El desarrollo inicial de la electrónica y sobre todo los circuitos integrados ha ido dando saltos evolutivos. No ha sido una curva ascendente. Es cierto que ahora nos encontramos en una época de crecimiento exponencial pero estable regida por la Ley de Moore. Pero la evolución desde el descubrimiento de la electricidad y el encendido de la primera bombilla, ha sufrido varios subidones.
El más significativo ha sido el descubrimiento del transistor. Y es posible que dentro de unos años podamos hablar de los primeros elementos de tecnología cuántica aplicada. Pero entre estos puntos debemos hacer especial mención al amplificador operacional u OA.
En los primeros años de la Era de las Comunicaciones el principal problema era la distancia. Debido a las caídas de tensión producidas por las pérdidas sufridas en los cables por Efecto Joule, las señales no podían ser transmitidas a grandes distancias. La única forma de ampliar el alcance de las señales era mediante un complejo y gran sistema de bobinas y gruesos cables que volvían a fortalecer la señal. El problema estribaba en que estos grandes y poco protegidos sistemas eran una fuente de riesgos. Eran un peligro para el personal de mantenimiento debido a las altas tensiones eléctricas, y un constante gasto en mantenimiento. Y dada la demanda, estas estaciones debían ser cada vez más grandes y numerosas.
La expansión eléctrica estaba bloqueada.
Pero no solo a nivel de ciudades. Las propias máquinas y los primeros circuitos integrados presentaban problemas similares. Algunas partes necesitaban ser alimentadas a determinadas tensiones para funcionar. Pero las caídas producidas entre la fuente y el circuito específico impedían el correcto funcionamiento de complejos circuitos sin la inclusión de grandes bobinas y tubos de vacío.
El transistor supuso un gran impulso al simplificar y reducir los sistemas. Pero la alimentación de tensión necesaria en todas las partes seguía siendo un problema de tamaño.
En 1964 Robert John Widlar teorizó sobre una composición de elementos simples que por inducción y relaciones de las Leyes de Ampere, podían modificar la tensión en la etapa de salida. Esta idea era una evolución del sistema de bobinas desarrollado en 1947 para la realización de operaciones analógicas con las primeras computadoras. Por eso terminó conociéndose como amplificador operacional.
Implementó físicamente su teoría en el μA702. Aunque este primer modelo era muy simple y el propio Wildlar lo mejoraría su prototipo con gran éxito comercial con el μA709 en 1965.
Unos pocos años más tarde, en 1968, David Fullagar diseñó un nuevo amplificador operacional basado en tecnología bipolar que sería muy bien acogido por todas las empresas. Este nuevo prototipo que se considera de segunda generación de amplificadores y que se denominó como μA741. Tal fue su aceptación que se convertiría en el estándar de la industria electrónica. Y en la actualidad es uno se los más utilizados.
Vout = G(V+ – V–)
Tanto los primeros amplificadores operacionales como los de segunda generación constan de tres etapas, entrada, ganancia y salida. Entran dentro de la clasificación de dispositivos activos de alta ganancia. Y el objetivo es actuar con respecto a una Función de Transferencia (FT) deseada. El amplificador operacional tiene dos entradas y una salida y su configuración es tal que se genera una relación de alta ganancia del orden de:
Y presentan las siguientes características:
- Alta impedancia (Z) de entrada y baja impedancia de salida -> No existe corriente en la entrada
- Diferencia nula de potencial entre los terminales
- Ganancia del circuito de AOP de 200000 -> G=∞
- No existe flujo de corriente de salida en los terminales de entrada. Inversor y no inversor.
- La ganancia puede regularse mediante los terminales de alimentación
Estas características hacen que trabajar con amplificadores sea bastante sencillo, adaptativo y preciso. Y por eso han conquistado la industria.
Según se diseñe el circuito eléctrico que contiene el amplificador operacional se puede modular la potencia de una señal de entrada para amplificarla en la salida de forma que recuperemos la tensión perdida en el circuito antes de llegar a los puntos críticos. Y no solo amplificar dicha señal. Sino que también podemos realizar operaciones con una o varias señales de entrada sin tener que aplicar grandes tensiones de respaldo y con pequeños chips. Inversores, sumadores, diferenciadores, etc. Los amplificadores operacionales son el mejor amigo de los diseñadores de circuitos gracias a su potencia, su versatilidad y a su precisión.
Las configuraciones más usuales son:
- Inversores.
- No inversores.
- Sumadores.
- Diferenciadores.
- Comparadores.
- Convertidores A/D y D/A.
- Filtros activos.
- Amplificadores de muestreo y retención
Aunque se suelen clasificar en configuración en lazo abierto o lazo cerrado. Al igual que en un sistema de control, la salida de un amplificador operacional se puede o no devolver a la etapa de entrada en el terminal inversor, o en el no inversor. Este lazo de retroalimentación junto con las fuentes de tensión y las resistencias y/o condensadores son las que determinan la configuración característica y el resultado en la salida.
Por lo que los amplificadores operacionales han sido y son la pieza clave para el diseño de los circuitos integrados complejos y la miniaturización de los sistemas.
Referencias:
- Ingeniería de control moderna. K. Ogata. Pearson. 5º Edición.
- https://www.diarioelectronicohoy.com/blog/el-amplificador-operacional
