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Circuitos Integrados: Amplificadores Operacionales

circuitos integrados amplificadores operacionales

Qué son los circuitos integrados

Los circuitos integrados (IC, de las siglas del inglés Integrated Circuit) son los componentes más complejos que vamos a utilizar, y su estudio en profundidad puede extenderse a muchos libros, por lo que en esta guía vamos a tratar de resumir y concentrar los datos más relevantes que debemos conocer para aproximarnos a comprender su funcionamiento y poder trabajar con ellos entendiendo mínimamente el propósito de lo que estamos haciendo.


Como su propio nombre indica, estos componentes llevan en su interior un auténtico circuito eléctrico, con sus resistencias, condensadores, transistores…todo ello “empaquetado” en un volumen ridículamente minúsculo comparado con lo que ocuparía si estuviese constituido por
componentes tradicionales. Las funciones que realizan son muchas y muy diversas y complejas, como temporizadores, osciladores, contadores, amplificadores, etc. También es importante tener en cuenta que estos componentes son más sensibles a la electricidad estática, pudiendo llegarse a estropearse, por lo que su manipulación debe ser muy cuidadosa.


Unos de los IC más utilizados son los amplificadores operacionales (Op-amps), y son en los que nos centraremos en este artículo. Los más comunes son: TL071, TL072, TL074, TL061, TL022, CA3080, LM13700, JRC4558, LM358, LM308, NE5532, OP2134, RC4580.


Otros IC que se utilizan a menudo son: NE555 Timer, NE556 dual Timer, PT2399 Echo Chip, MN3007, MN3001, CD4047, CD4049 entre otros.

Amplificador Operacional

Los amplificadores operacionales son dispositivos lineales que tienen todas las propiedades requeridas para una amplificación de CC casi ideal y, por lo tanto, se usan ampliamente en acondicionamiento de señal, filtrado o para realizar operaciones matemáticas como sumar, restar, integración y diferenciación. Podríamos considerarlos como dispositivos con tres terminales; dos de ellos de entrada, una inversora, denotada con el signo -, y otra no inversora, con el sigo +; y el tercero sería el terminal de salida. Habrá otros dos terminales destinados para la conexión de la alimentación,
uno para la positiva y otro para la negativa.

amplificador operacional DIY

Una de las principales características de estos dispositivos es que cuentan con una impedancia de entrada altísima (tiende a infinito), por lo que no fluye corriente en ninguna de sus dos entradas; en estas condiciones se cumple que V1 = V2. Por otro lado, la impedancia de salida es muy baja (≈0).


Otra característica es que generan una ganancia enorme, que puede ser regulada mediante un lazo de realimentación (feedback loop), formado al conectar un componente resistivo o reactivo entre el terminal de salida y una de las entradas.


Los amplificadores operacionales se pueden conectar en dos configuraciones básicas: inversora y no inversora.

Amplificador Inversor

En esta configuración la señal entrante será amplificada, pero con la fase invertida.

amplificador inversor diy

Este sería el esquema de la configuración básica inversora.

esquema de la amplificador inversor

Existe una relación entre los valores de las resistencias Rin y RF y la ganancia que genera el circuito, que viene dada por la siguiente fórmula:

amplificadores operacionales

Por lo tanto, regulando los valores de esas resistencias podremos obtener el valor de ganancia que queramos. El signo negativo en la ecuación indica una inversión de la señal de salida con respecto a la entrada, ya que está 180º fuera de fase.

VCC+ y VCC- van a delimitar los límites de la amplificación (headroom), y el valor que esté en V2 , en la entrada no inversora, será el voltaje de referencia. Si partimos de la premisa de que no entra corriente por ninguna de las entradas y de que V1=V2, entonces en el punto de intersección de la señal de entrada con la realimentación la tensión será la misma que V2. La tensión existente en ese tramo se denomina “masa virtual” (VB), y será la que establezca el punto de comparación.


