Los amplificadores son circuitos electrónicos que aumentan la intensidad de una señal para que pueda procesarse, medirse o transmitirse de forma más eficaz. En sistemas analógicos, las señales procedentes de sensores, fuentes de audio o circuitos de control suelen ser demasiado débiles para usarse directamente, por lo que los amplificadores se emplean para aumentar los niveles de voltaje, mejorar la calidad de la señal y preparar la señal para la siguiente etapa. Los amplificadores operacionales, diferenciales y amplificadores de instrumentación manejan las señales de formas diferentes y se utilizan en situaciones distintas. Este artículo compara estos tres tipos de amplificadores, explicando cómo funcionan, en qué difieren y cómo elegir el adecuado para aplicaciones reales.
¿Qué es un amplificador operacional?
Un amplificador operacional, o amplificador operacional, es un amplificador electrónico que aumenta la diferencia entre dos voltajes de entrada y produce un voltaje de salida. Tiene dos terminales de entrada: la entrada no inversora (+) y la entrada inversora (−). La salida cambia en función de la diferencia de tensión entre estas dos entradas.
En circuitos prácticos, un amplificador operacional suele usarse con componentes de retroalimentación externa como resistencias y condensadores. Estas piezas controlan la ganancia, la estabilidad, el ancho de banda y el comportamiento general del circuito. La idea básica de un amplificador operacional puede expresarse como:
Vout = Aol(V+ − V−)
donde Vout es la tensión de salida, Aol es la ganancia en lazo abierto, V+ es la tensión de entrada no inversora y V− es la tensión de entrada inversora. En aplicaciones reales, la muy alta ganancia en lazo abierto suele controlarse mediante retroalimentación negativa para que el circuito pueda producir una salida estable y predecible.
¿Qué es un amplificador diferencial?
Un amplificador diferencial aumenta la diferencia entre dos voltajes de entrada y reduce las señales que aparecen por igual en ambas entradas. Estas señales iguales se denominan señales de modo común. Por ello, un amplificador diferencial es útil cuando la señal importante es la diferencia de voltaje entre dos puntos, no solo una señal medida contra tierra.
Un amplificador diferencial básico tiene dos entradas, a menudo llamadas V1 y V2, y una salida. La salida cambia según la diferencia entre las dos entradas. Si ambas entradas suben o bajan juntas debido a ruido o interferencias, el amplificador intenta rechazar esa señal compartida y solo amplifica la diferencia útil.
La idea básica puede expresarse como:
Vout = Ad(V2 − V1)
donde Vout es la tensión de salida, Ad es la ganancia diferencial y V2 − V1 es la diferencia de tensión entre las dos señales de entrada.
¿Qué es un amplificador de instrumentación?
Un amplificador de instrumentación es un amplificador de precisión diseñado para amplificar señales diferenciales muy pequeñas mientras rechaza ruido o señales no deseadas que aparecen por igual en ambas entradas. Se utiliza comúnmente cuando la señal proviene de sensores, porque muchos sensores producen cambios de tensión débiles que requieren una amplificación precisa antes de su procesamiento.
Un amplificador de instrumentación tiene dos terminales de entrada y normalmente un terminal de salida. Como un amplificador diferencial, amplifica la diferencia entre los dos voltajes de entrada. Sin embargo, proporciona una impedancia de entrada más alta, mejor rechazo en modo común y una ganancia más estable que un amplificador diferencial básico. Esto ayuda a evitar la carga de sensores y mejora la precisión de las mediciones.
La idea básica puede expresarse como:
Vout = G(V2 − V1)
donde Vout es la tensión de salida, G es la ganancia del amplificador y V2 − V1 es la tensión diferencial de entrada.
