Amplificador inversor vs no inversor: qué cambia realmente
Las mismas dos resistencias, dos circuitos y tres diferencias que las ecuaciones de ganancia no enseñan.
- Lección 2 de 10
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Las dos etapas básicas con operacional suelen enseñarse como un par de ecuaciones, lo que las hace parecer alternativas que se eligen según quieras o no un signo menos. No es eso lo que las separa en la práctica.
Esta lección monta las dos con las mismas resistencias, de modo que lo único que cambia es la topología, y después mira qué se diferencia de verdad. La respuesta son tres cosas, y la polaridad de la señal es la menos importante.
Respuesta rápida. Una etapa no inversora tiene ganancia 1 + Rf/Rg y una impedancia de entrada que pone el operacional, que es muy alta. Una etapa inversora tiene ganancia −Rf/Rg y una impedancia de entrada igual a Rg, que es la que tú hayas puesto. Las dos tienen la misma ganancia de ruido, 1 + Rf/Rg, así que las dos sufren el mismo error de offset y las dos sacan el mismo ancho de banda del mismo amplificador. La elección la decide casi siempre quién ataca la entrada, no el signo.
El circuito al que vuelve todo el curso
Un sensor entrega de 0 a 20 mV. Lo lee un convertidor de 12 bits con una sola alimentación de 3,3 V, y queremos aprovechar casi todo el recorrido del convertidor sin chocar con ningún raíl, así que apuntamos a unos 2,4 V a fondo de escala.
La ganancia que hace falta es 2,4 / 0,020 = 120. Con valores normalizados al 1 %, Rg = 1,00 kΩ y Rf = 118 kΩ dan:
G = 1 + Rf/Rg = 1 + 118 000 / 1 000 = 119La salida a fondo de escala son 119 × 20 mV = 2,38 V. Lo bastante cerca del objetivo, y hecho con dos piezas que se pueden comprar de verdad.
Un código del convertidor vale 3,3 / 4096 = 806 µV en la salida, que llevados de vuelta a la entrada son 806 µV / 119 = 6,8 µV. Acuérdate de ese número. Es la vara de medir contra la que se compara cada error de este curso.
Las mismas resistencias, al revés
Mantén Rf = 118 kΩ y Rg = 1 kΩ y vuelve a montar la etapa como amplificador inversor. Ahora la señal ataca a Rg, el extremo libre de Rg es la entrada y la patilla no inversora va a una referencia.
G = −Rf/Rg = −118 000 / 1 000 = −118No −119. Las ganancias inversora y no inversora con un par de resistencias idéntico se diferencian exactamente en uno, lo que importa menos que el hecho de que mucha gente da por supuesto que son de la misma magnitud.
Diferencia uno: qué ve la fuente
En la etapa no inversora la señal llega a la propia patilla de entrada del amplificador. Esa patilla pide una corriente de polarización, de la que nos ocupamos en otra lección, pero no presenta una resistencia a masa. A la fuente casi no se la carga.
En la etapa inversora la señal ataca a Rg contra un nodo que la realimentación mantiene a tensión fija. La impedancia de entrada es por tanto Rg, y nada más. Aquí, 1 kΩ.
Supón ahora que el sensor tiene 10 kΩ de resistencia de fuente propia. La etapa inversora ya no ve una fuente de 20 mV, ve 20 mV detrás de 10 kΩ atacando a 11 kΩ en total:
G = −Rf / (Rs + Rg) = −118 000 / 11 000 = −10,7La ganancia se ha desplomado de 118 a 10,7, un error de alrededor del 91 %. A la etapa no inversora con el mismo sensor no le pasa prácticamente nada.
Esta es la razón más frecuente para elegir entre las dos, y no tiene nada que ver con la polaridad.
Diferencia dos: la ganancia de ruido es la misma, la de señal no
La tensión de offset, el ruido de entrada y cualquier otra cosa que aparezca como error en la entrada del amplificador quedan multiplicados por la ganancia de ruido, que es la ganancia desde la entrada inversora hasta la salida:
ganancia de ruido = 1 + Rf/Rg = 119Para la etapa no inversora resulta coincidir con la ganancia de señal. Para la inversora no: ganancia de señal 118, ganancia de ruido 119. El amplificador inversor amplifica sus propios errores algo más de lo que amplifica tu señal, y con ganancias bajas la discrepancia se vuelve llamativa. Una etapa inversora con Rf = Rg tiene ganancia de señal 1 y ganancia de ruido 2, y un atenuador inversor con ganancia de señal −0,5 sigue teniendo ganancia de ruido 1,5.
