Curso Avanzado Universitario

Diseño y Análisis con
Op-Amps

De la teoría nodal a la implementación industrial. Domina la arquitectura de señales, integridad de PCB y acondicionamiento de alta precisión para sistemas ciberfísicos.

Explorar Módulos Proyecto Final

Módulo 1: Fundamentos del Semiconductor

Modelo Ideal vs Real

Parámetro

  • Ganancia (AOL)
  • Imp. Entrada (Zin)
  • Imp. Salida (Zout)
  • BW / CMRR

Realidad Típica

  • 104 a 106 V/V
  • 1 MΩ a 1 TΩ
  • 10 a 100 Ω
  • 1 MHz / 90 dB

Feedback Negativo

El "Cortocircuito Virtual" es la base del diseño. El Op-Amp ajusta su salida para forzar V+ = V-, sacrificando ganancia por estabilidad total.

Ecuación de Lazo Cerrado ACL = 1 / β

Módulo 2: Dinámica y Respuesta

Slew Rate (SR)

Large Signal Limit

Fórmula de Frecuencia Max

fmax = SR / (2πVp)

Limitación física causada por la corriente de carga del capacitor de compensación interno. Define la velocidad máxima de respuesta en voltios por microsegundo.

Visualización: Distorsión por Slew Rate en señales de alta frecuencia

Análisis en Laplace

s

Uso de Zc(s) = 1/sC para convertir ecuaciones diferenciales en álgebra lineal.

Producto GBW

La ganancia y el ancho de banda son inversamente proporcionales en sistemas compensados.

GBW = ACL × fc Constante

Módulo 3: Configuraciones de Ingeniería

Inversor / No Inversor

Acondicionamiento base de señales. Control de ganancia precisa mediante relación de resistencias.

Vout = - (Rf/Rin) * Vin

Sumador / Restador

Mezcla de señales y supresión de ruido en modo común (Rechazo Diferencial).

Vout = (R2/R1)(V2 - V1)

Integrador / Derivador

Computación analógica y controladores PID. Generación de rampas y procesamiento temporal.

Vout = -1/RC ∫ Vin dt

Reglas de Oro del PCB

Norma IPC-2221 & Buenas Prácticas de Manufactura

01

Decoupling Estratégico

Capacitor 0.1µF (X7R) a menos de 2mm del pin de alimentación. Crucial para evitar oscilaciones parásitas.

02

Anillos de Guarda

Protección de nodos de ultra alta impedancia contra corrientes de fuga superficiales en el sustrato del PCB.

03

Planos de Tierra

Separación estricta entre AGND (Analógico) y DGND (Digital) para prevenir contaminación de ruido de conmutación.

04

Pines Flotantes

Nunca dejar Op-Amps sin conectar. Configurar como buffers referenciados para evitar saturación errática.

Proyecto Final

Sistema de Acondicionamiento para Carga en CNC

Caso de Uso Real

Especificaciones

  • Entrada: 0-10 mV (Puente Wheatstone)
  • Salida ADC: 0-3.3 V
  • Ambiente: Ruido Industrial (VFD/Motores)
  • Filtrado: Pasa-bajas 50Hz (Butterworth)

Selección de ICs

AD620 Instrumentación de precisión
OPA2340 Rail-to-Rail Dual Op-Amp
Ref Componente Valor Descripción
U1 AD620 - Amplificador Instrumentación
U2 OPA2340 - Dual Rail-to-Rail
R_GAIN Resistor 0.1% 150 Ω Ganancia 330V/V
C1, C2 Capacitor NP0 330 nF Corte a 50Hz

Nota: Se requieren capacitores de tantalio 10µF para desacoplo de baja frecuencia en los rieles de alimentación.

Errores Críticos a Evitar

  • 1

    Confundir tierra real con tierra virtual al medir con osciloscopio.

  • 2

    Ignorar el límite de GBW al diseñar etapas de alta ganancia únicas.

Recomendaciones Pro

  • A

    Dividir ganancias altas en cascadas para preservar ancho de banda.

  • B

    Usar resistores de película metálica al 1% para mitigar deriva térmica.