Amplificador operacional

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Un amplificador operacional (A.O.) es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G):
Vout = G·(V₊ − V₋)

El primer A.O. data de los años 1960, era el Fairchild UA-709 que más tarde sería sustituido por el popular 741 fabricado por numerosas empresas y basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El A.O. ideal tiene una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

Notación

El símbolo de un A.O. es el mostrado en la siguiente figura:

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Opamppinouts.png
Símbolo del A.O.

Los terminales son:

V₊: entrada no inversora
V_-: entrada inversora
V_OUT: salida
V_S+: alimentación positiva
V_S-: alimentación negativa

Las patillas de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en los A.O. basados en FET V_DD y V_SS respectivamente. Para los basados en BJT son V_CC y V_EE.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.

Comportamiento en continua (DC)

Lazo abierto

Si no existe realimentación la salida del A.O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se considerará infinito en calculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1mV la salida debería ser 100V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A.O. estará saturado, si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación V_S+, mientras que si la tensión más alta es la de la patilla - la salida será la alimentación V_S-.

Lazo cerrado

Se conoce como lazo a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la patilla + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la patilla -, la tensión en esta patilla también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor.

Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito:

V₊ = V_-
I₊ = I_- = 0

Comportamiento en alterna (AC)

En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones)

Análisis

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es:

Comprobar si tiene realimentación negativa
Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior
Definir la corrientes en cada una de las ramas del circuito
Aplicar el método de los nudos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)
Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca

Configuraciones

Comparador

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Opampcomparator.png
Comparador de tensiones

Esta es una aplicación sin la realimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.
$V_{out} = \left\{\begin{matrix} V_{S+} & V_1 > V_2 \\ V_{S-} & V_1 < V_2 \end{matrix}\right.$

Seguidor

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Opampfollowing.png
Seguidor de tensión

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)
Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: V_out = V_in
Z_in = ∞

Inversor

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Opampinverting.png
Amplificador inversor

El análisis de este circuito es el siguiente:
- V₊ = V_- = 0
- Definiendo corrientes: $\frac{V_{in}-0}{R_{in}}=-\frac{V_{out}-0}{R_{f}}$ y de aquí se despeja
- $V_{OUT}=-V_{in}\frac{R_f}{R_{in}}$
Para el resto de circuitos el análisis es similar.
Z_in = R_in

No inversor

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Opampnoninverting.png
Amplificador no inversor

$V_{out}=V_{in}(1+\frac{R_2}{R_1})$
Z_in = ∞

Sumador

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Opampsumming.png
Amplificador sumador de n entradas

La salida está invertida
Para resistencias independientes R₁, R₂, ... R_n
- $V_{out}=-R_f(\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}+...+\frac{V_n}{R_n})$
La expresión se simplifica mucho si se usan resistencias del mismo valor
Impedancias de entrada: Z_n = R_n

Restador

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Opampdifferencing.png
Amplificador diferenciador

Para resistencias independientes R₁,R₂,R₃,R₄:
- $V_{out} = V_2 \left( { \left( R_3 + R_1 \right) R_4 \over \left( R_4 + R_2 \right) R_1} \right) - V_1 \left( {R_3 \over R_1} \right)$
Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales
La impedancia diferencial entre dos entradas es Z_in = R₁ + R₂

Integrador

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Opampintegrating.png
Amplificador integrador

Integra e invierte la señal (V_in y V_out son funciones dependientes del tiempo)
- V_inicial es la tensión de salida en el origen de tiempos (t = 0)
Este circuito también se usa como filtro

Derivador

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Opampdifferentiating.png
Amplificador derivador

Deriva e invierte la señal respecto al tiempo
$V_{out} = - R C \, {d V_{in} \over dt}$
Este circuito también se usa como filtro

Otros

Osciladores, como el puente de Wien
Convertidores carga-tensión
Convertidores corriente-tensión
Filtros activos
Comparador
Girador (simula un inductor)

Aplicaciones

Calculadoras analógicas
Filtros
Preamplificadores y buffers de audio y video
Reguladores
Conversores
Evitar el efecto de carga
Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)

Estructura

Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.
Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.
Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.

Ejemplo del 741

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Opamptransistorlevelcolored.png

Diagrama electrónico del operacional 741

En el diagrama se destaca en azul el amplificador diferencial. Éste es el responsable de que las corrientes de entrada no sean cero, pero si muy bajas respecto a las de los colectores (Nótese como a pesar de aproximar las corrientes de entrada a 0, si éstas realmente fueran 0 el circuito no funcionaría). La impedancia de entrada es de unos 2MΩ.

Las etapas en rojo son espejos de corriente. El superior de la izquierda sirve para poder soportar grandes tensiones en modo común en la entrada. El superior de la derecha proporciona una corriente a la circuitería de salida para mantener la tensión. El inferior tiene una baja corriente de colector debido a las resistencias de 5kΩ. Se usa como conexión de gran impedancia a la alimentación negativa para poder tener una tensión de referencia sin que haya efecto de carga en el circuito de entrada.

Los pines llamados Offset null son usados para eliminar las tensiones de offset que pueda haber en el circuito.

La etapa de ganancia en tensión es NPN.

La sección verde es un desplazador de tensión. Esto proporciona una caida de tensión constante sin importar la alimentación. En el ejemplo 1V. Esto sirve para prevenir la distorsión.

El condensador se usa como parte de un filtro paso bajo para reducir la frecuencia y prevenir que el A.O oscile.

La salida en azul claro es un amplificador PNP seguidor con emisor push-pull. El rango de la tensión de salida es de un voltio menos a la alimentación, la tensión colector-emisor de los transistores de salida nunca puede ser totalmente cero. Las resistencias de salida hacen que la corriente de salida esté limitada a unos 25mA. La resistencia de salida no es cero, pero con realimentación negativa se aproxima.

Limitaciones

Saturación

Un A.O típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente algunos voltios menos. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores.

Un concepto asociado a éste es el Slew rate.

Tensión de offset

Es la diferencia de tensión que se da entre sus dos patillas. Se puede expresar su dependencia de la temperatura (T) como:
$V_{OFFSET}=V_{OFFSET}(T_0)+\frac{\Delta V_{OFFSET}}{\Delta T}(T-T_0)$
Donde T₀ es una temperatura de referencia.

Una característica derivada de ésta es el PSRR que se expresa como:
$\frac{1}{PSRR}=\frac{\Delta V_{OFFSET}}{\Delta V_{CC}}$

Corrientes

Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar:

$I O F F S E T = I + - I -$
$I_{BIAS}=\frac{I_+-I_-}{2}$

Idealmente ambas deberían ser cero.

Característica tensión-frecuencia

Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios. Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores,en estos amplificadores prima mantener las caracteristicas a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

Capacidades

El A.O. presenta capacidades parásitas que afectan en alta frecuencia.

Deriva térmica

Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los A.O. también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.

Véase también

Amplificador de aislamiento (AA)
Amplificador de instrumentación
Amplificador de transconductancia variable (OTA)
Amplificador realimentado en corriente (CFA)
Comparador
Transistor
Trigger Schmitt o disparador Schmitt

Enlaces externos

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