Hasta ahora hemos utilizado sólo una de las entradas de los amplificadores operacionales para conectar al amplificador, utilizando el terminal de entrada «inversor» o el «no inversor» para amplificar una sola señal de entrada con la otra entrada conectada a tierra.
Pero como un amplificador operacional estándar tiene dos entradas, inversa y no inversa, también podemos conectar señales a estas dos entradas al mismo tiempo produciendo otro tipo común de circuito amplificador operacional llamado Amplificador Diferencial.
Básicamente, como vimos en el primer tutorial sobre amplificadores operacionales, todos los op-amps son «Amplificadores Diferenciales» debido a su configuración de entrada. Pero al conectar una señal de voltaje en un terminal de entrada y otra señal de voltaje en el otro terminal de entrada, el voltaje de salida resultante será proporcional a la «Diferencia» entre las dos señales de voltaje de entrada de V1 y V2.
Entonces los amplificadores diferenciales amplifican la diferencia entre dos voltajes haciendo de este tipo de circuito amplificador operacional un Sustractor a diferencia de un amplificador sumador que suma o suma los voltajes de entrada. Este tipo de circuito amplificador operacional se conoce comúnmente como configuración de Amplificador Diferencial y se muestra a continuación:
Amplificador diferencial
Conectando cada entrada por turno a 0v de tierra podemos utilizar la superposición para resolver la tensión de salida Vout. Entonces la función de transferencia para un circuito amplificador diferencial viene dada como:
Cuando las resistencias, R1 = R2 y R3 = R4 la función de transferencia anterior para el amplificador diferencial se puede simplificar a la siguiente expresión:
Ecuación del amplificador diferencial
Si todas las resistencias son del mismo valor óhmico, es decir: R1 = R2 = R3 = R4 entonces el circuito se convertirá en un amplificador diferencial de ganancia unitaria y la ganancia de tensión del amplificador será exactamente uno o la unidad. Entonces la expresión de salida sería simplemente Vout = V2 – V1.
También hay que tener en cuenta que si la entrada V1 es mayor que la entrada V2 la suma de voltaje de salida será negativa, y si V2 es mayor que V1, la suma de voltaje de salida será positiva.
El circuito del Amplificador Diferencial es un circuito op-amp muy útil y añadiendo más resistencias en paralelo con las resistencias de entrada R1 y R3, se puede hacer que el circuito resultante «sume» o «reste» los voltajes aplicados a sus respectivas entradas. Una de las formas más comunes de hacer esto es conectar un «Puente Resistivo» comúnmente llamado Puente de Wheatstone a la entrada del amplificador como se muestra a continuación.
Amplificador diferencial con puente de Wheatstone
El circuito estándar del amplificador diferencial se convierte ahora en un comparador de tensión diferencial al «comparar» una tensión de entrada con la otra. Por ejemplo, conectando una entrada a una referencia de tensión fija establecida en una pata de la red de puente resistivo y la otra a un «Termistor» o a una «Resistencia dependiente de la luz», el circuito amplificador puede utilizarse para detectar niveles bajos o altos de temperatura o luz, ya que la tensión de salida se convierte en una función lineal de los cambios en la pata activa del puente resistivo y esto se demuestra a continuación.
Amplificador diferencial activado por luz
Aquí el circuito de arriba actúa como unactivado por la luz que hace que el relé de salida se ponga en «ON» o en «OFF» a medida que el nivel de luz detectado por la resistencia LDR supera o cae por debajo de algún valor preestablecido. Una referencia de tensión fija se aplica al terminal de entrada no inversor del amplificador óptico a través de la red divisora de tensión R1 – R2.
El valor de la tensión en V1 establece el punto de disparo del amplificador óptico con un potenciómetro de retroalimentación, VR2 utilizado para establecer la histéresis de conmutación. Esto es la diferencia entre el nivel de luz para «ON» y el nivel de luz para «OFF».
La segunda pata del amplificador diferencial consiste en una resistencia estándar dependiente de la luz, también conocida como LDR, sensor fotorresistivo que cambia su valor resistivo (de ahí su nombre) con la cantidad de luz en su celda ya que su valor resistivo es una función de la iluminación.
La LDR puede ser cualquier tipo estándar de célula fotoconductora de sulfuro de cadmio (cdS) como la común NORP12 que tiene un rango resistivo de entre unos 500Ω a la luz del sol hasta unos 20kΩ o más en la oscuridad.
La célula fotoconductora NORP12 tiene una respuesta espectral similar a la del ojo humano lo que la hace ideal para su uso en aplicaciones de tipo de control de iluminación. La resistencia de la fotocélula es proporcional al nivel de luz y cae con el aumento de la intensidad de la luz por lo que el nivel de tensión en V2 también cambiará por encima o por debajo del punto de conmutación que puede ser determinado por la posición de VR1.
Entonces, ajustando el disparo del nivel de luz o la posición de ajuste utilizando el potenciómetro VR1 y la histéresis de conmutación utilizando el potenciómetro, VR2 se puede hacer un interruptor sensible a la luz de precisión. Dependiendo de la aplicación, la salida del op-amp puede conmutar la carga directamente, o utilizar un interruptor de transistor para controlar un relé o las propias lámparas.