Amplificador operacional vs amplificador diferencial vs amplificador de instrumentación
| Punto de comparación | Amplificador Operacional | Amplificador diferencial | Amplificador de instrumentación |
|---|---|---|---|
| Tipo de entrada | Puede usarse con entrada de extremo simple o diferencial dependiendo del diseño del circuito | Utiliza dos señales de entrada y responde a su diferencia | Utiliza dos señales de entrada y responde a su diferencia |
| Tipo de salida | Normalmente salida single-ended | Normalmente la salida de un solo extremo, pero también existen versiones totalmente diferenciales | Normalmente salida de un solo extremo, dependiendo del diseño del CI |
| Ecuación básica | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Control de ganancia | La ganancia suele estar determinada por resistencias externas de retroalimentación | La ganancia se determina mediante las proporciones de resistencias | La ganancia suele estar determinada por una resistencia de ajuste de ganancia |
| Impedancia de entrada | Normalmente alta, dependiendo del tipo y configuración del amplificador operacional | Los diseños de resistencias moderadas a altas, pero básicas, pueden cargar la fuente | Muy alta, lo que la hace adecuada para sensores |
| Nivel de precisión | De uso general a precisión, dependiendo del amplificador operacional utilizado | Precisión moderada a buena | Alta precisión |
| Error de desplazamiento | Depende del amplificador operacional seleccionado | Afectado por el desajuste del amplificador operacional y la descoordinación de la resistencia | Normalmente con bajo desplazamiento y baja deriva en modelos de precisión |
| Ancho de banda | Amplio rango, dependiendo del amplificador operacional | Depende de la red de amplificador operacional, ganancia y resistencias | A menudo más bajos que los amplificadores operacionales generales a alta ganancia |
| Complejidad del circuito | Simple a moderado | Moderado | Moderado a alto, pero sencillo cuando se usa un CI integrado |
| Componentes externos | Resistencias de realimentación y otras piezas dependiendo de la configuración | Requiere resistencias ajustadas con precisión | A menudo solo necesita una resistencia de ajuste de ganancia y unas pocas piezas de soporte |
| Sensibilidad a la adaptación de resistencias | Importante en circuitos de ajuste de ganancia | Muy importante para ganar precisión y CMRR | Menos difícil para los usuarios cuando se utilizan circuitos integrados con resistencias emparejadas |
| Mejor uso | Amplificación general, filtrado, almacenamiento en búfer y procesamiento analógico de señales | Medición de diferencias de voltaje entre dos puntos | Medición de señales de precisión de sensores |
| Ventaja principal | Muy flexible y ampliamente disponible | Rechaza señales comunes y mide diferencias de voltaje | Alta precisión, alta impedancia de entrada y fuerte rechazo en modo común |
| Limitación principal | No siempre es ideal para señales de sensores diminutas sin un cuidado extra de diseño | La precisión depende de la adaptación de resistencias y la impedancia de entrada | Más especializado y puede costar más que los circuitos básicos de amplificador operacional |
Factores clave de rendimiento de amplificadores a considerar
Ajuste de ganancia y precisión de ganancia
El ajuste de ganancia explica cómo se controla la ganancia de salida del amplificador, mientras que la precisión de ganancia indica qué tan cerca está la ganancia real del valor esperado.
• En un circuito de amplificador operacional, la ganancia suele ser fijada por resistencias externas de retroalimentación. Por ejemplo, un amplificador operacional no inversor utiliza la relación de resistencias alrededor del camino de realimentación para establecer la ganancia. Esto hace que los amplificadores operacionales sean muy flexibles porque el mismo dispositivo puede usarse para buffering, baja ganancia, alta ganancia, filtrado o acondicionamiento de señal.
• En un amplificador diferencial, la ganancia también depende de las relaciones de las resistencias, pero el emparejamiento de resistencias se vuelve más crítico. Si las relaciones de las resistencias no están ajustadas de forma estrecha, el amplificador puede producir un error de ganancia y un rechazo en modo común más débil. Para circuitos diferenciales de precisión, los diseñadores suelen usar resistencias de tolerancia ajustada como piezas al 0,1% o 0,01% en lugar de resistencias estándar al 1%.
• En un amplificador de instrumentación, la ganancia suele estar determinada por una resistencia externa o por una red interna de ajuste de ganancia, lo que facilita lograr una ganancia estable en circuitos de sensor y medición. Analog Devices señala que los amplificadores operacionales se configuran a través de varios componentes externos, mientras que los amplificadores de instrumentación suelen configurarse para ganancia a través de una resistencia o tomas de ganancia seleccionables.
