Tecnología Electrónica

Amplificador escalador: Circuito de op-amp para ganancia/atenuación precisa de señal

¿Qué es un amplificador escalador?

Un amplificador escalador es un circuito de amplificador operacional que multiplica un voltaje de entrada por un factor constante y preciso K (el factor de escalado), donde K puede ser > 1 (amplificación), < 1 (atenuación), o negativo (inversión + escalado). Es el bloque fundamental de la computación analógica, acondicionamiento de señal y adquisición de datos.

Circuito canónico: Amplificador escalador inversor

 Rf Vin ──┬─────[ ]─────┐ │ │ ▼ ▼ (–) (–) | \ | \ | \ Op-Amp | \ | >─────────| >── Vout = –K × Vin | / | / | / | / (+) (+) │ │ GND GND │ [Rin] │ GND

Función de transferencia

Vout = – (Rf / Rin) × Vin

Factor de escalado K = –Rf / Rin

  • |K| > 1: Amplificación (Rf > Rin).
  • |K| = 1: Inversor de ganancia unidad (Rf = Rin).
  • |K| < 1: Atenuación (Rf < Rin).

Amplificador escalador no inversor

Vout = (1 + Rf/Rg) × Vin (K ≥ 1 solo). Para K < 1, use una etapa inversora o divisor de voltaje + búfer.

Consideraciones de diseño de precisión

Fuente de errorEfecto en KMitigación
Tolerancia de resistoresΔK/K ≈ ΔRf/Rf + ΔRin/RinRedes de película fina 0.01%–0.1%; pares igualados (p. ej., LT5400, INA159).
TCR de resistoresDeriva de ganancia con temperaturaTCR igualado (< 2 ppm/°C de seguimiento); mismo sustrato.
VOS del op-ampOffset de salida = VOS × (1 + K)Op-amps chopper/cero deriva (LTC2057, ADA4522, OPA388); auto-cero.
IB / IOS del op-ampVoltaje de offset a través de RfIB bajo (JFET/CMOS); igualar Rin||Rf en la entrada +.
AOL finitoError de ganancia ≈ K / AOLAOL alto (> 120 dB); K bajo; o amplificador compuesto.
Ancho de banda / Velocidad de cambioLa ganancia cae en alta f; distorsión en alta dV/dtGBW >> K × fsignal; SR > 2πfVpeak.
CMRR / PSRRModulación de ganancia por VCM / VCCOp-amps con alto CMRR/PSRR; bypass adecuado de fuentes.

Aplicaciones

  • Acondicionamiento de señal de sensores: Termopar (mV → V), galgométrico (µV/V → V), fotodiodo (I → V con escalado).
  • Interfaz ADC/DAC: Mapear rango del sensor a escala completa del ADC (p. ej., 0–5 V → 0–3.3 V).
  • Computación analógica: Sumatorio, integración, derivación (con C en retroalimentación).
  • Auto-rango / Cambio de rango: Rf / Rin conmutado para extensión de rango dinámico.
  • Ajuste de nivel de audio/video: Emparejamiento de nivel de línea, control de volumen (potenciómetro digital en retroalimentación).

Soluciones integradas

  • INA159 / INA159A: Amplificador diferencial de precisión de ganancia unidad (resistores recortados por láser).
  • AD8275 / AD8276: G = 1/5 o 5, 1/10 o 10, resistores internos.
  • PGA (Amplificador de ganancia programable): PGA280, AD8250, LTC6910 — control de ganancia digital.
  • Potenciómetro digital en retroalimentación: AD5270, MCP45xxx — escalado ajustable por µC.

Resumen

Un amplificador escalador es un circuito ratiométrico de precisión. Su precisión depende casi por completo de la igualación y seguimiento de resistores — no del op-amp. Para la mayor precisión, use redes de resistores monolíticas o bloques de ganancia integrados.

>

<

Amplificadores y preamplificadores