Amplificador operacional

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Amplificador operacional
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Concepto:Amplificador electrónico con entradas diferenciales y alta ganancia (ganancia típicamente del orden de 106).

Amplificador operacional (a.o.). Tipo de amplificador electrónico de uso común, que presenta entradas diferenciales y alta ganancia (ganancia típicamente del orden de 106). Fueron desarrollados en la década de 1940 para su uso en computación analógica, acuñándose el nombre de "amplificador operacional" en 1947 para reflejar que podían realizar operaciones matemáticas como suma, diferenciación e integración en voltajes aplicados a las entradas.[1] Los amplificadores operacionales originales estaban hechos de tubos de vacío y otros componentes discretos, pero con la implementación de amplificadores operacionales como circuitos integrados monolíticos (ICs) en la década de 1960, su popularidad explotó, su bajo costo y facilidad de uso llevaron a su empleo en una amplia variedad de circuitos de amplificación, procesamiento de señales y control.

Como mínimo, un amplificador operacional tiene cinco terminales:

  • entrada inversora
  • entrada no inversora
  • salida
  • fuente de alimentación positiva
  • fuente de alimentación negativa

Si se proporciona una tensión de alimentación adecuada a través de los terminales de alimentación (5V-30V típico), la salida será la diferencia de las dos entradas, multiplicada por una gran constante (106 típico) llamada «ganancia de bucle abierto» del amplificador.[2] En la mayoría de los circuitos que usan amplificadores operacionales, la retroalimentación negativa se usa para controlar la ganancia y otros aspectos del rendimiento del circuito.

Infografía

  • El Philbrick K2-W, presentado en 1952, el primer amplificador operacional de propósito general comercial. Utilizaba dos tubos duales de vacuo 12AX7

  • El uA702, diseñado por Bob Widlar y lanzado por Fairchild en 1964, fue el primer amplificador operacional monolítico IC disponible comercialmente. Costó 300 dólares y el ejército estadounidense fue el principal cliente.[3]

  • El uA741, diseñado por Dave Fullagar en Fairchild después de la partida de Widlar a National, ha sido llamado el amplificador operacional más popular de todos los tiempos. Lanzado en 1968, fue el primer amplificador operacional IC que no requirió un condensador externo de compensación de frecuencia, parte de la razón de su popularidad.[3]

  • El LM324, desarrollado por Russell y Frederiksen en National Semiconductor ca. 1972, contenía cuatro amplificadores operacionales independientes en un paquete de doble hilera de 14 pines. Podía funcionar con un solo suministro de tan solo 3 voltios y tenía un drenaje de corriente inactiva de solo aproximadamente 1 mA para todo el paquete, lo que lo hacía adecuado para el funcionamiento con batería. Es un amplificador operacional popular, de bajo costo y de uso general.[4]

Características

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

Parámetro Valor ideal Valor real
Zi ∞ 1 MΩ
Zo 0 100 Ω
Bw ∞ 1 MHz
Av ∞ 100.000
Ac 0

Nota: Los valores reales dependen del modelo, estos valores son genéricos y son una referencia. Si van a usarse amplificadores operacionales, es mejor consultar el datasheet o características del fabricante.

Circuitos amplificadores

Circuito amplificador simple

A continuación se muestra un diagrama de un circuito amplificador simple (en realidad crudo) que usa un amplificador operacional.

Amplificador simple

Dos baterías de 9 voltios proporcionan una fuente de alimentación de + y - 9 voltios; la entrada inversora se mantiene a cero voltios; y un voltaje variable (Ve, la "señal") se aplica a la entrada no inversora mediante el potenciómetro R1. (R1 puede ser cualquier valor conveniente de 10 kilohmios a 1 megohmio.)

