Medición analógica
Amplificador inversor monocanal basado en el operacional dual Texas Instruments LM358 con ganancia en lazo cerrado de -3.6 V/V y alimentación simétrica de ±12 V.
Resumen del circuito
Haz clic en cualquier componente del esquema para ver sus especificaciones eléctricas y función.
Este circuito implementa el amplificador inversor clásico de la hoja de datos Texas Instruments LM358 SLOS068AB Figura 8-1. Alimentado desde rieles simétricos de ±12 V, proporciona una ganancia inversora en lazo cerrado de Av = -RF / RI = -36 kΩ / 10 kΩ = -3.6 V/V. La alimentación doble simétrica permite amplificar señales bipolares (entrada de ±0.5 V produce salida de ∓1.8 V) centradas en tierra. La elevada ganancia en lazo abierto fija la entrada inversora en tierra virtual (0 V), mientras que la realimentación negativa proporciona alta linealidad, respuesta predecible hasta 152 kHz y baja impedancia de salida.
| Ganancia en lazo cerrado (Av) | -3.6 V/V (-11.13 dB, inversión de fase 180°) |
|---|---|
| Resistencia de entrada (RI / R1) | 10 kΩ, 1%, 0.125 W |
| Resistencia de realimentación (RF / R2) | 36 kΩ, 1%, 0.125 W |
| Rango de señal de entrada (VI) | ±0.5 V nominal (1.0 V pico a pico) |
| Rango de señal de salida (VO) | ∓1.8 V nominal (3.6 V pico a pico) |
| Rieles de alimentación (V+ / V-) | ±12 V simétrica (rango operativo de ±1.5 V a ±16 V) |
| Ancho de banda a pequeña señal (-3 dB) | ≈ 152 kHz (GBW = 0.7 MHz, ganancia de ruido = 4.6) |
| Impedancia de entrada (ZIN) | 10 kΩ (definida por R1) |
El amplificador operacional LM358 se alimenta desde rieles simétricos de ±12 V (+12 V conectado al pin 8 V+, -12 V conectado al pin 4 V-). Los rieles simétricos permiten que la etapa de salida clase AB bascule sin distorsión en sentidos positivo y negativo respecto a la tierra de 0 V, posibilitando una amplificación limpia de señales de CA y CC bipolar.
La entrada no inversora (IN+ / pin 3) se conecta directamente a la tierra del circuito (0 V). La etapa diferencial interna del operacional y su enorme ganancia en lazo abierto (A_OL ≈ 100 dB) actúan mediante el lazo de realimentación negativa para forzar la tensión diferencial V_ID = V+ - V- prácticamente a cero voltios. Como consecuencia, el nodo inversor en el pin 2 se mantiene en 0 V, formando una tierra virtual ideal.
Dado que los transistores Darlington PNP de entrada del LM358 demandan una corriente de polarización mínima (IB ≈ 20 nA típica), la corriente que fluye por la resistencia de entrada R1 circula íntegramente por la resistencia de realimentación R2. Aplicando la Ley de Corrientes de Kirchhoff en el nodo de tierra virtual:
IIN = (VIN - 0V) / (RI) = (0V - VOUT) / (RF)Despejando la tensión de salida V_OUT se obtiene la ecuación clásica del amplificador inversor:
VOUT = -VIN × (RF) / (RI) = -VIN × (36kΩ) / (10kΩ) = -3.6 × VINUna señal de entrada de ±0.5 V se invierte en fase 180° y se escala a ∓1.8 V.
Debido a la tierra virtual en el terminal inversor, la impedancia de entrada del circuito queda definida exactamente por la resistencia en serie R1:
ZIN = RI = 10kΩA diferencia de las etapas no inversoras con impedancia de entrada en gigaohmios, el amplificador inversor toma de la fuente una corriente de I_IN = ±0.5 V / 10 kΩ = ±50 µA. Los generadores de señal previos deben presentar baja impedancia de salida (< 10 Ω) para evitar errores de atenuación en la ganancia.
El LM358 ofrece un producto ganancia-ancho de banda (GBW) de 0.7 MHz (700 kHz) y una velocidad de respuesta (slew rate) de 0.3 V/µs. Con una ganancia de ruido en lazo cerrado A_N = 1 + RF / RI = 1 + 3.6 = 4.6 V/V, el ancho de banda a pequeña señal (-3 dB) resulta:
f-3dB ≈ (GBW) / (1 + (RF) / (RI)) = (700kHz) / (4.6) ≈ 152 kHzPara oscilaciones de gran amplitud (3.6 V pico a pico), el ancho de banda a plena potencia queda limitado por el slew rate de 0.3 V/µs a aproximadamente 26.5 kHz antes de que la onda sinusoidal se deforme en triangular.
