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) (ganancia):
Vout = G·(V₊ − V₋)

El primer amplificador operacional monolítico data de los años 1960, era el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, 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 ganancia infinita, 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.

[editar] Notación

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

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.

[editar] Comportamiento en continua (DC)

[editar] 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 se da este caso. 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-.

[editar] 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

[editar] 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)

[editar] 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.

[editar] Configuraciones

[editar] Comparador

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.
$V_{out} = \left\{\begin{matrix} V_{S+} & V_1 > V_2 \\ V_{S-} & V_1 < V_2 \end{matrix}\right.$

[editar] Seguidor

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 = ∞

[editar] 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

[editar] No inversor

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

[editar] Sumador

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

[editar] Restador

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

[editar] Integrador ideal

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

NOTA: En la práctica se realizan modificaciones a este circuito porque no es estable.

[editar] Derivador ideal

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

NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable.

[editar] Otros

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

[editar] 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)

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 caída 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 celeste 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.

[editar] Parámetros

Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia de realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.
Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas entradas del operacional.
Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través de resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor cero.
Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del operacional que hace que su salida tome el valor cero.
Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones.
Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de señal
Slew rate. Velocidad de cambio de la tensión de salida ante un escalón a la entrada. Se mide en V/μs, kV/μs o similares.
Rechazo de Rizado en modo común. Relación entre la variación de la tensión de offset y el valor de la tensión en modo común. Se mide en dB.

[editar] Limitaciones

[editar] 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.

[editar] 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:
$\frac{1}{PSRR}=\frac{\Delta V_{OFFSET}}{\Delta V_{CC}}$

[editar] 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.

[editar] 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 características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

[editar] Capacidades

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

[editar] 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.

[editar] 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
Amplificador con realimentación

[editar] Enlaces externos

En inglés, pero muy intersantes:

IC Op-Amps Through the Ages, por T. H. Lee. Historia de los Operacionales: del uA702 hasta operacionales cmos Rail-to-rail y realimentados en corriente.
Designing Analog Chips, por by Hans Camenzind (Diseñador del NE555). Es un libro en PDF muy completo que apenas requiere conocimientos previos.
Primeros Amplificadores operacionales Realizados con válvulas termoiónicas.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org../../../a/m/p/Amplificador_operacional.html"

Categoría: Componentes electrónicos