Rechazo en modo común y rechazo de ruido
El rechazo en modo común describe lo bien que un amplificador rechaza señales que aparecen en ambas entradas al mismo tiempo. Esto es importante porque los circuitos reales a menudo captan ruido compartido de líneas eléctricas, motores, fuentes de alimentación conmutadas, cables largos de sensores o circuitos digitales cercanos. Si el amplificador tiene un rechazo pobre en modo común, parte de ese ruido no deseado puede aparecer en la salida y reducir la precisión de la señal.
• Los amplificadores operacionales pueden rechazar señales de modo común, pero su rendimiento real depende de la configuración del circuito y el diseño de retroalimentación.
• Un amplificador diferencial está diseñado específicamente para amplificar la diferencia entre dos entradas, pero su CMRR depende en gran medida de la adaptación de resistencias. Si la red de resistencias no está equilibrada, el rechazo de ruido en modo común se debilita.
• Los amplificadores de instrumentación suelen proporcionar el rechazo en modo común más fuerte porque están diseñados para señales diferenciales pequeñas en entornos ruidosos. En muchas aplicaciones de sensores de precisión, los amplificadores de instrumentación pueden tener valores CMRR de entre 80 dB y más de 120 dB, dependiendo de la ganancia y el tipo de dispositivo.
Por eso suelen preferirse para sensores puente, termopares y señales de medición médica o industrial. Analog Devices describe los amplificadores de instrumentación como bloques de ganancia de entrada diferencial, comúnmente utilizados donde se necesita alta impedancia de entrada y rechazo en modo común.
Impedancia de entrada y carga de fuente
La impedancia de entrada muestra cuánto afecta el amplificador a la fuente de señal. Una alta impedancia de entrada significa que el amplificador recibe muy poca corriente de la fuente, por lo que la señal original se conserva mejor. Una baja impedancia de entrada puede cargar la fuente, reducir el voltaje medido y generar un error de señal antes incluso de que comience la amplificación.
• Los amplificadores operacionales suelen tener alta impedancia de entrada, especialmente los tipos CMOS y JFET. Esto los hace útiles para el almacenamiento en búfer de voltaje y el acondicionamiento general de señales.
• Los amplificadores diferenciales pueden tener menor impedancia efectiva de entrada porque la señal de entrada a menudo pasa a través de redes de resistencias. Esto puede convertirse en un problema cuando la señal fuente es débil o proviene de un sensor de alta impedancia.
• Los amplificadores de instrumentación suelen proporcionar una impedancia de entrada muy alta y equilibrada en ambas entradas, lo que ayuda a evitar la carga de los sensores.
Desplazamiento, deriva y precisión de medición
El voltaje desplazado es un pequeño error de tensión no deseado que aparece en la entrada del amplificador. Incluso cuando las dos señales de entrada son iguales, un amplificador real puede producir un pequeño error de salida debido a un desequilibrio interno. Este error se vuelve más grave al medir señales muy pequeñas, como salidas de sensores a nivel de microvoltios o milivoltios.
La deriva significa que el desplazamiento o la ganancia cambia conforme la temperatura cambia con el tiempo. Esto es importante en circuitos de medición industrial, automotrices y de precisión porque el amplificador puede no mantenerse a una temperatura fija. Los amplificadores operacionales generales pueden ser aceptables para el acondicionamiento básico de señal, pero los amplificadores operacionales de precisión y los amplificadores de instrumentación son mejores cuando el desplazamiento y el deriva deben ser muy bajos. Por ejemplo, algunos amplificadores operacionales de precisión sin deriva pueden tener voltaje desplazado en el rango submicrovoltio y desplazamiento de desplazamiento tan bajo como 0,005 μV/°C, dependiendo del dispositivo. La familia de amplificadores de precisión OPAx189 de TI es un ejemplo que muestra valores de desplazamiento y deriva muy bajos para la medición de señales de precisión.
Ancho de banda, velocidad de cambio y respuesta de señal
El ancho de banda muestra el rango de frecuencias que un amplificador puede manejar sin una pérdida significativa de señal. La velocidad de desplazamiento muestra la velocidad a la que puede cambiar el voltaje de salida, normalmente medido en V/μs. Estos dos factores determinan si el amplificador puede seguir con precisión señales de entrada que cambian rápidamente. Si el ancho de banda es demasiado bajo, las señales de alta frecuencia se vuelven más débiles. Si la velocidad de variación es demasiado baja, la salida puede verse distorsionada cuando la señal cambia rápidamente.
