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Calculadora de ganancia de amplificador operacional

Calcula la ganancia de tensión inversora y no inversora de un amplificador operacional a partir de las resistencias, con la ganancia en decibelios y salida.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre ganancia inversora y no inversora?

La ganancia no inversora es uno más Rf sobre Rin y mantiene la señal en fase, nunca por debajo de la unidad. La ganancia inversora es la relación negativa entre Rf y Rin, invierte la señal y puede ser menor que la unidad.

¿Por qué mi circuito real no alcanza la ganancia calculada?

La ganancia real está limitada por la ganancia en lazo abierto del op-amp, el producto ganancia-ancho de banda y los rieles de alimentación. A frecuencias altas, el ancho de banda limita la ganancia alcanzable, y la salida no puede superar las tensiones de alimentación.

¿Cómo convierto la ganancia a decibelios?

La ganancia de tensión en decibelios es 20 veces el logaritmo en base 10 de la magnitud de la ganancia: dB = 20 x log10(|ganancia|). Una ganancia de 10 son 20 dB, una ganancia de 100 son 40 dB y una ganancia de 2 son unos 6 dB. El valor en decibelios usa el valor absoluto de la ganancia, por lo que un amplificador inversor con ganancia -10 tiene la misma magnitud de 20 dB que uno no inversor con ganancia +10; el signo negativo solo indica la inversión de fase de 180 grados. Esta calculadora muestra tanto la ganancia lineal (en voltios por voltio) como la ganancia en decibelios.

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Estimaciones solo con fines informativos.

Aviso importante: Estimaciones solo con fines informativos.

Esta calculadora ofrece estimaciones con fines informativos. Los resultados se basan en supuestos y pueden no reflejar resultados reales. Consulta a profesionales calificados en las áreas correspondientes antes de tomar decisiones importantes basadas en estos resultados.

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Cómo funciona esta calculadora

Un amplificador operacional fija su ganancia de tensión en lazo cerrado mediante dos resistores: el resistor de realimentación Rf y el resistor de entrada Rin. En la configuración no inversora la ganancia es uno más la relación entre Rf y Rin, por lo que la salida siempre es al menos la unidad y está en fase con la entrada. En la configuración inversora la ganancia es la relación negativa entre Rf y Rin, lo que invierte la señal y permite ganancias menores que uno.

Esta herramienta calcula la ganancia de tensión, la convierte a decibelios y, si proporcionas una tensión de entrada, da la tensión de salida resultante.

Ejemplo resuelto

Tomemos un amplificador no inversor con un resistor de realimentación Rf = 100 kΩ y un resistor de entrada Rin = 10 kΩ, atacado por una entrada de 0.5 V. La ganancia no inversora es:

Ganancia = 1 + Rf ÷ Rin = 1 + 100 ÷ 10 = 1 + 10 = 11 V/V.

En decibelios eso es 20 × log₁₀(11) ≈ 20.8 dB. Con una entrada de 0.5 V la salida es 11 × 0.5 = 5.5 V.

Cableado en cambio como amplificador inversor con los mismos resistores, la ganancia sería −Rf ÷ Rin = −100 ÷ 10 = −10 V/V, y la entrada de 0.5 V daría −5 V en la salida (la misma magnitud de 20 dB, fase opuesta).

Cómo usarla

Elige la configuración, introduce los valores de los resistores de realimentación y de entrada en kilohmios y, opcionalmente, introduce una tensión de entrada. El resultado muestra la ganancia en voltios por voltio, la ganancia en decibelios y la tensión de salida cuando se indica una entrada.

Inversora frente a no inversora

Los amplificadores no inversores tienen una impedancia de entrada muy alta y nunca atenúan, lo que los hace ideales como buffers y etapas de entrada de sensores. Los amplificadores inversores resultan útiles cuando necesitas restar, mezclar o escalar señales por debajo de la unidad y un desfase de 180 grados es aceptable.