La ganancia de este amplificador será simplemente la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional, aproximadamente 105 - 106. Con una ganancia tan alta, Ve solo tendrá que ser mínimamente diferente a 0V para que la salida alcance el extremo positivo o negativo de su rango, que en este caso sería de aproximadamente positivio o negativio 7 voltios, unos pocos voltios menos que la fuente de alimentación. Para lograr un voltaje de salida entre estos valores (es decir, dentro del rango de trabajo del amplificador) se requerirá un ajuste extremadamente cuidadoso de R1, de modo que Ve esté dentro de una fracción de milivoto de cero. Si se logra esto, se notará que Vs es extremadamente sensible a los cambios en R1, de modo que incluso tocar R1 con un lápiz o soplarlo hará que Vs cambie varios voltios.

Como amplificador, este circuito apenas es útil debido a la dificultad de polarizarlo dentro de su rango de trabajo; además, será relativamente ruidoso y distorsionador, y tendrá una respuesta de frecuencia desigual.

Comparador

En la práctica, lo que uno notará con este circuito es que a medida que uno gira R1, el voltaje de salida cambiará abruptamente de extremo negativo a extremo positivo a medida que Ve pase por el punto cero. El circuito funciona así como un comparador: es decir, da una salida binaria (alta o baja) dependiendo de si Ve está por encima o por debajo de un voltaje umbral (en este caso, 0 V). Los amplificadores operacionales a veces se usan exactamente de esta manera como comparadores, aunque también existen circuitos integrados comparadores especializados que ofrecen mayor velocidad y diferentes capacidades de accionamiento, entre otras características (P. Ej., LM306, LM311).

Amplificador con retroalimentación

Como amplificador, el circuito se mejora enormemente al devolver una fracción del voltaje de salida a la entrada inversora. Esto se hace comúnmente usando una red resistiva divisora de voltaje, como se muestra en el diagrama a continuación.

Amplificador operacional con retroalimentación

El circuito es idéntico al amplificador crudo anterior, excepto que la entrada inversora, en lugar de estar conectada a 0 voltios, ahora está conectada a la salida del divisor R2-R3, de modo que detecta una fracción del voltaje de salida. La fracción, llamada fracción de retroalimentación (f), está determinada por los valores de la resistencia de acuerdo con la fórmula: 

         R2
f  =  ---------
       R2 + R3


La tensión de salida (Vs) es, como siempre, la diferencia entre las entradas, multiplicada por la ganancia de bucle abierto (Aba) del amplificador operacional. 


Vs  =  Aba * ( V[entrada no inversora] - V[entrada inversora] )

Vs  =  Aba * ( Ve - f*Vs )


Resolviendo la ganancia general (Vs / Ve), tenemos: 


          Vs            Aba
Abc  =  ------  =  -------------
          Ve         1 + f*Aba


Esto se denomina ganancia de bucle cerrado (Abc) porque es la ganancia en presencia del bucle de retroalimentación completado. Es evidente que la retroalimentación (f) reduce la ganancia del amplificador: Abc < Aba. Esto podría considerarse indeseable; sin embargo, la retroalimentación también confiere una ventaja en que la Abc, la ganancia de bucle cerrado, se vuelve parcialmente dependiente de la red de retroalimentación y menos dependiente de Aba.

Esto es una ventaja porque Aba es relativamente impredecible y tiene otras características indeseables, como ruido, no linealidad (distorsión de la señal) y dependencia de la frecuencia, debido al hecho de que es el producto de los elementos productores de ganancia en el amplificador operacional, es decir, transistores, que se caracterizan por tener amplias variaciones en los parámetros entre unidades individuales (imprevisibilidad) y por ser ruidosos, no lineales y dependientes de la frecuencia.

La red de retroalimentación, por otro lado, puede ser elegida por el diseñador para que tenga características más manejables. En particular, si se construye a partir de resistencias, exhibirá la previsibilidad, tranquilidad, linealidad y respuesta de frecuencia amplia y uniforme que caracteriza a esos dispositivos.

Comúnmente, en el diseño de circuitos con amplificadores operacionales, se usa suficiente retroalimentación negativa para que la Abc dependa casi por completo de f y sea casi independiente de las particularidades de Aba. Considerando la ecuación anterior para Abc, si Aba es muy grande y se usa retroalimentación significativa (es decir: f >> 1 / Aba), la ecuación se simplifica a lo siguiente: 


         1
Abc  =  ---
         f


En el circuito que estamos considerando aquí, esto significa que: 


         R2 + R3  
Abc  =  ---------
           R2


Otros beneficios

También se puede mostrar que en este circuito la retroalimentación negativa tiene los efectos de aumentar la impedancia de entrada y disminuir la impedancia de salida. Estos efectos suelen ser deseables. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente eléctrica de mejores características.

