -10 o 20dB (20log(10)).
Ejemplo de Op-amp inversor nº2
Se quiere aumentar la ganancia del circuito original a 40 (32dB), encuentre los nuevos valores de las resistencias necesarias.
Suponiendo que la resistencia de entrada va a permanecer en el mismo valor de 10KΩ, entonces reordenando la fórmula de ganancia de tensión en bucle cerrado podemos encontrar el nuevo valor requerido para la resistencia de realimentación Rƒ.
Ganancia = Rƒ/Rin
por tanto, Rƒ = Ganancia x Rin
Rƒ = 40 x 10.000
Rƒ = 400.000 o 400KΩ
Los nuevos valores de las resistencias necesarios para que el circuito tenga una ganancia de 40 serían:
Rin = 10KΩ y Rƒ = 400KΩ
La fórmula también podría reordenarse para dar un nuevo valor de Rin, manteniendo el mismo valor de Rƒ.
Un último punto a tener en cuenta sobre la configuración del amplificador inversor para un amplificador operacional, si las dos resistencias son de igual valor, Rin = Rƒ entonces la ganancia del amplificador será -1 produciendo una forma complementaria de la tensión de entrada en su salida como Vout = -Vin. Este tipo de configuración de amplificador inversor se denomina generalmente Inversor de Ganancia Unitaria o simplemente Buffer Inversor.
En el siguiente tutorial sobre Amplificadores Operacionales, analizaremos el complemento del circuito amplificador operacional Inversor llamado Amplificador No Inversor que produce una señal de salida que está «en fase» con la entrada.
