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General

Calculadora de Ganancia de Amplificador Operacional

Calcula la ganancia de amplificadores operacionales en configuración inversora y no inversora.

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Fórmula

Avnon−inv=1+RfRin,Avinv=−RfRin,f−3dB=GBW∣Av∣A_v^{non-inv} = 1 + \frac{R_f}{R_{in}}, \quad A_v^{inv} = -\frac{R_f}{R_{in}}, \quad f_{-3dB} = \frac{GBW}{|A_v|}

Referencia: Horowitz & Hill, The Art of Electronics, 3rd ed.

Av— Ganancia de tensión (V/V)
Rf— Resistencia de retroalimentación (R1) (kΩ)
Rin— Resistencia de entrada (R2) (kΩ)
GBW— Producto de ganancia de ancho de banda (Hz)
f₋₃dB— Ancho de banda de −3 dB (Hz)
Zin— Impedancia de entrada (Ω)

Cómo Funciona

La calculadora de ganancia de amplificador operacional calcula la ganancia de bucle cerrado para configuraciones invertidas (G = -Rf/Rin) y no invertidas (G = 1 + Rf/Rin), esenciales para el acondicionamiento de señales, los amplificadores de instrumentación y el diseño de filtros activos. Los diseñadores de circuitos analógicos, los ingenieros de interfaces de sensores y los diseñadores de audio lo utilizan para establecer etapas de ganancia precisas y, al mismo tiempo, gestionar las compensaciones entre ancho de banda y ruido. Según «Art of Electronics» de Horowitz & Hill (tercera edición, capítulo 4), el producto de ganancia de ancho de banda (GBW) es constante para los amplificadores operacionales con retroalimentación de voltaje: GBW = ganancia × ancho de banda. Un TL072 con GBW = 3 MHz con una ganancia de 100 tiene un ancho de banda de solo 30 kHz. Para ganancias superiores a 10, considere la posibilidad de utilizar amplificadores con retroalimentación de corriente (AD8009: ancho de banda de 1 GHz independiente de la ganancia) o amplificadores de instrumentación (AD620: precisión de ganancia del 0,1%).

Ejemplo Resuelto

Diseñe un amplificador sin inversión con una ganancia = 10 (20 dB) utilizando un OPA2134 (GBW = 8 MHz) para aplicaciones de preamplificador de audio. Calcule los valores de resistencia: Rf/Rin = G - 1 = 9. Elija Rin = 10 kΩ (lo suficientemente alto para minimizar la carga, lo suficientemente bajo para reducir el ruido). Entonces Rf = 90 kΩ; utilice 91 kΩ de la serie E96. Ancho de banda: BW = GBW/G = 8 MHz/10 = 800 kHz, adecuado para audio de 20 Hz a 20 kHz con un margen de 40 veces. Compruebe el ruido: ruido de entrada del OPA2134 = 8 nV/√Hz; con una ganancia = 10, ruido de salida = 80 nV/√Hz. Ancho de banda superior a 20 kHz: ruido = 80 nV × √20000 = 11,3 μV RMS, equivalente a -98,9 dBV, adecuado para audio de 16 bits (rango dinámico de 96 dB).

Consejos Prácticos

  • ✓Para obtener ganancias de 1 a 10 en frecuencias de audio, la serie TL07x (0,30 USD) ofrece un rendimiento excelente; para ganancias superiores a 100, utilice amplificadores de instrumentación (INA128: error de ganancia del 0,02%)
  • ✓Agregue un condensador de 100 pF a través de Rf para obtener ganancias superiores a 10 y evitar oscilaciones; esto limita el ancho de banda a 1/ (2π rFCF) pero garantiza la estabilidad según la nota de aplicación de TI AN-31
  • ✓Para una oscilación de salida de riel a riel, utilice amplificadores operacionales RRIO (OPA340, MCP6001); los amplificadores operacionales estándar se acoplan de 1 a 2 V desde los rieles de suministro bajo carga

Errores Comunes

  • ✗Ignorar las limitaciones de GBW: configurar una ganancia de 1000 con GBW = 1 MHz produce solo un ancho de banda de 1 kHz; compruebe el GBW en la hoja de datos antes de seleccionar la ganancia
  • ✗Uso de resistencias del 1% para una ganancia de precisión: el error de relación de resistencias aumenta el error de ganancia; utilice resistencias del 0,1% para una precisión de ganancia de ± 0,1% o redes de resistencias compatibles
  • ✗Descuidar la corriente de polarización de entrada: una corriente de polarización de 1 nA a través de una resistencia de retroalimentación de 1 MΩ crea una compensación de 1 mV; utilice amplificadores operacionales de entrada FET (polarización de 10 pA) para fuentes de alta impedancia

Preguntas Frecuentes

Sin inversión: señal en la entrada V+, ganancia = 1 + Rf/Rin, impedancia de entrada = impedancia de entrada del amplificador operacional (10-10²Ω). Inversión: señal en V a Rin, ganancia = -Rf/Rin, impedancia de entrada = Rin. Se prefiere la no inversión para las fuentes de alta impedancia; la inversión proporciona una base virtual para las aplicaciones de suma.
La retroalimentación negativa establece la ganancia de bucle cerrado de forma independiente de la ganancia de bucle abierto (normalmente 105-10). La fracción de retroalimentación β = Rin/ (Rf+Rin) determina la ganancia: G = 1/β en caso de no inversión. La ganancia de bucle Aβ > 1000 garantiza un error de ganancia inferior al 0,1% con respecto al valor ideal. La retroalimentación positiva provoca oscilaciones; evítela.
El producto GBW limita el ancho de banda de señal pequeña: BW = GBW/ganancia. La velocidad de respuesta limita el ancho de banda de señal grande: SR_min = 2π FVpeak. Para un pico de 10 V a 100 kHz: SR > 6,3 V/μs. El TL072 (SR = 13 V/μs) se encarga de esto; el LM358 (SR = 0,5 V/μs) no: la salida será triangular en lugar de sinusoidal.
Sí, la mayoría de los amplificadores operacionales están acoplados a corriente continua con un ancho de banda que se extiende a 0 Hz. Sin embargo, el voltaje de compensación de entrada (de 1 a 10 mV típico) y la deriva de compensación (de 1 a 20 μV/°C) provocan errores de corriente continua. Para una corriente continua de precisión: utilice amplificadores operacionales estabilizados por chopper (LTC2050: compensación de 3 μV, deriva de 30 nV/°C) o de tipo cero automático (OPA2188).
Adapte las especificaciones a los requisitos: GBW > ganancia × ancho de banda; velocidad de respuesta > 2π FVpeak; ruido de entrada < objetivo de señal/SNR; voltaje de alimentación compatible con el sistema. Alimentado por batería: corriente de reposo baja (MCP6001:100 μA). Para alta velocidad: retroalimentación de corriente (AD8009:1 GHz). Para precisión: compensación baja (OPA2188:25 μV).

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