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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.