Un tablero experimental de amplificador operacional

Una clase típica de Ingeniería Eléctrica básica en un laboratorio comienza con lo más básico: conferencias sobre resistencias, condensadores, inductores, diodos y cómo analizar circuitos básicos utilizando las leyes de Kirchhoff. Los laboratorios para estos temas suelen utilizar un dispositivo en el que se aplican simultáneamente los polos opuestos: una bendición Y una maldición, amor Y odio, un terreno ilimitado para la exploración electrónica Y la cruz de un estudiante de ingeniería electrónica. ¿Qué es este maravilloso y terrible dispositivo? El tablero de prueba sin soldar.

No profundizaremos aquí en demasiados detalles sobre los tableros de prueba sin soldar, excepto para decir que tienen su lugar y no desaparecerán pronto. Son invaluables para tener una idea de cómo se sienten físicamente los componentes electrónicos, construir los primeros circuitos y, al mismo tiempo, permitir que los componentes se reutilicen y llegar al equivalente electrónico de "¡Hola, mundo!": encender un LED (¡no olvidar la resistencia en serie!). Pero después de esos primeros circuitos de 3, 4, 5 o 6 componentes, como el filtro de paso bajo de 2.^o orden¹ que se muestra en la Figura 1, se dispara la probabilidad de errores de conexión, cortocircuitos, conexiones abiertas y, lo peor de todo, conexiones intermitentes.

Figura 1. Circuito de tablero de prueba “simple” típico. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

A medida que aumentan la complejidad y el número de componentes de un circuito, hay un punto de decisión en el que los tableros de prueba se vuelven poco prácticos² y se vuelve técnicamente esencial y económicamente viable producir una placa de circuito. Gracias a la profusión de software de diseño de código abierto, gratuito y de bajo costo, junto con los fabricantes de placas de circuitos de bajo costo, ese punto de decisión se ha reducido a un nivel de complejidad ridículamente bajo. Ahora, por pocos dólares americanos, es posible ver algunos videos instructivos, descargar software de diseño gratuito, diseñar un tablero y recibirlo por correo una semana después. Esto representa una oportunidad para educadores y estudiantes, así que omitamos cualquier experimento mental y pongamos en práctica un ejemplo real.

Después de los circuitos más básicos (divisores de voltaje, filtros RC simples, diodos y uno o dos amplificadores de transistores), el siguiente componente que un estudiante encuentra a menudo es un amplificador operacional. El amplificador operacional (puramente analógico) es un componente extremadamente versátil. Incluso en 2023, con la atención puesta en la inteligencia artificial (IA), la informática, lo digital y el software, siempre habrá pequeñas señales del mundo físico que deberán amplificarse, señales débiles que deberán fortalecerse, a menudo para controlar un convertidor analógico a digital (ADC) después de lo cual la señal vive puramente en el dominio digital. El caso opuesto también es cierto: las señales del mundo digital se convertirán en analógicas, se amplificarán y se pasarán a un transmisor de radio, un altavoz, un auricular o una pantalla, para su eventual consumo por parte de los (muy analógicos) humanos.

Los primeros circuitos de amplificador operacional que un estudiante construirá no son terriblemente complicados y consisten en el amplificador operacional en sí, capacitores de derivación de la fuente de alimentación (¡no los olvide!) y algunos componentes pasivos que determinan la función. Algunos ejemplos son:

• Seguidor de voltaje/búfer de ganancia unitaria
• Ganancia de -1 (inversor analógico)
• Ganancia de +2
• Otras ganancias inversoras y no inversoras
• Amplificador diferencial
• Integrador (y filtros de paso bajo)
• Diferenciador (y filtros de paso alto)

Cualquiera de estos circuitos se puede construir en un tablero de prueba con una alta probabilidad de éxito. Pero en todos los circuitos, en todos los estudiantes en una sesión de laboratorio por la tarde, habrá frustraciones y, en el peor de los casos, humo mágico³ saldrá del amplificador operacional.

Además, las configuraciones se seleccionan mediante puentes, lo que permite al estudiante cambiar fácilmente entre funciones para desarrollar la intuición más rápidamente; por ejemplo, alternar entre ganancias inversoras y no inversoras, o entre un diferenciador y un integrador.