Límites del mundo real

La ganancia real está acotada por la ganancia en lazo abierto del op-amp, su ancho de banda y los rieles de alimentación. A frecuencias altas, el producto ganancia-ancho de banda limita cuánta ganancia puedes obtener, y la salida no puede oscilar más allá de las tensiones de alimentación.

Consejos

Mantén los valores de los resistores moderados para equilibrar el ruido y el error por corriente de bias.
Vigila el producto ganancia-ancho de banda al diseñar para alta frecuencia.
Verifica que la salida se mantiene dentro de los rieles de alimentación con la entrada máxima.

Configuraciones inversora frente a no inversora

En la configuración inversora, la señal de entrada ataca el terminal inversor a través de Rin, y Rf conecta desde la salida de vuelta al terminal inversor. El terminal no inversor se conecta a masa (o a una referencia). La ganancia en lazo cerrado es -Rf/Rin, negativa porque la salida está desfasada 180° respecto a la entrada. La impedancia de entrada es igual a Rin, lo que puede ser una limitación cuando Rin debe ser baja para lograr una ganancia alta manteniendo Rf en un valor razonable. Una gran ventaja es que la entrada inversora se mantiene en una masa virtual: el op-amp ataca activamente la entrada inversora para igualarla a la no inversora, que en este caso está a cero voltios. La masa virtual facilita construir amplificadores sumadores: varios resistores de entrada pueden conectarse al mismo nodo inversor y sus corrientes se suman algebraicamente.

En la configuración no inversora, la señal ataca directamente el terminal no inversor, y la red de realimentación (Rf + R1 de la salida a masa) fija la ganancia como 1 + Rf/R1. Como la señal ataca directamente la entrada no inversora, la impedancia de entrada es la altísima impedancia de entrada en lazo abierto del op-amp, normalmente cientos de megaohmios para un op-amp con entrada JFET o CMOS. Esto hace que las etapas no inversoras sean ideales para leer sensores de alta impedancia. La ganancia mínima es la unidad (con Rf = 0, R1 = abierto), por lo que la configuración no inversora no puede atenuar.

Un amplificador de diferencia usa resistores emparejados en ambas entradas para amplificar la diferencia entre dos señales y rechazar la tensión en modo común. Una buena relación de rechazo en modo común (CMRR) requiere un emparejamiento cuidadoso de los resistores; los resistores de película metálica con tolerancia del 0.1% son típicos en aplicaciones exigentes. Un amplificador de instrumentación (INA) usa tres op-amps y un único resistor de ajuste de ganancia para lograr un CMRR muy alto sin el requisito de emparejamiento, lo que lo convierte en la etapa de entrada estándar para sensores de puente, termopares y entradas de ECG.

Buffer de ganancia unitaria (seguidor de tensión)

El seguidor de tensión es el circuito de op-amp más sencillo: la salida se conecta directamente de vuelta a la entrada inversora, y la señal de entrada ataca el terminal no inversor. La ganancia es exactamente 1 y no se produce inversión de fase. El circuito transforma una fuente de señal de alta impedancia en un excitador de baja impedancia capaz de entregar o absorber toda la corriente de salida del op-amp (normalmente de 10 a 25 mA) sin cargar la fuente. Los seguidores de tensión aparecen entre redes de sensores y entradas de ADC, después de salidas de DAC antes del filtrado, y en la salida de circuitos de tensión de referencia.

Producto ganancia-ancho de banda y límites de frecuencia

Para los op-amps de realimentación por tensión, el producto ganancia-ancho de banda (GBW) es una constante igual al producto de la ganancia en lazo cerrado por el ancho de banda a esa ganancia. Un op-amp con GBW = 1 MHz ajustado a una ganancia de 10 tiene un ancho de banda de -3 dB de solo 100 kHz. Ajustado a una ganancia de 100, el ancho de banda cae a 10 kHz. Esto significa que aumentar la ganancia siempre sacrifica ancho de banda. Al diseñar cadenas de amplificadores, a menudo es mejor encadenar dos etapas de ganancia moderada que una etapa de ganancia alta, porque cada etapa conserva más ancho de banda.

