1.3. El OPAMP práctico y compensación

Electrónica Analógica III

Unidad I

1.3. El amplificador operacional práctico Los amplificadores operacionales son dispositivos semiconductores, monolíticos (están formados en un sustrato integrado mediante métodos de máscara y deposición), acoplados directamente, y su estructura interna se puede agrupar en tres etapas:

Entrada, conformada por un amplificador diferencial que dependiendo de su tecnología constructiva puede ser BJT, JFET, entre otras. Esta etapa defina todas las características y parámetros de entrada del amplificador operacional, por ejemplo, alta resistencia de entrada, alta CMRR, Alta ganancia en lazo abierto, entre otras características.

Intermedia, amplificadores de corriente constante, espejos de corriente, corrimiento de nivel CD, amplificadores de voltaje.

Salida , configurada por un amplificador en contrafase o simetría complementaria, para proporcionar fundamentalmente una gran variación a la señal de salida con Ro baja.

El siguiente diagrama esquemático representa los circuitos internos del amplificador operacional de propósito general LM741.

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El comparador LM339 está configurado internamente como se muestra en el siguiente diagrama, se pueden apreciar algunas diferencias con el opamp Lm741, los transistores PNP en la entrada por el PAPE y las salidas en colector abierto.

El diagrama del amplificador operacional

TL082 con entrada FET:

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Los amplificadores operacionales prácticos difieren un poco de los amplificadores operacionales ideales en algunos parámetros importantes, esto debido principalmente a que en los primeros se observan pequeñas variaciones en el voltaje de salida, provocados por las corrientes y voltajes de polarización y operación de los dispositivos semiconductores internos. Es importante entender estas diferencias entre los amplificadores operacionales reales e ideales, sobre todo cuando pequeñas variaciones en el voltaje de salida afectan de manera considerable el comportamiento del circuito (Ej. en los sistemas de instrumentación). Un amplificador operacional en su configuración inversora para una aplicación en general donde no importa mucho la desviación en el valor del voltaje de salida esperado, -5V, puede presentar en la salida un voltaje medido de -4.916 como se muestra en el siguiente circuito, un error de 84 mV.

Sin embargo, si se requiere amplificar una señal de 1 µV que pudiera provenir de un sensor, el error en la desviación del voltaje de salida esperado si afecta más allá del 100%, es decir, pareciera que las ecuaciones desarrolladas para las configuraciones básicas del amplificador operacional ideal en lazo cerrado no son válidas para el amplificador práctico.

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El error en el voltaje de salida se debe a los parámetros estáticos del amplificador operacional, que se refieren a las pequeñas diferencias entre los voltajes y corrientes de polarización de los transistores acoplados por emisor (PAPE) en la etapa de entrada del amplificador operacional. Estas características, entre otras, se pueden encontrar la hoja de especificaciones eléctricas del dispositivo en particular proporcionada por su fabricante.

Parámetros estáticos de entrada 1. Input Offset Voltage (Vio). Si el voltaje de entrada de un amplificador operacional ideal es cero, el voltaje de salida también es cero, esto no aplica en un amplificador operacional real. El voltaje de “offset” en la entrada se define como el voltaje de entrada requerido para que la salida sea cero (V io es cero para un amplificador ideal). Estos pequeños voltajes de desbalance en las entradas del amplificador operacional se deben a pequeñas diferencias en los parámetros de fabricación de la primera etapa (entrada) del amplificador operacional, el amplificador diferencial, es decir, los transistores de esta configuración no son idénticos, produciéndose ligeras variaciones en el valor nominal del voltaje de colector cuando ambas entradas son aterrizadas. Este voltaje se puede representar como una fuente de voltaje interna en serie con la terminal inversora o no inversora. Para calcular el cambio de voltaje en la salida provocado por el voltaje de offset en la entrada, este siempre se multiplica por la ganancia no inversora, para cualquier configuración, es decir (cuando las dos entradas del amplificador operacional están a tierra), el voltaje de offset en la salida debido a voltajes de offset en la entrada:

2. Input Bias Current (Iib). Es el promedio de las corrientes que circulan entre ambas entradas. Idealmente las dos corrientes de polarización de entrada serían iguales. La corriente de polarización se puede modelar como dos fuentes de corriente, según se observa en la siguiente figura. Los valores de estas fuentes son independientes de la impedancia de la fuente. La corriente de polarización se define como el valor promedio de las dos fuentes de corriente.

I B = Iib =

Iib1 + Iib 2 2

=

I B + + I B− 2

El intervalo de I B comprende desde 1 µA o más para los amplificadores operacionales de propósito general (741); o 1 pA o menos para los amplificadores operacionales con entradas FET. Existen amplificadores operacionales denominados electrómetros, requieren corrientes de polarización de entrada ultrabajas (fA). Los dos transistores en el amplificador diferencial del opamp están polarizados para conducir FAHA_Singapur 2011

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corrientes extremadamente pequeñas hacia el interior pues son transistores NPN. Está corriente es tan pequeña que no tiene efecto en la ganancia en lazo cerrado, pero bajo ciertas circunstancias estas corrientes pueden provocar cambios considerables en el voltaje de salida del amplificador operacional (Este efecto se puede medir de la misma manera que con V io, entradas del opamp a tierra), Voltaje de Offset en la Salida debido a corrientes de polarización I ib. Para calcular el cambio de voltaje en la salida provocado por las corrientes de polarización en la configuración inversora, el voltaje de offset en la salida debido a corrientes de polarización en la entrada:

3. input offset current (Iio). Corriente de offset en la entrada. Es la diferencia entre las dos corrientes de polarización de entrada, cuando el voltaje de salida es cero.