Para amplificadores operacionales, el ancho de banda suele estar relacionado con el producto ganancia-ancho de banda. Esto significa que, a medida que aumenta la ganancia en lazo cerrado, el ancho de banda útil suele disminuir. Por ejemplo, si un amplificador operacional con retroalimentación de voltaje tiene un producto ganancia-ancho de banda de 10 MHz, puede proporcionar alrededor de 10 MHz de ancho de banda con ganancia de 1, pero solo alrededor de 1 MHz con ganancia de 10, en un caso simplificado. El producto de ganancia y ancho de banda en lazo cerrado es una figura clave de mérito para muchos amplificadores operacionales de retroalimentación de voltaje.
Los amplificadores diferenciales y de instrumentación también tienen límites de ancho de banda, especialmente a mayor ganancia. Los amplificadores de instrumentación suelen estar optimizados para la precisión y el rechazo de ruido en lugar de velocidades muy altas, por lo que su ancho de banda puede reducirse a medida que aumenta la ganancia. Para señales rápidas, deberías comprobar tanto el ancho de banda como la velocidad de slew en la hoja de datos. El ancho de banda a potencia completa debería ser normalmente varias veces mayor que la frecuencia máxima de la señal de salida para evitar distorsiones en los diseños de amplificadores de alta velocidad
Aplicaciones reales de cada tipo de amplificador
Aplicaciones de amplificadores operacionales
Los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente cuando un circuito necesita un control flexible de señal. Pueden amplificar señales de tensión débil, amortiguar una etapa de circuito de otra, filtrar frecuencias no deseadas o ajustar una señal antes de que pase a un ADC, microcontrolador u otro circuito analógico. Debido a que la ganancia y la función están establecidas por componentes externos de retroalimentación, un circuito integrado de amplificador operacional puede soportar muchos roles diferentes en el circuito.
Un ejemplo común es el LM358. Es un amplificador de doble operación que se utiliza a menudo en circuitos analógicos sensibles al coste. Texas Instruments lista el LM358 como un amplificador operacional dual de 30 V y 700 kHz, lo que lo hace adecuado para el acondicionamiento general de señales, amplificación de baja frecuencia, circuitos de interfaz de sensores y sistemas básicos de control analógico. Por ejemplo, un LM358 puede usarse para amplificar un pequeño voltaje de sensor antes de que sea leído por un microcontrolador, o puede actuar como buffer de voltaje para que la siguiente etapa del circuito no cargue la fuente de señal.
Los amplificadores operacionales también son comunes en filtros activos, preamplificadores de audio, seguidores de voltaje, amplificadores de error en fuentes de alimentación y circuitos de detección de señal similares a comparadores. Suelen ser la mejor opción cuando el circuito necesita flexibilidad en lugar de la máxima precisión en la medición.
Aplicaciones de amplificadores diferenciales
Los amplificadores diferenciales se utilizan cuando el circuito necesita medir la diferencia entre dos puntos de tensión en lugar de medir una sola tensión respecto a tierra. Esto los hace útiles en la detección de corriente, la resta de voltaje, la recepción equilibrada de señales, la realimentación de control del motor y circuitos donde aparece ruido no deseado en ambas líneas de entrada. Al centrarse en la diferencia de voltaje, un amplificador diferencial puede reducir el ruido compartido y extraer la señal útil.
Un ejemplo real de CI es el AD8276 de Analog Devices. El AD8276 es un amplificador de diferencia de ganancia unitaria diseñado para el acondicionamiento de señal de precisión en aplicaciones de baja potencia. Incluye resistencias internas recortadas con láser, lo que ayuda a mejorar la precisión de la ganancia y el rechazo en modo común en comparación con un simple amplificador diferencial de resistencia discreta. Analog Devices lista los AD8276/AD8277 como amplificadores de diferencia de propósito general con una relación de rechazo en modo común de 86 dB y baja deriva de ganancia.
