Lineamientos de disposición de amplificadores operacionales para reducir el ruido en su placa de circuito impreso (PCB)

Me acuerdo de joven conectando mi sistema estéreo en cadena con altavoces de alimentación independiente para tratar de obtener el sonido perfecto. Rápidamente comprendí el poder que tienen los amplificadores y los estragos que pueden causar en tu música favorita los amplificadores multietapa. En concreto me acordé de un componente fundamental: el amplificador operacional. Los amplificadores operacionales son dispositivos de especial utilidad en el diseño de placas de circuito impreso (PCB) y constituyen la base de muchos dispositivos que hacen posible la vida moderna.

Como los amplificadores operacionales son componentes analógicos, pueden resultar bastante sensibles al ruido. Si quiere garantizar que sus señales estén libres de ruido, es necesario seguir los lineamientos adecuados de disposición para su próxima placa de circuito. Hemos recopilado algunos consejos que puede seguir para garantizar que sus circuitos analógicos permanezcan libres de ruido y que sus amplificadores operacionales funcionen de acuerdo a lo previsto.

1. Utilizar un condensador de desacople
2. Prestar atención a la capacitancia parásita entre los pines de salida y de entrada
3. Eliminar el calor de los amplificadores de alta potencia
4. Separar los componentes analógicos de los digitales

Principios básicos de los amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales son componentes de acondicionamiento de señales capaces de filtrar y amplificar señales mediante una operación aritmética básica. Un amplificador operacional tiene tres terminales: una entrada inversora, una entrada no-inversora y una salida que constituye la base de muchas configuraciones. La salida es simple, lo que significa que está referenciada a algún nivel de tierra en su placa. Éste suele ser el plano de tierra analógico más próximo. Sin embargo, hay también amplificadores operacionales diferenciales disponibles para trabajar con pares diferenciales.

Todos los amplificadores operacionales exhiben estas características: bucle abierto de alta ganancia, alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y ancho de banda limitado. Un amplificador típico puede tener una ganancia de 10,000 o más. La impedancia de entrada es menor a los 100 ohm y la impedancia de salida es típicamente, de al menos 0,25 MOhm.

Los amplificadores operacionales tienen reglas de operación muy simples. Si se aplica una entrada positiva a una entrada no-inversora, el amplificador operacional producirá una oscilación positiva a la salida. Del mismo modo, si se aplica una tensión positiva a la entrada inversora ocurrirá una oscilación negativa a la salida. En síntesis, la salida es proporcional a la diferencia entre los voltajes de ambas entradas.

La ganancia se origina agregando un bucle de realimentación entre la salida y una de las entradas. La realimentación de corriente continua (CC) sólo involucra resistencias, mientras que los inductores o capacitores se usan para crear realimentaciones con ganancias dependientes de la frecuencia. La lista de aplicaciones en las que se utilizan los amplificadores operacionales es interminable, pero las más comunes incluyen comparadores de voltaje, rectificadores activos, filtros de señal y seguidores de tensión.

Lineamientos de disposición para amplificadores operacionales en la PCB

A menudo verá que los amplificadores operacionales desempeñan un papel intermedio entre las funciones de los componentes analógicos y los digitales. Uno de los usos de los amplificadores operacionales es la amplificación de las señales analógicas brutas de los sensores antes de ser capturadas por un ADC (circuito convertidor de señal analógica a digital) en un microcontrolador u otro circuito. Se utilizan habitualmente en aplicaciones de audio. Cuando se diseña con amplificadores operacionales es importante estar atento a los siguientes lineamientos de disposición:

1. Utilizar un condensador de desacople

El amplificador operacional requiere de un voltaje estabilizado para producir la señal de salida adecuada. Para suprimir el ruido producido al conmutar la fuente de alimentación, coloque un condensador de desacople conectado a tierra cerca del pin que alimenta al amplificador operacional. El condensador de desacople debería tener un tramo corto entre el pin de alimentación del amplificador operacional y la conexión a tierra.

2. Prestar atención a la ganancia de bucle abierto entre los pines de salida y entrada

El límite absoluto de ganancia que se puede obtener de un amplificador operacional es la ganancia de bucle abierto. Esta es la ganancia que se obtiene al haber una resistencia infinita en el bucle de realimentación o, en otras palabras, cuando exista un circuito abierto (sin resistencia). Como los amplificadores operaciones están diseñados para aumentar las señales de bajo nivel a un nivel más alto, recuerde que nunca se puede aplicar más ganancia que la de bucle lazo abierto y nunca se puede obtener una tensión de salida mayor que la de la barra colectora. 

3. Evacuar el calor de los transformadores de alta potencia

Cuando utilice un amplificador operacional de potencia, necesitará mantener una baja temperatura en la junta para evitar cualquier sobrecalentamiento. Algunas técnicas de disipación de calor apropiadas para dispersar el exceso de calor son el uso de vías térmicas o disipadores de calor. Los amplificadores operacionales de alta potencia pueden estar encapsulados dentro de circuitos integrados (IC) con disipadores de calor integrados, que pueden ser utilizados para disipar el calor directamente al interior de la placa.

4. Separar los componentes analógicos de los digitales

Las técnicas apropiadas de diseño para dispositivos analógicos se aplican también a los amplificadores operacionales. Los amplificadores operacionales a menudo se utilizan para amplificar una señal de bajo nivel antes de alimentar un ADC para amplificación. No coloque los componentes digitales de etapas posteriores dentro de la misma región en la que se sitúen los componentes analógicos. Esto evitará que el ruido de la sección digital de la placa se acople con los compontes analógicos de etapas anteriores.

Evite errores de disposición en su amplificador operacional con un software de diseño interactivo

La disposición del amplificador operacional puede ser un proceso complejo y prolongado si no se cuenta con la tecnología adecuada para disposición de la PCB. La capacidad de acceder a todo el historial de diseño y de personalizar de manera eficiente la disposición de los componentes puede marcar la diferencia entre un diagrama esquemático no funcional y un diseño de alto rendimiento. El diseño de sistemas analógicos avanzados es más sencillo cuando se cuenta con el software de diseño de PCB que le orienta con lineamientos de disposición para amplificadores operacionales. Cuando necesite una herramienta de disposición que incluya todo lo necesario para crear placas de circuito de alta calidad y factibles de fabricar, utilice CircuitMaker. Además de ser un software de diseño de PCB fácil de utilizar, los usuarios de Circuit Maker pueden acceder a un espacio personal en la plataforma de Altium 365. Usted puede subir y almacenar sus datos de diseño en la nube y también puede visualizar sus proyectos desde su navegador web en una plataforma segura.

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