Uno de los problemas más comunes cuando se utilizan amplificadores operativos en un proyecto es la necesidad de utilizar una fuente de alimentación simétrica (dos tensiones). En muchos casos, la disponibilidad de una fuente única lleva a problemas que encarecen o aumentan la complejidad del circuito como generar una tensión negativa a partir de circuitos adicionales. Sin embargo, el rendimiento de los operativos con fuentes simples puede ser el mismo obtenido con fuentes dobles modelar los circuitos para esta modalidad de operación no es tan difícil como ver en este artículo. Este artículo se basa en la documentación de Burr-Brown.
Para entender la diferencia entre los dos modos de operación partimos de los circuitos mostrados en la figura 1.
Observe que en la configuración (a) no existe una conexión de tierra en el amplificador operacional. El potencial de tierra, tomado como referencia, tiene un valor que normalmente es la mitad de la tensión de alimentación del circuito. Para este circuito, el amplificador operacional "desconoce" el potencial de tierra.
El circuito tomado como ejemplo es un seguidor de tensión, o sea, la ganancia es unitaria. En este circuito, la tensión de salida es igual a la tensión de entrada. La tensión de salida puede oscilar entre valores positivos y negativos en relación a la tierra tomada como referencia.
En las aplicaciones prácticas los amplificadores en esta configuración no logran una excursión total entre los valores utilizados en la alimentación. Normalmente, con una fuente de 15 + 15 V, la tensión de salida oscilará entre -13 V y + 13 V. Los amplificadores que alcanzan mucho más cerca de la tensión de alimentación en su excursión de salida se denominan "rail-to-rail ".
En la configuración mostrada en (b), por otro lado, el circuito es alimentado con una fuente simple de 30 V. Véase entonces que la señal de salida va a tener una excursión que tiene como máximo 2 V a menos que la tensión utilizada en la alimentación , es decir, va a oscilar entre 0 y 28 V, en este ejemplo.
En la práctica, cualquier amplificador operacional se puede utilizar de esta forma, sin embargo, existen tipos específicos más recomendados para este tipo de operación. Los motivos para que un amplificador operacional no pueda ser utilizado con fuentes simples están en sus características eléctricas.
Uno de los motivos que dificultan la utilización de un amplificador operacional con fuente simple es el rango limitado de rechazo en modo común que es dependiente de la temperatura. El otro punto es justamente el rango de tensiones de excursión de salida que no cubre la banda total hasta la tensión de alimentación.
Así, cuando la tensión se acerca a la tensión de alimentación, el amplificador satura y su salida no alcanza el valor deseado. Esto quiere decir que un amplificador operacional alimentado con 12 V, por ejemplo, sólo puede funcionar satisfactoriamente con señales de entrada hasta aproximadamente 10 V.
Sin embargo, ve que el aumento de la banda de rechazo en modo común compromete otras características del amplificador operacional como la corriente de desplazamiento de entrada, drift y también el ruido. En las aplicaciones menos críticas, la degradación de estas características no compromete el proyecto, pero en las aplicaciones críticas, como instrumentación, eso debe ser mirado con cuidado.
Para utilizar un amplificador operacional con fuente simple, comprometiendo al mínimo sus características, existen varias alternativas. La primera de ellas se muestra en la figura 2.
El valor del diodo zener debe ser un poco menor que la tensión utilizada en la alimentación, teniendo en cuenta la excursión de la señal de salida deseada. Junto al diagrama tenemos las fórmulas principales para las características obtenidas en esta configuración. Un punto importante a ser observado en esta configuración es que la corriente de carga fluye por el terreno virtual.
Así, el diodo zener debe ser dimensionado para poder conducir esta corriente adicional. Otro punto importante es mantener la corriente de salida de tal forma que la tensión en el diodo zener quede siempre positiva, de modo que pueda actuar correctamente en el circuito.
El amplificador mostrado es inversor. Para una configuración no inversora, podemos adoptar el circuito de la figura 3.
La corriente adicional en el diodo zener es dada por la suma de las corrientes en los dos resistores. De la misma forma, el diodo zener debe ser dimensionado para poder manejar esta corriente. Es necesario observar que incluso en amplificadores operativos con FET en la entrada, cuando la tensión de entrada en modo común se vuelve alta, la corriente de polarización puede ser mayor que en amplificadores comunes bipolares, en la operación con fuente simple.
Una forma de obtener la tierra virtual es con el uso de divisores resistivos, como muestra la figura 4. En este circuito la impedancia del circuito de tierra es determinada por la combinación de los resistores del divisor.
La relación entre los valores de los resistores utilizados en el circuito de realimentación determina la ganancia de este amplificador. Como la entrada y la salida tienen como referencia el mismo punto flotante de tierra, la impedancia no es afectada por la ganancia. Otro punto a considerar es que los resistores utilizados tienen valores relativamente bajos, lo que influye en el consumo del circuito.
También se debe considerar que la corriente de carga fluye por esta resistencia, lo que debe ser considerado en su dimensionamiento, para que no ocurran alteraciones en el rango dinámico de corrientes de salida. Una forma de obtener una impedancia baja de salida, sin ser afectada por la tierra flotante es a través del uso de un regulador de tensión externo, como muestra la figura 5.
Al adoptar esta solución para obtener una tierra flotante para un amplificador operacional es necesario que el proyectista esté atento al hecho de que muchos reguladores de tensión exigen una corriente mínima de operación. Si su carga normal está apagada, la tensión en su salida se elevará y tendremos un nuevo nivel para la tierra flotante, que sería el segundo circuito alimentado, este con baja corriente. Una solución mejor para obtener una tierra flotante de baja impedancia es con un amplificador operacional más, usado como buffer, como muestra la figura 6.
Observe los sentidos de circulación de la corriente por la tierra para diferentes sentidos de circulación de corriente por la carga. Los resistores de 22 k en el amplificador de búfer determina la referencia de tensión para el amplificador principal. En este circuito las características de impedancia de salida sin retroalimentación y respuesta de frecuencia del buffer van a determinar las características de todo el circuito. En la figura 7 tenemos una técnica común de utilización de fuente de dos tensiones no balanceadas que se emplea con amplificadores operacionales de alta tensión.
En este tipo de circuito, una pequeña tensión negativa es utilizada para garantizar que en la excursión negativa de la tensión de salida ella llegue a cero, lo que de otra forma no sería posible. Otra categoría de configuraciones que pueden operar con fuente simple es la de los amplificadores diferenciales.
En la figura 8 tenemos un ejemplo de amplificador diferencial que utiliza fuente de alimentación no simétrica. La base es el circuito integrado INA105.
El componente indicado ya posee resistores internos casados ??para mayor precisión. En las aplicaciones comunes, el pino 1 normalmente se conecta a tierra. Este pino puede ser referenciado a una tierra virtual también, como en las aplicaciones que vimos en este artículo. También podemos citar en esta categoría de circuitos los amplificadores para instrumentación, como el mostrado en la figura 9.
Esta configuración está basada en el circuito integrado INA102 que ya posee internamente tres amplificadores operativos interconectados. Los dos primeros son seguidores de tensión y el amplificador final da la ganancia del circuito con una baja impedancia de salida.
Conclusión
Como hemos visto en este artículo, los amplificadores operativos comunes se pueden utilizar de forma eficiente en circuitos que tienen fuentes simples. Una tensión de referencia o tierra flotante puede ser creada de diversas formas y con ello llevar el circuito a una operación apropiada. Recordamos que Burr-Brown que sugiere muchas de las sugerencias, que aprovechamos en este artículo, es una subsidiaria de Texas Instruments.
