Guía didáctica del módulo

Op-Amp: Guía didáctica para el docente

Guía para el uso didáctico del simulador Op-Amp para explicar en aula el amplificador operacional en configuración inversora, no inversora, comparador ideal y comparador con histéresis (Schmitt trigger). Cortocircuito virtual y saturación mostrados como hechos observables, no como fórmulas. Pensada para docentes de Sistemas/Electrónica de 4° y 5° año de bachillerato técnico.

Módulo: Op-Amp · Dos pestañas: AMP (inv/no-inv) · COMPARATOR (ideal y Schmitt)

Fenómeno físico

El amplificador operacional es un componente activo con tres pines de señal (+, −, Vout) y dos de alimentación (±Vcc). En su modelo ideal tiene ganancia diferencial infinita, impedancia de entrada infinita e impedancia de salida nula. Su utilidad surge de la realimentación: conectar la salida a la entrada inversora a través de una red de resistencias produce un amplificador con ganancia finita y predecible, que depende solo de la relación entre las resistencias.

El principio fundamental es el cortocircuito virtual: en zona lineal, el op-amp ajusta su salida para que $V_{+} = V_{-}$ . No hay conexión física entre las dos entradas: es la realimentación quien impone la igualdad. Cuando el op-amp ya no puede mantenerla — porque la ganancia requerida llevaría $V_{out}$ más allá de $\pm V_{cc}$ — entra en saturación: la salida se bloquea en los rieles de alimentación (en la práctica $\pm (V_{cc} - 1.5 V)$ para op-amps no rail-to-rail tipo µA741) y $V_{-}$ se aparta de $V_{+}$ .

Sin realimentación (o con realimentación positiva), el op-amp se convierte en comparador: la salida está siempre saturada, alta o baja según el signo de $V_{+} - V_{-}$ . Añadiendo una pequeña porción de realimentación positiva se obtiene el comparador con histéresis (Schmitt trigger), en el que los umbrales $V_{th +}$ y $V_{th -}$ son distintos: la salida conmuta a bajo cuando $V_{in}$ supera $V_{th +}$ y a alto cuando baja por debajo de $V_{th -}$ . Este margen vuelve al comparador inmune al ruido.

Conceptos clave

Cortocircuito virtual: en zona lineal con realimentación negativa, $V_{+} \approx V_{-}$ . Consecuencia de la ganancia infinita ideal.
Ganancia inversora: $G = - R_{f} / R_{1}$ . El signo menos indica inversión.
Ganancia no inversora: $G = 1 + R_{f} / R_{1}$ . Siempre positiva, siempre $\geq 1$ .
Seguidor de tensión: caso particular del no inversor con $R_{f} = 0$ , ganancia $1$ . Buffer de impedancia.
Saturación: $V_{out}$ limitada a $\pm V_{sat}$ con $V_{sat} \approx V_{cc} - 1.5 V$ .
Comparador ideal: sin realimentación, $V_{out}$ es $+ V_{sat}$ o $- V_{sat}$ según el signo de $V_{in} - V_{ref}$ .
Umbrales de Schmitt: $V_{th \pm} = V_{ref} \pm \frac{R _{1}}{R _{1} + R _{2}} V_{sat}$ (inversora). El intervalo $V_{th +} - V_{th -}$ es el ancho de histéresis.

Cómo usarlo en clase

Apertura: el cortocircuito virtual como hecho. Abrir la pestaña AMP en Inversora con valores por defecto. Mostrar el esquema: $V_{+}$ está a tierra ( $0 V$ ), y $V_{-}$ vale también $0 V$ — pero no porque esté conectado a tierra. Es la realimentación la que lleva $V_{out}$ a $- 10 V$ para forzar $V_{-} = V_{+}$ . Mover $V_{in}$ y mostrar que $V_{-}$ se mantiene fijo en $0$ mientras $V_{out}$ varía.

Desarrollo: la saturación. Subir $V_{in}$ más allá de $1.05 V$ . El punto de operación en TRANSFER se detiene en el codo: $V_{out}$ no baja más de $- 10.5 V$ . Aparece el badge "SATURATION", $V_{-}$ se vuelve ámbar. En el SCOPE, una sinusoide de gran amplitud muestra recorte plano en los rieles.

Profundización: seguidor de tensión. Pasar a No Inversora. Llevar $R_{f}$ a $0 Ω$ : la ganancia baja a $1$ , la salida sigue exactamente la entrada. Es el seguidor de tensión.

Núcleo de la lección: comparador e histéresis. Pestaña COMPARATOR, Inversora, Histéresis OFF, fuente Triangle, $V_{ref} = 0$ , $Noise = 0$ . En el osciloscopio se ve una triangular limpia en entrada y una cuadrada limpia en salida.

Subir el slider Noise a $0.3 V$ . Sin histéresis, la salida empieza a chatterear en el umbral: el ruido multiplicado por la ganancia infinita produce decenas de transiciones rápidas no deseadas. Es el problema que precede a la solución.

Activar Histéresis ON. El esquema cambia: aparecen $R_{1}$ y $R_{2}$ . En el osciloscopio los dos umbrales se separan, el chattering desaparece. En el TRANSFER se forma el rectángulo clásico de histéresis.

Cierre: dimensionado. Variar $R_{1}$ y $R_{2}$ : la relación controla el ancho de histéresis.

Ejemplos reales

Pre-amplificadores de audio. No inversora con potenciómetro en $R_{f}$ .
Mezcladores y atenuadores. Inversora con varias $R_{1}$ en paralelo.
Buffers para sensores de alta impedancia. Seguidor para termistores, fotodiodos.
Detectores de umbral. Comparador con histéresis en termostatos, sensores de nivel, detectores PIR.
Generadores de onda cuadrada. Schmitt como elemento biestable.
Limpieza de relojes. Schmitt en entrada de puertas lógicas.

Preguntas para la clase

¿Por qué "funciona" el cortocircuito virtual si no hay cable físico entre las dos entradas?
¿Qué pasa con $V_{-}$ en saturación, y por qué deja de ser igual a $V_{+}$ ?
En una inversora con $R_{1} = R_{f}$ , ¿qué ganancia obtenemos? ¿Y en la no inversora?
¿Por qué un comparador sin histéresis no sirve para señales con ruido?
En un Schmitt, ¿qué cambia al duplicar $R_{2}$ con $R_{1}$ fija?

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