Otro beneficio de la retroalimentación negativa en este circuito es que la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.

Amplificador no inversor. Ganancia = 1 + R2/R1

Este es el circuito amplificador estándar no-inversora con un amplificador operacional y se usa ampliamente. A menudo está diagramado con las disposiciones de suministro de energía asumidas y no mostradas; y normalmente se mostraría un voltaje de señal aplicado a la entrada en lugar de variar el voltaje de entrada mediante un potenciómetro como se mostró anteriormente. La figura de abajo está en este estilo.


Análisis alternativo: reglas convenientes

Los circuitos amplificadores operacionales a menudo pueden entenderse con fórmulas matemáticas mínimas, utilizando dos reglas convenientes. Las reglas se aplican cuando se cumplen dos condiciones: 1) hay retroalimentación negativa, 2) la salida y las entradas permanecen dentro de su rango de trabajo (por ejemplo, sin saturación ni recorte).

Regla I. La salida hace lo que sea necesario para que el voltaje en la entrada inversora sea el mismo que el voltaje en la entrada no inversora. Esta regla se deduce de los hechos de que 1) la ganancia de bucle abierto es muy alta y 2) hay retroalimentación negativa, lo que permite que la salida altere el voltaje en la entrada inversora. Dado que la ganancia es muy alta, una fracción de milivoltio entre las entradas hará oscilar la salida en todo su rango, por lo que sabemos que si la salida está dentro de su rango de movimiento, las entradas deben estar separadas por menos de una fracción de milivoltio o, para la mayoría de los propósitos prácticos, igual.

Regla II. Las entradas no consumen corriente. Esto es cierto para la mayoría de los propósitos prácticos debido a la muy alta impedancia y las bajas corrientes de polarización de las entradas.[5]


Amplificador no inversor revisado

El circuito amplificador no inversor estándar que se analizó anteriormente usando la ecuación de retroalimentación puede analizarse alternativamente usando las reglas convenientes, de la siguiente manera::

Dado que la entrada no inversora está en Ve, según la regla 1, la entrada inversora también está en Ve. La corriente a través de R2 es, por lo tanto, Ve/R2  (según la ley de Ohm). Esta misma corriente debe fluir a través de R1 ya que, según la regla 2, ninguna corriente entra o sale de la entrada inversora. El voltaje a través de R1 es, según la Ley de Ohm,  V   =   I * R   =   (Ve/R2) * R1.  El voltaje de salida es   Ve más el voltaje a través de R1:   Vs   =   Ve + (Ve/R2) * R1   =   Ve * (1 + R1/R2)  (Ver Ley de Kirchoff).

Comportamiento en corriente alterna (AC)

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

Amplificador inversor

Amplificador inversor

Aquí se muestra el circuito amplificador inversor estándar que usa un amplificador operacional. El análisis por las reglas convenientes procede de la siguiente manera:

  • La entrada no inversora está en potencial de tierra; por lo tanto, la entrada inversora debe estar en potencial de tierra (Regla I).
  • La corriente a través de Re es  Ve / Re (ley de Ohm)
  • La corriente a través de Rr es la misma:  Ve / Re (Regla II)
  • El voltaje de salida es  Rr *  -Ve / Re (ley de Ohm)

La ganancia es  -Rr / Re.

Una característica, a veces indeseable, de este circuito es una impedancia de entrada relativamente baja. La impedancia de entrada es simplemente Re (ya que un extremo de esa resistencia está conectado a Ve y el otro está a una constante de 0 voltios). Un punto como la entrada inversora en este circuito, que se mantiene en potencial de tierra aunque no está conectado directamente a tierra, se denomina "tierra virtual". Funciona como una tierra real siempre que la salida del amplificador esté dentro de su rango de trabajo, de modo que pueda mantener cero el voltaje de entrada diferencial a través de la retroalimentación negativa.

