La configuración del amplificador operacional invertido es una de las topologías de amplificador operacional más simples y más utilizadas.
Vimos en el último tutorial que la ganancia de bucle abierto (Avo) de un amplificador operacional puede ser muy alta, tanto como 1,000,000 (120dB) o más.
Sin embargo, esta ganancia muy alta no nos sirve para nada, ya que hace que el amplificador sea inestable y difícil de controlar, ya que la más pequeña de las señales de entrada, solo unos pocos micro-voltios (μV) sería suficiente para hacer que la tensión de salida saturar y girar hacia uno u otro de los rieles de suministro de voltaje perdiendo el control completo de la salida.
Como la ganancia de CC en bucle abierto de un amplificador operacional es extremadamente alta, por lo tanto, podemos perder parte de esta alta ganancia conectando un resistor adecuado a través del amplificador desde el terminal de salida al terminal de entrada inversor para reducir y controlar la ganancia general del amplificador. Esto produce un efecto conocido comúnmente como retroalimentación negativa y, por lo tanto, produce un sistema basado en un amplificador operacional muy estable.
La retroalimentación negativa es el proceso de " realimentar " una fracción de la señal de salida a la entrada, pero para que la retroalimentación sea negativa, debemos retroalimentarla al terminal negativo o de "inversión de entrada" del op-amp usando una fuente externa. Resistencia de realimentación llamada Rƒ . Esta conexión de realimentación entre la salida y el terminal de entrada inversor fuerza el voltaje de entrada diferencial hacia cero.
Este efecto produce un circuito de bucle cerrado para el amplificador que da como resultado que la ganancia del amplificador ahora se denomine Ganancia de bucle cerrado . Luego, un amplificador inversor de bucle cerrado utiliza retroalimentación negativa para controlar con precisión la ganancia general del amplificador, pero a un costo en la reducción de la ganancia de los amplificadores.
Esta retroalimentación negativa hace que el terminal de entrada inversora tenga una señal diferente que la tensión de entrada real, ya que será la suma de la tensión de entrada más la tensión de retroalimentación negativa que le da la etiqueta o el término de un 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 usando la entrada positiva no inversora, esto se conecta a una terminal de tierra común o de voltaje cero como se muestra a continuación, pero el efecto de este circuito de retroalimentación de bucle cerrado hace que el potencial de voltaje en la entrada inversora sea igual al de la entrada. La entrada no inversora produce un punto de suma de Virtual Earth porque tendrá el mismo potencial que la entrada de referencia conectada a tierra. En otras palabras, el amplificador operacional se convierte en un “amplificador diferencial”.
Inversión de la configuración del amplificador operacional
En este circuito del amplificador inversor , el amplificador operacional está conectado con retroalimentación para producir una operación de bucle cerrado. Cuando se trata de amplificadores operacionales, hay dos reglas muy importantes que recordar acerca de la inversión de amplificadores, que son: "No fluye corriente en el terminal de entrada" y que "V1 siempre es igual a V2". Sin embargo, en los circuitos del amplificador operacional del mundo real, ambas reglas están ligeramente quebradas.
Esto se debe a que la unión de la entrada y la señal de realimentación ( X ) tiene el mismo potencial que la entrada positiva ( + ) que está a cero voltios o 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 pueden establecer mediante la relación de las dos resistencias externas.
Dijimos anteriormente que hay dos reglas muy importantes que recordar acerca de los Amplificadores Inversores o cualquier amplificador operacional para el caso y estas son.
- No hay flujos de corriente en los terminales de entrada
- El voltaje de entrada diferencial es cero como V1 = V2 = 0 (tierra virtual)
Luego, al usar estas dos reglas, podemos derivar la ecuación para calcular la ganancia de bucle cerrado de un amplificador inversor, utilizando los primeros principios.
La corriente ( i ) fluye a través de la red de resistencia como se muestra.
Entonces, la ganancia de voltaje en lazo cerrado de un amplificador inversor se da como.
y esto puede ser transpuesto 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 180 ° . Esto se debe a que la retroalimentación es de valor negativo.
La ecuación para el voltaje de salida Vout también muestra que el circuito es de naturaleza lineal para una ganancia de amplificador fija como Vout = Vin x Gain. Esta propiedad puede ser muy útil para convertir una señal de sensor más pequeña a un voltaje mucho mayor.
Otra aplicación útil de un amplificador de inversión es la de un circuito de "amplificador de transresistencia". Un amplificador de transresistencia, también conocido como "amplificador de transimpedancia", es básicamente un convertidor de corriente a voltaje (corriente de "entrada" y voltaje "de salida"). Se pueden usar en aplicaciones de baja potencia para convertir una corriente muy pequeña generada por un fotodiodo o un dispositivo de detección de fotos, etc., en un voltaje de salida utilizable que es proporcional a la corriente de entrada como se muestra.
Circuito Amplificador Transresistente
El simple circuito de luz activado arriba, convierte una corriente generada por el fotodiodo en un voltaje. La resistencia de realimentación Rƒ establece el punto de voltaje operativo en la entrada inversora y controla la cantidad de salida. La tensión de salida se da como Vout = I s x Rƒ . Por lo tanto, el voltaje de salida es proporcional a la cantidad de corriente de entrada generada por el fotodiodo.
Inversión Op-amp Ejemplo No1
Encuentre la ganancia de bucle cerrado del siguiente circuito amplificador inversor.
Usando la fórmula previamente encontrada para la ganancia del circuito.
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 de bucle cerrado del circuito amplificador inversor anterior se da -10 o 20dB (20log (10)).
Inversión Op-amp Ejemplo No2
La ganancia del circuito original debe aumentarse a 40 (32dB), encuentre los nuevos valores de las resistencias requeridas.
Suponiendo que la resistencia de entrada debe permanecer en el mismo valor de 10 KΩ , entonces, al reorganizar la fórmula de ganancia de voltaje de bucle cerrado podemos encontrar el nuevo valor requerido para la resistencia de realimentación Rƒ .
Ganancia = Rƒ / Rin
por lo tanto, Rƒ = Ganancia x Rin
Rƒ = 40 x 10,000
Rƒ = 400,000 o 400KΩ
Los nuevos valores de resistencias requeridos para que el circuito tenga una ganancia de 40 serían:
Rin = 10KΩ y Rƒ = 400KΩ
La fórmula también podría reorganizarse 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 tienen el mismo valor, Rin = Rƒ, entonces la ganancia del amplificador será -1, lo que producirá una forma complementaria de la tensión de entrada en su salida como Vout = -Vin . Este tipo de configuración de amplificador inversor generalmente se denomina inversor de ganancia Unity de simplemente un búfer inversor .
En el siguiente tutorial sobre amplificadores operacionales, analizaremos el complemento del circuito del amplificador operacional del amplificador inversor , denominado amplificador no inversor, que produce una señal de salida que está "en fase" con la entrada.
