Cambiadores de rango con op-amps

Cuando un sensor entrega una señal fuera del rango de tu ADC o instrumento, necesitas un cambiador de rango. Con amplificadores operacionales puedes desplazar y escalar niveles para aprovechar mejor la resolución disponible.

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Objetivo de diseño

Queremos transformar una señal $V_{in}$ en $V_{out}$ según:

$$V_{out} = a V_{in} + b$$

donde $a$ es la ganancia y $b$ el offset. Un circuito sumador/restador con op-amp no inversor logra este comportamiento.

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Configuración típica

1. Ganancia ajustable: usa un amplificador no inversor con resistencias $R_1$ y $R_2$, ganancia $1 + R_2/R_1$.
2. Offset programable: suma una referencia $V_{ref}$ a través de un divisor y op-amp sumador.
3. Fuente de referencia precisa: TL431, DAC o referencia interna del microcontrolador filtrada.
4. Rail-to-rail: selecciona op-amps que operen dentro del rango de tu suministro y salida.

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Ejemplo práctico

Transformar 0–20 mA (convertido a 0–2,5 V sobre resistor de 125 Ω) a 0–5 V para un ADC.

1. Convierte corriente en voltaje: $V_{sense} = 0$–2,5 V.
2. Configura ganancia $a = 2$ con $R_2 = R_1$.
3. Offset $b = 0$ (no requerido). Resultado: 0–5 V.

Para señales bipolares (por ejemplo -5 a +5 V a 0–3,3 V):

• Ganancia $a = 0,33$.
• Offset $b = 1,65$ usando referencia a mitad de 3,3 V.

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Consideraciones de precisión

• Tolerancia de resistencias: usa 0,1 % o mejor para errores <1 LSB.
• Deriva térmica: elige op-amps con bajo coeficiente y resistencias de película metálica.
• Ruido y ancho de banda: dimensiona filtros RC para limitar ruido antes del ADC.

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Protección

• Añade diodos de clamp y resistencias serie para proteger contra sobrevoltajes.
• Implementa limitadores (amplificadores con saturación) para mantener la señal dentro del rango esperado.

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Checklist

• ¿La referencia de offset es estable y filtrada?
• ¿El op-amp soporta el rango de entrada/salida?
• ¿La ganancia resultante cumple con los límites de tu ADC?
• ¿Añadiste filtrado anti-aliasing si el ADC es SAR?

Con estos lineamientos podrás diseñar cambiadores de rango fiables usando amplificadores operacionales.