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CR · Amplificador operacional

El amplificador diferencial y el rechazo de modo común

A veces quieres amplificar solo la diferencia entre dos señales y descartar el ruido que recogieron juntas. Si metes una señal en la entrada no inversora y la otra en la inversora, el op-amp amplifica su diferencia y borra lo que tienen en común. En esta unidad aprendes el principio de esa amplificación diferencial.

La salida responde solo a la diferencia

V1 = 1V está fija del lado de la entrada inversora, arriba, y V2 entra por el lado de la entrada no inversora, abajo. La ganancia diferencial fijada por la razón de resistencias es 2. Al deslizar V2, la flecha del lado de salida crece y se encoge siguiendo Vout = 2(V2 − V1), y responde solo a la diferencia entre las dos entradas. Cuando V2 iguala a V1, la salida es 0. Ajusta V2 para que la salida llegue al objetivo de 6V de la línea discontinua blanca.

Entrada no inversora V2V2 = 1.5 V
Tensión de salida Vout = G(V2−V1)
Vout = 2(V2 − V1) = 1.0 V
Lejos de 6V

Una señal a +, la otra a −

El amplificador inversor recibía una sola entrada, y solo por la entrada inversora. El amplificador diferencial reparte dos señales entre las dos entradas: V2 pasa por R3 hacia la entrada no inversora (+), y V1 pasa por R1 hacia la entrada inversora (−). El potencial de la entrada no inversora lo fija el reparto de V2 entre R3 y R2, y el cortocircuito virtual lleva la entrada inversora a ese mismo potencial. Eso fija la corriente que entra desde V1 a través de R1, y esa corriente, al pasar por Rf, fija la salida; con resistencias emparejadas, el resultado responde solo a la diferencia entre las dos señales.

Lo que entra en común desaparece

Cuando la misma señal viaja en las dos entradas, como el ruido que recogen juntos dos cables tendidos lado a lado, se llama modo común. Como la diferencia V2 − V1 es 0, el modo común no aparece en la salida. Pero para que esa cancelación sea perfecta, las resistencias deben estar emparejadas con exactitud, de modo que Rf/R1 = R2/R3; con un pequeño desajuste, esa parte del modo común se filtra a la salida. Así, cuando un amplificador diferencial trae una señal débil desde lejos por dos cables, borra el ruido que cayó por igual en los dos y amplifica solo la diferencia. Este rechazo del modo común es el corazón del amplificador de instrumentación.

Ganancia diferencial y resta pura

Con resistencias emparejadas, la salida del amplificador diferencial es Vout = (Rf/R1)(V2 − V1). El Rf/R1 de delante es la ganancia diferencial, que fija cuánto se agranda la diferencia. Si las cuatro resistencias son iguales, la ganancia es 1 y Vout = V2 − V1: un restador que simplemente resta una tensión de otra. Si el amplificador inversor invertía el signo y el no inversor lo conservaba, el diferencial une los dos caminos, restando una entrada y sumando la otra, y se convierte en un bloque básico de los circuitos de medida resistentes al ruido.

ObservaVout = G(V2 − V1)
La salida es la diferencia de las dos entradas.
EligeV1 = V2 → Vout = ?
La parte común desaparece.
CompletaG = ?
La ganancia diferencial es una razón de resistencias.
Por tu cuentaR1 = Rf → Vout = ?
Con resistencias iguales, resta pura.

De vuelta a la primera pantalla

Al deslizar V2, la flecha de salida creció como 2(V2 − V1) y llegó al objetivo de 6V con V2 = 4V (V1 = 1). Donde V2 igualaba a V1 la salida era 0, así que comprobaste a simple vista que la salida responde solo a la diferencia. Esta disposición, una señal en + y la otra en −, borra el ruido que cayó por igual en los dos cables y agranda solo la diferencia. Al unir los caminos inversor y no inversor, la amplificación diferencial es el bloque básico de medida que trae limpia una señal débil desde lejos.

Un amplificador diferencial mete una señal en la entrada no inversora (+) y la otra en la inversora (−) y amplifica solo su diferencia. Con resistencias emparejadas la salida es Vout = (Rf/R1)(V2 − V1), y una componente común a las dos entradas (modo común) se cancela y desaparece porque su diferencia es 0. Con las cuatro resistencias iguales se convierte en un restador puro de ganancia 1. Es el corazón del amplificador de instrumentación, que borra el ruido recogido por igual en dos cables y extrae señales débiles.