El amplificador operacional ideal y el corto virtual
Diseña la ganancia con una sola razón de resistencias
La figura es un amplificador no inversor: la entrada llega al terminal +, y la salida vuelve al terminal − a través de dos resistencias. Al cambiar la razón de realimentación Rf/Rg, la longitud de la flecha dorada de la salida, es decir, la ganancia, crece hasta (1 + Rf/Rg) veces. Busca la razón con la que la salida es exactamente 3 veces la entrada y la punta de la flecha toca la marca punteada.
Dos reglas: cortocircuito virtual y corriente de entrada 0
Un op-amp ideal amplifica la minúscula diferencia de tensión entre sus dos entradas por un factor casi infinito. Cuando la salida vuelve a la entrada inversora a través de la realimentación, el op-amp ajusta su salida en el sentido que reduce esa diferencia a 0, y como resultado las dos tensiones de entrada se igualan. Eso es el cortocircuito virtual. Además, la resistencia de entrada es infinita, así que por los terminales de entrada no circula ninguna corriente.
Las dos reglas vuelven la ganancia una razón de resistencias
En un amplificador no inversor la entrada llega al terminal +, y la salida devuelve a la entrada inversora la tensión dividida por Rf y Rg. Por el cortocircuito virtual, la entrada inversora está a la tensión de entrada, y como la corriente de entrada es 0, la corriente que pasa por Rg sigue tal cual por Rf. Al resolver esas dos condiciones, la salida resulta 1 + Rf/Rg veces la entrada. La enorme ganancia del op-amp desaparece de la ecuación y solo queda el cociente de las resistencias externas.
Por eso el circuito es estable y predecible
La ganancia de cada op-amp varía de una unidad a otra y cambia con la temperatura, pero la ganancia de un amplificador con realimentación la fija el cociente de dos resistencias. Si se eligen resistencias precisas, se obtiene una ganancia precisa. El cortocircuito virtual es la primera llave para resolver infinidad de circuitos, como el amplificador inversor, el sumador o el integrador; de un circuito a otro solo cambia dónde entra la señal y cómo se conecta la realimentación.
De vuelta a la primera pantalla
Al cambiar la razón de realimentación, la flecha dorada se alargó y la salida creció hasta (1 + Rf/Rg) veces la entrada, y con Rf/Rg = 2 llegó exactamente a 3 veces y a la marca punteada. La colosal ganancia propia del op-amp no apareció por ningún lado. Como la realimentación negativa ataba las dos entradas y dejaba la corriente de entrada en 0, la ganancia dependía solo del cociente de dos resistencias.