Calcula la tensión de salida invertida según la relación entre resistencia de realimentación y de entrada.
| Símbolo | Parámetro | Valor típico |
|---|---|---|
| VOUT | Tensión de salida amplificada | -1.8V |
| VIN | Tensión de señal de entrada | 0.5V |
| RF | Resistencia de realimentación | 36kΩ |
| RI | Resistencia de entrada | 10kΩ |
Calcula el corte a -3 dB en alta frecuencia según el producto ganancia-ancho de banda y la ganancia de ruido.
| Símbolo | Parámetro | Valor típico |
|---|---|---|
| f_{ − 3dB} | Frecuencia de corte a -3 dB | 152.2kHz |
| GBW | Producto ganancia-ancho de banda (GBW) | 700kHz |
| RF | Resistencia de realimentación | 36kΩ |
| RI | Resistencia de entrada | 10kΩ |
Calcula la frecuencia máxima admisible a amplitud de salida de pico sin distorsión por velocidad de respuesta.
| Símbolo | Parámetro | Valor típico |
|---|---|---|
| fFPBW | Ancho de banda a plena potencia | 26.5kHz |
| SR | Velocidad de respuesta del operacional | 0.3V/µs |
| VP | Amplitud de tensión de salida de pico | 1.8V |
Todas las piezas necesarias para montar este circuito. Selecciona una referencia para inspeccionarla en el esquema.
| Ref. | Componente | Valor | Encapsulado | Función en el circuito | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| Amplificador operacional dual Texas Instruments LM358P, SLOS068AB Rev. AB; patilla 1 OUT1, patilla 2 IN1-, patilla 3 IN1+, patilla 4 GND/V-, patilla 8 V+. | LM358P | PDIP-8 | Amplificador operacional inversor (utiliza canal A) | Amplificador operacional dual: pinout y hoja de datos | |
| Resistencia en serie de entrada Resistencia de película metálica de 10 kΩ, 1%, 0.125 W. Fija la impedancia de entrada en 10 kΩ. | 10kΩ | Axial / 0805 | Escalado de señal de entrada y definición de impedancia | — | |
| Resistencia de realimentación Resistencia de película metálica de 36 kΩ, 1%, 0.125 W. Fija la ganancia en lazo cerrado en -3.6 V/V. | 36kΩ | Axial / 0805 | Lazo cerrado de realimentación negativa | — |
Trampas encontradas en montajes reales, con la solución de cada una.
Al cambiar el sentido de la corriente de salida a través de 0 V entre suministrar y absorber corriente, la etapa de salida complementaria del LM358 entra en una zona muerta que genera picos de conmutación de alta frecuencia en señales senoidales.
Conecte una resistencia pull-down externa (de 2 kΩ a 10 kΩ) desde la salida (pin 1) hacia el riel negativo (-12 V). Esto mantiene al transistor NPN superior suministrando corriente de forma continua, forzando operación en clase A pura.
Los transistores Darlington PNP de entrada del LM358 presentan una corriente de polarización (IB ≈ 20 nA a 100 nA) que sale de ambas entradas. Conectar IN+ directamente a tierra con 0 Ω produce una caída de tensión desigual sobre el paralelo RI || RF (7.83 kΩ), amplificando un offset de CC indeseado en la salida.
Inserte una resistencia de compensación RP = RI || RF ≈ 7.5 kΩ a 8.2 kΩ en serie entre la entrada no inversora IN+ (pin 3) y tierra para equilibrar las resistencias equivalentes de fuente en ambas entradas.
Con un modesto slew rate de 0.3 V/µs, excitar señales de gran amplitud (3.6 V p-p) por encima de 26 kHz provoca limitación por velocidad de respuesta, transformando ondas sinusoidales puras en señales triangulares distorsionadas.
Restrinja las señales de gran amplitud a frecuencias inferiores a 25 kHz, o elija un amplificador operacional compatible de mayor velocidad como el TL072 (13 V/µs) u OPA2134 (20 V/µs).
Dado que la impedancia de entrada del circuito depende exclusivamente de RI (10 kΩ), la resistencia interna de la fuente de señal R_fuente se suma directamente a RI, disminuyendo la ganancia real a -RF / (RI + R_fuente).
Excite la etapa inversora mediante un búfer de baja impedancia de salida (< 10 Ω), o reste el valor conocido de la resistencia de fuente de R1 para que la suma total sea exactamente 10 kΩ.
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