El circuito en la Figura 2 (lista de piezas aquí) se diseñó para permitir probar, medir y explorar todas estas configuraciones con un 100 % de posibilidades de éxito, costo total de pocos dólares. También puede obtener los archivos de la placa de circuito en GitHub e incluso solicitar la placa a través de los servicios DKRed o PCB Builder de DigiKey.

Figura 2a. Esquema de Kicad del experimentador de amplificador operacional. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Figura 2b. Esquema de LTspice del experimentador de amplificador operacional para simulación. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Figura 2c. Placa de circuito del experimentador de amplificador operacional. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Se admiten varios estilos de amplificadores operacionales y se pueden intercambiar dispositivos individuales instalando enchufes en el tablero. Los amplificadores operacionales simples y duales tienen pines estándar de 8 pines. Los pines adicionales en un solo amplificador operacional cumplen varias funciones, más comúnmente, ajuste de compensación mediante un potenciómetro con su limpiador atado a uno de los rieles de suministro; esta función es totalmente compatible. Un zócalo de SIP central aloja un amplificador operacional de transistor discreto descrito en este ejercicio de aprendizaje activo.

Antes de dirigirse a la mesa de trabajo, se indica trabajar con los circuitos en papel, calculando el comportamiento esperado en función de los componentes seleccionados. Se proporciona una simulación LTspice con todos los valores de los componentes ingresados, lo que proporciona otro medio para predecir el comportamiento del circuito, incluida la respuesta transitoria (dominio del tiempo) y CA (dominio de la frecuencia)⁴.

Y finalmente, accionemos el interruptor de encendido y veamos qué hace el circuito en la vida real. Usaremos el ADALM2000 de Analog Device aquí, pero el tablero está diseñado para usarse con casi cualquier fuente de alimentación, generador de señal y osciloscopio bipolar de mesa, así como con otros instrumentos de prueba multifunción como el tablero STEMlab de Red Pitaya.

Comenzamos con el amplificador OP97 incluido en el kit de piezas del ADALP2000, que tiene un rango de alimentación muy amplio de ±2.25 V a ±20 V, y las salidas de alimentación del ADALM2000 están configuradas en ±5 V en consecuencia. Configuraremos el tablero para uno de los circuitos más interesantes, el amplificador diferencial, y aplicaremos una onda sinusoidal de 1 kHz, 1 Vp-p a la entrada no inversora y una onda de diente de sierra de 100 Hz y 1 V a la entrada inversora. Esta forma de onda nos permite observar sin ambigüedades la inversión de polaridad de la entrada inversora, como se muestra en las Figuras 3a (simulación de LTspice) y 3b (resultados medidos). El canal 1 (naranja) es la salida del amplificador operacional y el canal 2 es la entrada inversora del circuito.

Figura 3a. Simulación de LTspice del amplificador diferencial. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Figura 3b. Resultados medidos del amplificador diferencial. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las instrucciones completas para varios ejercicios adicionales se publican en Tablero experimentador de amplificador operacional para ADALM2000 y Sesión práctica de experimento de amplificador operacional (haga clic en la flecha en el enlace para obtener una configuración detallada) para STEMlab de Red Pitaya. Todos los archivos de diseño de placas de circuito (en formato KiCAD) y los archivos Gerber se publican bajo los términos de la licencia Creative Commons BY-SA; los enlaces son las páginas de ejercicios asociadas.

Ahora que el circuito está en funcionamiento, un estudiante (o un ingeniero en ejercicio que quiera un pequeño repaso) puede alternar entre las otras configuraciones, explorando el comportamiento esperado cuando se siguen todas las reglas y, lo que es igualmente importante, las limitaciones cuando se siguen todas las reglas. Se rompen las reglas (recorte de salida, rango de modo común de entrada, limitaciones de ancho de banda y un sinfín de otras pequeñas sutilezas que hacen que la electrónica analógica sea tan divertida) sin tener que preocuparse por errores al traducir esquemas a conexiones de tablero de prueba, cortocircuitos, aperturas o conexiones sueltas. Habrá muchas oportunidades para ese tipo de cosas más adelante, tanto en el laboratorio universitario como en la vida real.

Notas a pie de página:

1. https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-active-filter

2. Aparentemente este ingeniero no recibió el aviso: https://eater.net/8bit/

3. Consulte: https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke

4. El autor no tiene opinión sobre si es mejor hacer primero cálculos manuales, simulación o pruebas en banco. De todos modos, la mayor parte del desarrollo y la depuración del mundo real implican iterar entre los tres en varios órdenes.