De ahí salen dos consecuencias, y las dos se pasan por alto con facilidad:
- El error de offset es el mismo en los dos circuitos. Lo que multiplica
al offset es la ganancia de ruido, así que nuestras dos etapas convierten un offset de entrada en 119 veces más offset de salida, aunque una tenga ganancia de señal 118.
- El ancho de banda es el mismo en los dos circuitos. También es la
ganancia de ruido la que divide al producto ganancia-ancho de banda, que es lo que trabaja la lección siguiente. Montar la versión inversora no te compra velocidad.
Diferencia tres: dónde está el nodo de referencia
En la etapa no inversora la salida está referida a aquello a lo que esté atada la patilla no inversora. En la inversora, el nodo inversor se mantiene a aquello a lo que esté atada la patilla no inversora, y la salida se mueve alrededor de esa misma tensión.
Con alimentación simétrica las dos suelen ser masa y nadie piensa en ello. Con una sola alimentación, que es lo que usa nuestro frontal, pasa a ser una decisión de diseño con consecuencias reales.
La salida de nuestro sensor está referida a masa y se queda cerca de 0 V. Para la etapa no inversora eso significa que la tensión de modo común de entrada del amplificador también anda cerca de 0 V, y que la salida tiene que poder acercarse a 0 V, porque el fondo del rango del sensor cae en el fondo del rango de salida. Las dos cosas son exigencias a la pieza, no a las resistencias, y las dos se tratan más adelante en este curso.
La versión inversora aquí es peor, no mejor. Su nodo de entrada tendría que estar a la tensión de la patilla no inversora, y una entrada positiva de 0 a 20 mV llevaría la salida hacia valores negativos, que una sola alimentación no puede dar. Hacerla funcionar exige una referencia por encima de masa y un reparto distinto del rango, lo que son piezas de más y fuentes de error de más.
Cómo elegir entre las dos
| Pregunta | Favorece la no inversora | Favorece la inversora |
|---|---|---|
| La impedancia de fuente es alta o no se conoce | sí | no |
| La fuente no admite que se la cargue | sí | no |
| Hay que sumar varias señales | no | sí, en el nodo virtual |
| Hace falta ganancia menor que 1 | no | sí |
| Hace falta invertir la señal | no | sí |
| Una sola alimentación y señal referida a masa | normalmente | necesita referencia |
| El rango de modo común va justo | no | sí, la patilla de entrada no se mueve |
Esa última fila merece una nota, porque es el único argumento a favor de la etapa inversora que no tiene que ver con la polaridad ni con la impedancia. En un amplificador inversor la patilla no inversora está atada a una tensión fija y el lazo mantiene ahí al nodo inversor, de modo que la tensión de modo común de entrada no se mueve por grande que sea la señal. En un amplificador no inversor la tensión de modo común es la señal. Cuando el rango de modo común es la restricción que aprieta, eso decide.
Qué viene después
La lección 3 toma la ganancia de ruido de 119 que hemos fijado aquí y enseña qué le hace al ancho de banda de la etapa, que es un efecto mayor de lo que casi nadie espera de una pieza anunciada como de 1 MHz.
Fuentes y lecturas
- Texas Instruments: AN-20 An Applications Guide for Op Amps (SNOA621) — informe de aplicación, las configuraciones y los términos de error que arrastra cada una.
- Texas Instruments: Feedback Plots Define Op Amp AC Performance (SBOA015) — boletín de aplicación, la ganancia de ruido como magnitud que gobierna error y ancho de banda.
- Microchip: AN722 Operational Amplifier Topologies and DC Specifications — nota de aplicación, las consecuencias en continua de cada topología.
- Microchip: AN682 Using Single Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems — nota de aplicación, qué cambia cuando no hay raíl negativo al que referirse.