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.

Comportamiento en corriente 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 cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. (Esto será aprovechado para su uso de comparador analógico.) Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación VS+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación VS-.

Lazo cerrado o realimentado

Se conoce como lazo cerrado 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 pata + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata -, la tensión en esta pata 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- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual). · I+ = I- = 0 Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida.

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. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda. Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más aplicado es obtener un oscilador para el generar señales oscilantes.

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. (Ver sección de limitaciones) Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op

Análisis

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es: 1. Comprobar si tiene realimentación negativa 2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior 3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito 4. Aplicar el método de los nodos 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) 5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

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.

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 frecuencia 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.

El voltaje de compensación de entrada es causado por una adaptación imperfecta de los transistores de entrada del amplificador operacional. Significa que para que la salida del amplificador sea cero, la diferencia entre las entradas inversoras y no inversoras 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 siguientes diagramas ilustran el uA748, un amplificador que presenta compensación de fase externa y anulación de desplazamiento de entrada.

Diagramas de pines del amplificador operacional uA 748.
Recomendaciones del fabricante para la anulación de desplazamiento y compensación de fase del uA748 en una configuración de amplificador inversor.

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

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.)

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)
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