Veamos esto con un ejemplo:

amplificadores operacionlaes

Si aplicamos la fórmula anterior, la ganancia de voltaje obtenida seria -15k/5k = -3. Es decir, la señal de salida tiene una amplitud 3 veces mayor a la de entrada, pero cambiada de fase 180º. Los límites de amplificación son VCC+= +9V y Vcc-= 0. Esto quiere decir que toda parte de la onda que exceda los 9V o sea menor que 0 no se va a amplificar por encima de ese punto. Además, el offset es 0 también (masa). Si la señal de entrada tiene un V pico de 1V, lo que sucederá al activar el circuito es lo siguiente:

amplificadores operacionales circuitos integrados

Lo que sucede es que las partes positivas de la onda, que al amplificarse quedan como negativas por la inversión de fase no han sido reproducidas porque quedan por debajo de los límites de la amplificación. Esto podemos solucionarlo si establecemos como VB un valor de 4,5V, el punto medio entre 0 y 9.

circuitos integrados amplifcadores operacionales

En este caso, los límites siguen siendo los mismos, pero la onda está centrada en dicho intervalo, quedando los valores positivos de la onda amplificada por encima de 4,5V y los negativos por debajo. Como además, la ganancia es de -3, y la onda tiene un máximo de +1V y -1V, el máximo que
alcanzará la onda amplificada será de +3V y -3V. Como el valor de VB es 4,5V, quiere decir que la onda amplificada tendrá un punto más alto de 7,5V y uno más bajo de 1V. Todos esos valores se encuentran dentro del límite de amplificación de 0 a 9V, por lo que se reproducirá sin problemas.


Supongamos que RF la hacemos mayor, de 30k por ejemplo. En esto momento la ganancia del circuito será de -30k/5K = -6. En este caso, la onda amplificada tendrá 6V por encima y por debajo de los 4,5V, es decir, irá de 10,5V a -1,5V. Pero estos valores exceden los límites de la amplificación
por lo que quedarán recortados:

circuitos integrados amplificadores operacionales

Esto podría solucionarse de dos maneras: ampliando el límite de amplificación (mayor headroom) con una alimentación mayor: 18V en VCC, o +9V en VCC y – 9 en VEE, o reduciendo la señal de entrada, para que al amplificarla quede dentro de dicho límite.


Sin embargo, no tiene por qué ser algo malo que deba ser solucionado. Este recorte de la señal es que da lugar al efecto de distorsión, que en ocasiones es lo que se busca precisamente. Si sustituimos por un potenciómetro una de esas resistencias podremos regular con él el nivel de ganancia y por lo tanto el recorte que se realiza a la señal.

Amplificador No Inversor

Conociendo el funcionamiento del amplificador inversor, éste lo entenderemos mucho más fácilmente. Como su nombre indica, en este caso la señal es amplificada pero sin cambiar de fase, las ondas positivas se amplifican de forma positiva y las negativas de forma negativa. Su
configuración es la siguiente:

circuitos integrados amplificadores operacionales

Al mantener la misma fase la señal amplificada que la señal de entrada, la gráfica resultante sería la siguiente:

circuitos integrados amplificadores no inversores

La fórmula para calcular la ganancia que produce este circuito es:

circuitos integrados amplificadores no inversores

La configuración más característica que se suele utilizar es la siguiente:

circuitos operacionales amplificadores operacionales

Al principio de la vía de audio hay un condensador de acoplamiento cuyo papel es evitar el paso de corriente continua que pudiera saturar el operacional. Además, como se puede apreciar, la alimentación en el IC determina un límite de amplificación de 0 a +9V, y se establece un punto de polarización de 4,5V a la entrada no inversora a través de una resistencia de polarización Rbias. Su papel es anular los efectos de las corrientes de polarización, y además sirve de camino para la corriente de polarización en continua. Si se omitiese Rbias, la corriente de polarización cargaría el condensador de acoplamiento hasta salir de la zona activa del amplificador operacional. Normalmente esa resistencia tiene un valor de 1M a 2M2.

Por otro lado, los valores adecuados de resistencias Rin, R2 y RF son entre 100Ω y 1M. Valores muy pequeños de resistencia darían lugar a corrientes demasiado grandes, a niveles que un operacional no es capaz de producir, y aunque lo fueran, la carga de la fuente de alimentación sería excesiva. Por otro lado, resistencias de valores muy grandes tienden a ser inestables y permiten el acoplamiento de señales no deseadas de circuitos cercanos a través del acoplamiento capacitivo parásito.

