Pautas de diseño para reducir el ruido en circuitos con amplificadores operacionales

Created: February 6, 2018
Updated: December 2, 2020
Cómo reducir el ruido en circuitos con amplificadores operacionales
Cómo reducir el ruido en circuitos con amplificadores operacionales

Recuerdo cuando era joven y pasaba el rato ajustando mi estéreo y altavoces para lograr un sonido perfecto. Rápidamente te das cuenta de la potencia de los amplificadores y de los estragos que los amplificadores multietapa pueden causar en tu música favorita. Esto me trae a la mente un componente fundamental: los amplificadores operacionales. Los amplificadores operacionales son dispositivos especialmente útiles en el diseño de PCB y constituyen la base de muchos dispositivos que hacen posible la vida moderna.

Al tratarse de componentes analógicos, pueden ser bastante sensibles al ruido. Si quieres reducir el ruido en tus circuitos con amplificadores operacionales, tendrás que seguir las pautas de diseño de amplificadores operacionales apropiadas en tu próxima placa de circuito. Hemos compilado algunos consejos que puedes utilizar para que tus circuitos analógicos estén libres de ruido y tus amplificadores operacionales funcionen como es de esperar.

  1. Utiliza un condensador de desacople.
  2. Presta atención a la capacitancia parásita entre los pines de salida y entrada.
  3. Elimina el calor de los amplificadores de alta potencia.
  4. Separa los componentes analógicos de los digitales.

Principios básicos de los amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales son componentes que condicionan las señales, capaces de filtrar y amplificar señales a través de operaciones aritméticas básicas. Un amplificador operacional tiene tres terminales: una entrada inversa, una entrada no inversa y una salida que es la base de muchas configuraciones. La salida es de un extremo simple, es decir, se relaciona con un nivel de puesta a tierra de tu placa. Normalmente es el plano de puesta a tierra analógico más cercano. No obstante, hay asimismo amplificadores operacionales diferenciales disponibles para trabajar con pares diferenciales.

Todos los amplificadores operacionales cuentan con estas características: alta ganancia de bucle abierto, alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y un ancho de banda limitado. Un amplificador típico puede tener una ganancia de 10 000 o más. La impedancia de entrada es inferior a 100 ohmios, y la impedancia de salida es normalmente de un mínimo de 0,25 megaohmios.

Chart of operational amplifier formula

Amplificador operacional: un componente electrónico sencillo pero versátil

Los amplificadores operacionales tienen unas reglas de funcionamiento bastante sencillas. Si aplicas una entrada positiva a la entrada no inversa, el amplificador operacional producirá una oscilación positiva en la salida. De igual modo, si aplicas una tensión positiva a la entrada inversa, se registrará una oscilación negativa en la salida. En resumen, la salida es proporcional a la diferencia entre las tensiones de ambas entradas.

La ganancia se proporciona al añadir un bucle de realimentación entre la salida y una de las entradas. La realimentación de la CC solo requiere de resistencias, mientras que los inductores o los condensadores se utilizan para realimentar con ganancia dependiente de la frecuencia. La lista de aplicaciones de los amplificadores operacionales es extremadamente larga, pero las más comunes son los comparadores de tensión, los rectificadores activos, los filtros de señal y los seguidores de tensiones.

Guía de diseño de PCB de amplificadores operacionales

Con frecuencia descubrirás que los amplificadores operacionales desempeñan un papel a caballo entre los componentes analógicos y digitales. Un uso de los amplificadores operacionales es amplificar señales analógicas sin procesar procedentes de sensores antes de que las capture un convertidor analógico/digital en un microcontrolador o en otro circuito. Habitualmente se usan también en aplicaciones de audio. Cuando diseñamos con amplificadores operacionales, es importante prestar atención a las siguientes pautas.

1. Utiliza un condensador de desacople.

El amplificador operacional necesita una tensión estabilizada para producir la señal de salida adecuada. Para suprimir el ruido producido al encender el suministro de energía, coloca un condensador de desacople de tierra cerca del pin de alimentación del amplificador operacional. El condensador de desacople debería tener un corto recorrido entre el pin de alimentación de los amplificadores operacionales y la conexión de puesta a tierra.

Closeup of electronic circuit board that is blue

Un condensador de desacople hará que el amplificador operacional proporcione la salida correcta

2. Presta atención a la capacitancia parásita entre los pines de salida y entrada.

Es bien sabido que configurar un plano de puesta a tierra reduce la susceptibilidad del ruido al disminuir la inductancia de bucle. No obstante, en lo que concierne al diseño de amplificadores operacionales, cuando el plano de tierra pasa por debajo del amplificador operacional completo y al lado de sus pines de entrada, puede introducirse capacitancia parásita entre los pines de entrada y la salida. Esta capacitancia parásita puede permitir a los componentes de alta frecuencia en la señal de salida acoplarse de nuevo al pin de entrada sin puesta a tierra. Se trata de un problema frecuente en el diseño de amplificadores de potencia de alta frecuencia.

3. Elimina el calor de los amplificadores de alta potencia.

Cuando se utiliza un amplificador operacional de potencia, necesitarás mantener una temperatura baja para evitar un embalamiento térmico. Las técnicas de disipación del calor apropiadas, incluyendo las vías térmicas o los disipadores de calor, pueden ayudar a disipar el exceso de calor. Los amplificadores operacionales de alta potencia pueden encapsularse en circuitos integrados que incluyan un disipador de calor con un dado conectado, que puede utilizarse para disipar el calor directamente en el interior de la placa.

4. Separa los componentes analógicos de los digitales.

Las técnicas de diseño apropiadas para los dispositivos analógicos se aplican también a los amplificadores operacionales. Un amplificador operacional con frecuencia se utiliza para amplificar una señal de bajo nivel antes de que pase a un convertidor analógico/digital para su amplificación. No coloques los componentes digitales descendentes en la misma área que otros componentes analógicos. Así, el ruido de la sección digital de la placa no se acoplará de nuevo a la sección analógica ascendente.

Evitar errores en esquemáticos con software de diseño interactivo

El diseño de amplificadores operacionales puede ser un proceso complicado y largo si no se cuenta con la tecnología de diseño de PCB apropiada. La posibilidad de acceder a la historia de diseño completa y personalizar el diseño de componentes de forma eficiente puede suponer la diferencia entre un diseño de alto rendimiento y un esquemático no funcional. Diseñar sistemas analógicos avanzados es mucho más sencillo si dispones del software de diseño de PCB apropiado que te ayude a seguir unas pautas de diseño de amplificadores operacionales. CircuitStudio® de Altium te asistirá en el desarrollo de diseños estables térmicamente mediante la integración precisa y la separación adecuada entre componentes analógicos y digitales.

¿Te gustaría recibir más consejos para el diseño de amplificadores operacionales? Habla con un experto de Altium.

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