Terminales adicionales

Además de los cinco terminales básicos mencionados anteriormente, algunos amplificadores operacionales tienen terminales para compensación de fase y para la anulación de voltajes de compensación de entrada.

Diagramas de pines del amplificador operacional uA 748.

El propósito de la compensación de fase es mejorar la estabilidad del amplificador a altas frecuencias. Cuando se usa retroalimentación negativa, un amplificador puede oscilar a cierta frecuencia alta debido a cambios de fase internos (retrasos temporales) en el amplificador operacional que, cuando se agregan a la retroalimentación negativa externa, hacen que la fase de la retroalimentación en el circuito total sea positiva. La compensación de fase resuelve este problema alterando las características de ganancia y/o fase del amplificador operacional de modo que no se produzca la combinación de fase de retroalimentación positiva y ganancia de bucle cerrado mayor que uno (es decir, la condición de oscilación). Muchos amplificadores operacionales modernos tienen compensación de fase interna que garantiza que el amplificador operacional será estable en la mayoría de los circuitos. Sin embargo, esto tiene un costo, ya que la compensación de fase debe ser lo suficientemente grande como para hacer que el amplificador operacional sea estable en un escenario relativamente del "peor de los casos", es decir, en presencia de grandes cantidades de retroalimentación externa. Dado que la compensación de fase generalmente reduce la velocidad y la ganancia de alta frecuencia del amplificador operacional, los amplificadores operacionales con compensación de fase interna funcionan por debajo de su potencial en circuitos con cantidades más pequeñas de retroalimentación negativa. Si se desea una velocidad máxima, por lo tanto, puede ser mejor usar un amplificador operacional en el que la compensación de fase no se proporcione internamente, sino que se proporcione mediante componentes externos seleccionables por el diseñador para adaptarse a la aplicación particular. Generalmente, esto se logra con un solo condensador externo conectado entre dos pines en el paquete del amplificador operacional.

Recomendaciones del fabricante para la anulación de desplazamiento y compensación de fase del uA748 en una configuración de amplificador inversor.

El voltaje de compensación de entrada es causado por una coincidencia imperfecta de los transistores de entrada del amplificador operacional. Significa que para que la salida del amplificador sea cero, la diferencia entre las entradas inversora y no inversora no debe ser cero, como sería lo ideal, sino que debe ser un voltaje pequeño, generalmente del orden de un milivoltio. Algunos amplificadores operacionales le dan al usuario la opción de reducir aún más este voltaje de compensación conectando una resistencia variable a pines especiales de "anulación de compensación" en el paquete del amplificador operacional. La resistencia se ajusta después del ensamblaje para minimizar el error de salida cuando la diferencia de voltaje de entrada se mantiene en cero.

Los diagramas aquí ilustran el uA748, un amplificador que presenta compensación de fase externa y anulación de desplazamiento de entrada.

Nomenclatura alternativa

Simbología alternativa
  • V+: entrada no inversora
  • V-: entrada inversora
  • VOUT: salida
  • VS+: alimentación positiva
  • VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.

Ver además

Referencias

  1. ↑ Universidad Columbia, 2021. "The Operational Amplifier" («El Amplificador Operacional» -- Inglés)
  2. ↑ «Ganacia de bucle», Academia-lab
  3. ↑ 3,0 3,1 Rob Eliot «Historia del amplificador operaciona»"; TH Lee «Amplificadores operacionales IC a través de los siglos».
  4. ↑ «324 Op-Amp» electronicsreference.com (Inglés);
    «Op-Amp Applications» p. 51/74. Analog.com (Inglés)
  5. ↑ Las reglas son de Paul Horowitz y Winfield Hill, pag. 177.

Fuentes

  • Millman , Jacob (1967). Electronic Devices and Circuits. (Habana, Cuba).
  • Paul Horowitz y Winfield Hill (1989) The Art of Electronics (El arte de la electrónica), 2da edición. (Prensa de la Universidad de Cambridge, E.U.)
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