Seguidor de Tensión o Buffer

Partiendo del esquema del amplificador no inversor, si RF la hacemos 0, y R2, la ganancia de tensión que se obtiene en igual a 1, es decir, la tensión de entrada es igual a la de salida. Y esto, que a priori puede parecer inútil tiene una aplicación importantísima.

circuitos integrados amplificadores operacionales
circuitos integrados amplificadores operacionales

Esta configuración se denomina seguidor de tensión o buffer. Y aunque no se produce una ganancia de tensión sí que va a permitir una adaptación e impedancias y por lo tanto favorecer una mejor trasmisión de la señal de audio, ya que es un dispositivo que cuenta con una altísima impedancia de
entrada (tiende a infinito), y una muy baja de salida (tiende a 0).

Puede utilizarse por ejemplo como una primera etapa en un pedal de efectos, que se encargue de recoger el sonido proveniente de la guitarra o un efecto previo de forma óptima y prepararla para se entregada a las etapas posteriores; o como etapa final del efecto, de modo que la señal que salga va a poder recorrer largas distancias de cable sin que se produzca la temida pérdida de tono que sucede en esa situación de forma característica. Puedes leer nuestro artículo sobre el true bypass y el buffer bypass para ampliar la
información sobre este tema.

Formatos de los Amplificadores Operacionales

Vamos a encontrar dispositivos que incluyen en su interior desde un único amplificador operacional (single op-amp), dos (dual op-amp) o hasta cuatro (quad op-amp) en un mismo encapsulado. Están disponibles igualmente en formato SMD o agujero pasante (DIP o SIP), o con carcasa metálica (TO99). La configuración de los terminales es común en cada uno de estos tipos, por lo que son intercambiables la mayor parte de las veces entre aquellos de la misma clase:

DIP-8

DIP-8

SIP-8

SIP-8

TO-99

TO-99

SMD

SMD

Single op-amp

circuitos integrados amplificadores operacionales

TL061: MXR microamp
TL071
TL081
MIC741:
– MXR Distortion +
– MXR Phase 90
– Maestro MPS-2 Mini Phase Shifte
– DOD 250 Overdrive Preamp
– DeArmond Square Wave
LM308: ProcoRat

Dual op-amp

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LM358 (versión dual del LM324)
– Electro Harmonix 4600 Small Clone
TL062
TL072
– Marsall Guv´nor
– Friedman BE-OD
Klon Centaur
TL082:
– Fulltone OCD
– EXH od glove

OPA2134
RC4580:
– Suhr Riot
JRC4558:
– Ibanez Tube Screamer TS-808
– Fulltone Fuldrive 2
MC1458: Versión dual del IC741

Quad op-amp

circuitos integrados amplificadores operacionales

TL064
TL074
TL084
LM324
LM2900

Una mención especial se merecen los op-amp de la familia TL0XX, quizás los op-apm de entradaFET más frecuentemente utilizados hoy día y desde los años 70-80.


TL071, TL072, and TL074 son chips de “bajo ruido”, muy populares en los circuitos de audio. El “7” indica “bajo ruido”, y el número final hacer referencia a si se trata de un formato “single, dual o quad. Son muy similares a la familia TL08X.


TL06X son los chips de “baja potencia”, bastante comunes en los circuitos de audio alimentados por batería de los años 80 y 90, pero, por contrapartida son algo más ruidosos.
TL05X son una versión mejorada de los tipos “7” y “8”.


Como hemos comentado anteriormente, existe también en esta familia compatibilidad de pines por lo que es posible intercambiarlos (poner un TL072 por ejemplo donde está un TL062, y viceversa). Este es otro motivo más que hace interesante trabajar con zócalos, en lugar de soldar los chips
directamente a la PCB. En caso de que se estropeen, cambiarlos es mucho más sencillo que si hay que ponerse a desoldarlos; y además nos permite experimentar con distintos op-amp en un circuito que ya tengamos completamente montado, incluso ya dentro de la caja del pedal.

circuitos integrados amplificadores operacionales
circuitos integrados amplificadores operacionales

Por hoy vamos a dejarlo aquí. El tema de los amplificadores operaciones, y ni que decir tiene del resto de tipos de circuitos integrados es muy extenso y puede dar para un sinfín de artículos. Espero que como introducción a la materia os haya gustado y os permita poder profundizar y afrontar temas
más complejos en adelante. Para el que desee ahondar en los detalles más técnicos y las matemáticas que están detrás de todo esto le recomiendo consultar el siguiente enlace:

https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_1.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F