En circuitos reales, un dispositivo como el AD8276 puede utilizarse para detección de corriente, medición precisa de voltaje, conversión de extremo único a diferencial y acondicionamiento industrial de señales. Es útil cuando el diseñador necesita una restadura precisa entre dos señales pero no necesita la actuación completa de medición de sensores de un amplificador de instrumentación.
Aplicaciones de amplificadores de instrumentación
Los amplificadores de instrumentación se utilizan cuando el circuito debe medir señales diferenciales muy pequeñas con precisión, especialmente cuando hay ruido presente. Son comunes en sistemas de sensores porque proporcionan alta impedancia de entrada, ganancia estable y un rechazo en modo común fuerte. Esto ayuda a evitar que las señales débiles de los sensores se carguen o distorsionen antes de la amplificación.
Un ejemplo común es el INA333 de Texas Instruments. El INA333 es un amplificador de instrumentación de baja potencia y precisión diseñado para una medición precisa de señales. TI afirma que utiliza un diseño de amplificador instrumentado de tres amplificadores operacionales y que una sola resistencia externa puede ajustar la ganancia. Esto lo hace útil para aplicaciones portátiles y basadas en sensores donde las señales pequeñas necesitan una amplificación limpia.
Los amplificadores de instrumentación se utilizan a menudo con celdas de carga, galga extensiométrica, sensores de puente, termopares, sensores de presión, sensores biomédicos y sistemas de adquisición de datos. Por ejemplo, una celda de carga puede producir solo una pequeña señal a nivel de milivoltios cuando se aplica un peso. Un amplificador de instrumentación como el INA333 puede amplificar esa pequeña señal diferencial mientras rechaza el ruido captado por los cables sensores.
Selección de amplificador de ejemplo real
| Caso de uso del sistema | Tipo de señal | Requisito clave | Amplificador recomendado | Por qué encaja |
|---|---|---|---|---|
| Amplificador de audio (de micrófono a altavoz) | mV a V (de un solo extremo) | Ganancia flexible, ancho de banda amplio | Amplificador operacional (por ejemplo, TL072, LM358) | Gestiona la amplificación, filtrado y buffering de señal con un diseño sencillo |
| Monitorización de corrientes motoras | mV (a través del derivado, diferencial) | Rechazo al ruido, inmunidad a PWM | Amplificador diferencial (por ejemplo, INA240) | Mide la diferencia de tensión y rechaza el ruido de conmutación |
| Sistema de ECG Médico | μV (diferencial muy pequeño) | Alta precisión, alto CMRR | Amplificador de instrumentación (por ejemplo, AD8232) | Amplifica señales débiles con un fuerte rechazo de ruido |
| Célula de carga / Sistema de pesaje | mV (sensor puente) | Alta impedancia de entrada, ganancia estable | Amplificador de instrumentación (por ejemplo, INA333) | Previene la carga del sensor y garantiza una medición precisa |
| Control de retroalimentación de la fuente de alimentación | V (de un solo extremo) | Ganancia estable, respuesta rápida | Amplificador operacional | Utilizado como amplificador de errores para la regulación de tensión |
| Interfaz de sensores industriales | mV a V (diferencial o de extremo simple) | Precisión y manejo del ruido | Amplificador operacional o amplificador de instrumentación | La elección depende de la intensidad de la señal y el nivel de ruido |
| Detección de corriente de batería | mV (diferencial de lado bajo o de lado alto) | Precisión, baja deriva | Amplificador diferencial | Mide con precisión una pequeña caída de tensión a través de la resistencia de derivación |
Conclusión
Los amplificadores operacionales, diferenciales y amplificadores de instrumentación satisfacen cada uno diferentes necesidades de señal. Utiliza un amplificador operacional para amplificación flexible, buffering, filtrado y acondicionamiento general de señal. Utiliza un amplificador diferencial cuando el circuito necesite comparar dos puntos de tensión o reducir el ruido compartido. Utiliza un amplificador de instrumentación al medir señales de sensores muy pequeñas que requieren alta precisión, alta impedancia de entrada y un fuerte rechazo de ruido. Elegir el amplificador adecuado depende del tipo de señal, nivel de ruido, precisión, velocidad y requisitos del circuito.