La velocidad de variación (slew rate) (V/µs) limita la rapidez con la que la salida puede cambiar para señales grandes. Si la velocidad máxima de variación de una onda senoidal supera el slew rate, la salida se recorta en una onda triangular: esto es distorsión por slew rate y ocurre aunque la frecuencia de la señal esté dentro del ancho de banda de pequeña señal. Para una excursión de salida de ±10 V a 100 kHz, el slew rate requerido es de al menos 2π × 100,000 × 10 = 6.28 V/µs. El margen de fase es la cantidad de desfase a la frecuencia donde la ganancia en lazo abierto es igual a 1; si el desfase llega a -180° antes de que la ganancia caiga a 1, la realimentación se vuelve positiva y el circuito oscila. La mayoría de los diseños estables de op-amp apuntan a un margen de fase de al menos 45°.

Elegir la velocidad del op-amp

Para aplicaciones de audio (20 Hz a 20 kHz), op-amps como el NE5532 o el OPA2134 con un GBW de 10 MHz son más que suficientes y ofrecen un excelente comportamiento de ruido. Las señales de video (DC a 6 MHz en compuesto, o DC a 50 MHz en componentes) requieren op-amps con un GBW de 50 a 500 MHz y slew rates altos. Para aplicaciones de cadena de señal de RF por encima de 100 MHz, los CI amplificadores de RF dedicados, diseñados con adaptación por líneas de transmisión, son la herramienta adecuada; los op-amps estándar tienen demasiado desfase y velocidad insuficiente a esas frecuencias.

Características de entrada y salida

La tensión de offset de entrada es la tensión diferencial que debe aplicarse entre las entradas para forzar la salida a cero. Los op-amps de propósito general tienen tensiones de offset en el rango de los milivoltios. Los op-amps de precisión (como el OPA277 o el ADA4528) la reducen a microvoltios. Los op-amps con autocero y estabilizados por chopper anulan continuamente el offset, logrando un offset efectivo a nivel de nanovoltios a costa de algo de ruido y ancho de banda.

La corriente de bias de entrada entra o sale por ambos terminales de entrada y crea una tensión de error al multiplicarse por la impedancia de fuente. Los op-amps con entrada bipolar tienen corrientes de bias en el rango de los microamperios, lo que los limita a fuentes de baja impedancia salvo que se use una compensación cuidadosa. Los op-amps con entrada JFET y CMOS tienen corrientes de bias por debajo de 100 pA, e incluso niveles de subpicoamperios, lo que los hace imprescindibles para amplificadores de carga, entradas de electrómetro e interfaces de electrodos de pH.

La excursión de salida está limitada por los rieles de alimentación. Los op-amps estándar no pueden oscilar por completo hasta ninguno de los rieles; los op-amps con salida rail-to-rail se acercan a unos pocos milivoltios de cada alimentación, lo cual es crítico en diseños de alimentación simple donde el rango de la señal puede usar casi toda la tensión de alimentación. La corriente de salida suele estar limitada de 10 a 25 mA por la circuitería interna. Superar este valor provoca el recorte de la tensión de salida y posibles daños.

Ruido

El ruido del op-amp tiene dos componentes: la densidad de ruido de tensión (nV/√Hz), que se amplifica por la ganancia en lazo cerrado, y la densidad de ruido de corriente (pA/√Hz), que crea ruido de tensión al multiplicarse por la impedancia de fuente. A frecuencias bajas, ambas fuentes de ruido aumentan como 1/f (ruido de parpadeo o ruido rosa); por encima de la frecuencia de esquina 1/f el ruido es aproximadamente plano (ruido blanco). Para mediciones de precisión, elige un op-amp cuya esquina 1/f esté por debajo de la banda de frecuencia de la señal y cuya densidad de ruido se ajuste a la impedancia de fuente. Los op-amps bipolares de bajo ruido (como el LT1028) tienen un excelente ruido de tensión pero un alto ruido de corriente; los op-amps JFET tienen mayor ruido de tensión pero un ruido de corriente despreciable, lo que los hace mejores para sensores de alta impedancia.