También es posible detectar la temperatura utilizando este tipo de configuración de circuito simple mediante la sustitución de la resistencia dependiente de la luz con un termistor. Intercambiando las posiciones de VR1 y de la LDR, el circuito puede utilizarse para detectar la luz o la oscuridad, o el calor o el frío utilizando un termistor.
Una de las principales limitaciones de este tipo de diseño de amplificador es que sus impedancias de entrada son menores en comparación con la de otras configuraciones de amplificadores operacionales, por ejemplo, un amplificador no inversor (de una sola entrada).
Cada fuente de tensión de entrada tiene que conducir la corriente a través de una resistencia de entrada, que tiene menos impedancia global que la de la entrada de los op-amps por sí sola. Esto puede ser bueno para una fuente de baja impedancia, como el circuito de puente anterior, pero no tan bueno para una fuente de alta impedancia.
Una forma de superar este problema es añadir un amplificador buffer de ganancia unitaria, como el seguidor de tensión visto en el tutorial anterior, a cada resistencia de entrada. Esto nos da un circuito amplificador diferencial con una impedancia de entrada muy alta y una baja impedancia de salida, ya que consiste en dos buffers no inversores y un amplificador diferencial. Esta es la base de la mayoría de los «amplificadores de instrumentación».
Amplificador de instrumentación
Los amplificadores de instrumentación (in-amps) son amplificadores diferenciales de muy alta ganancia que tienen una alta impedancia de entrada y una salida de un solo extremo. Los amplificadores de instrumentación se utilizan principalmente para amplificar señales diferenciales muy pequeñas procedentes de galgas extensométricas, termopares o dispositivos de detección de corriente en sistemas de control de motores.
A diferencia de los amplificadores operacionales estándar en los que su ganancia en bucle cerrado está determinada por una realimentación resistiva externa conectada entre su terminal de salida y un terminal de entrada, ya sea positivo o negativo, los «amplificadores de instrumentación» tienen una resistencia de realimentación interna que está efectivamente aislada de sus terminales de entrada ya que la señal de entrada se aplica a través de dos entradas diferenciales, V1 y V2.
El amplificador de instrumentación también tiene una muy buena relación de rechazo de modo común, CMRR (salida cero cuando V1 = V2) muy superior a 100dB en CC. A continuación se muestra un ejemplo típico de un amplificador de instrumentación de tres op-amps con una alta impedancia de entrada ( Zin ):
Amplificador de instrumentación de alta impedancia de entrada
Los dos amplificadores noinversores forman una etapa de entrada diferencial que actúan como amplificadores buffer con una ganancia de 1 + 2R2/R1 para las señales de entrada diferencial y ganancia unitaria para las señales de entrada en modo común. Dado que los amplificadores A1 y A2 son amplificadores de realimentación negativa de bucle cerrado, podemos esperar que la tensión en Va sea igual a la tensión de entrada V1. Del mismo modo, la tensión en Vb debe ser igual al valor en V2.
Como los op-amps no toman corriente en sus terminales de entrada (tierra virtual), la misma corriente debe fluir a través de la red de tres resistencias de R2, R1 y R2 conectadas a través de las salidas del op-amp. Esto significa entonces que la tensión en el extremo superior de R1 será igual a V1 y la tensión en el extremo inferior de R1 para ser igual a V2.
Esto produce una caída de tensión a través de la resistencia R1 que es igual a la diferencia de tensión entre las entradas V1 y V2, la tensión diferencial de entrada, porque la tensión en la unión sumadora de cada amplificador, Va y Vb es igual a la tensión aplicada a sus entradas positivas.
Sin embargo, si se aplica una tensión en modo común a las entradas de los amplificadores, las tensiones a cada lado de R1 serán iguales, y no fluirá corriente a través de esta resistencia. Como no fluye corriente a través de R1 (ni, por tanto, a través de las dos resistencias R2), los amplificadores A1 y A2 funcionarán como seguidores de ganancia unitaria (buffers). Como la tensión de entrada en las salidas de los amplificadores A1 y A2 aparece diferencialmente a través de la red de tres resistencias, la ganancia diferencial del circuito puede variarse simplemente cambiando el valor de R1.
La tensión de salida del op-amp diferencial A3 que actúa como restador, es simplemente la diferencia entre sus dos entradas ( V2 – V1 ) y que se amplifica por la ganancia de A3 que puede ser uno, la unidad, (suponiendo que R3 = R4). Entonces tenemos una expresión general para la ganancia de tensión global del circuito amplificador de instrumentación como:
Ecuación del amplificador de instrumentación
En el siguiente tutorial sobre Amplificadores Operacionales, examinaremos el efecto de la tensión de salida, Vout cuando la resistencia de realimentación se sustituye por una reactancia dependiente de la frecuencia en forma de capacitancia. La adición de esta capacitancia de retroalimentación produce un circuito amplificador operacional no lineal llamado Amplificador Integrador.