Iio= Iib1 – Iib2 ó Iio= Iib2 – Iib1. I io = I os = I B+ − I B− La I io característica es inferior al 25% de I B para una corriente de polarización promedio de entrada.

Iio=0.25I ib

Esto provoca que el cambio en el voltaje de salida (V os) sea reducido al 10% de su valor debido a las corrientes de polarización, si el cambio de voltaje fuera relacionado con la corriente de offset. 4. Average Input Offset Voltage Drift (∝Vio). Coeficiente térmico del voltaje de compensación, Deriva. Es la razón de los cambios del voltaje offset de entrada con respecto a la temperatura ambiente; ∆µV/ ∆ºC. 5. Input Offset Voltage Adjustment Range . Rango de ajuste para el V io. 6. Average Input Offset Current Drift (∝Vio), Deriva. Tanto la corriente de polarización de entrada como la corriente de desplazamiento en la entrada son independientes de la temperatura. El coeficiente de temperatura de la corriente de polarización de entrada se define como la razón de cambio en la corriente de polarización a cambios en la temperatura. Un valor típico es 10 nA/ºC. El coeficiente de temperatura de la corriente de desplazamiento en la entrada se define como la razón de cambio en la magnitud de la corriente de desplazamiento al cambio en la temperatura. Un valor típico –2 nA/ºC. 7. Input Voltage Range (Vmc). Tolerancia del voltaje de entrada. Es el intervalo del voltaje de entrada de modo común, es decir, se trata del voltaje común para ambas entradas con respecto a tierra. 8. Input Resistance (Ri ó Zi). Resistencia de entrada. Esta es la resistencia vista desde cualquier terminal de entrada hacia adentro, con la otra terminal conectada a tierra. 9.

Capacitancia de entrada . Es la capacitancia entre las terminales de entrada, en pF. FAHA_Singapur 2011

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Parámetros estáticos de salida 1.

Resistencia de salida R o o Zo. Es la resistencia vista desde la terminal de salida hacia adentro del amplificador.

2.

Corriente de salida en cortocircuito Io sc. Es la máxima corriente de salida que puede entregar el amplificador operacional a una carga.

3.

Variación del voltaje de salida

±

Vo máximo (swing ). Este es el voltaje máximo de

salida que el amplificador puede entregar a la carga, sin distorsión o corte. Depende de la fuente de polarización y de la resistencia de carga.

Ejemplo: Analizar cada uno de los parámetros estáticos definidos anteriormente en la hoja de especificaciones eléctricas de diferentes amplificadores operacionales.

Métodos de compensación para el error en el voltaje de salida provocado por los parámetros estáticos en las entradas del amplificador operacional. Los principales parámetros estáticos que provocan cambios en el voltaje de salida del amplificador operacional son: • • • •

Las corrientes de entrada en las terminales inversora ( IB-) y no inversora ( IB+) La corriente de polarización en la entrada, Input Bias Current (IB) El desbalance en la corriente de entrada, Input Offset Current (Iio) El desbalance en el voltaje de entrada, Input Offset Voltage (Vio)

Si el amplificador operacional se va a aplicar en un diseño de un circuito electrónico para instrumentación y control, donde se van a procesar señales analógicas con niveles de voltaje de mV, µV, nV o señales de corrientes en mA, µA, nA; es necesario reducir a cero el error en el voltaje de salida, este procedimiento es lo que se conoce como compensación . Cualquier método de compensación utilizado, va a permitir validar todas las ecuaciones aplicadas en el amplificador operacional ideal en lazo cerrado para el amplificador operacional práctico, es decir, que se comporte de manera lineal.

PROCEDIMIENTOS DE COMPENSACIÓN Y AJUSTES DEL OFFSET Métodos de ajuste del Offset En aplicaciones que requieran de un alto grado de precisión en régimen de corriente directa, el voltaje Offset de entrada del amplificador operacional en uso puede ser una fuente significativa de error, especialmente cuando se opera con etapas de alta ganancia. Para un buen funcionamiento, tal situación exige que el voltaje Offset de entrada se anule. El ajuste a cero se puede efectuar: 1. Mediante técnicas y circuitos que recomienda el fabricante para cada dispositivo en particular 2. Para cualquier dispositivo, aplicando técnicas generales de uso externo.

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Formas de compensación a las variaciones de voltaje en la salida debido a V io La manera más práctica de cancelar las variaciones de voltaje en la salida debido a Vio, es mediante las terminales en el CI y la configuración que el fabricante propone para este fin. En muchos de los casos este ajuste no es suficiente para eliminar a cero las variaciones de voltaje o el amplificador operacional utilizado no cuenta con las terminales para cancelar el Offset ( OFFSET NULL), por lo que la configuración externa que se muestra a continuación se puede utilizar para eliminar los efectos del voltaje de desplazamiento. Se aplica un voltaje variable en la entrada inversora, una elección apropiada de este voltaje puede cancelar el voltaje de desplazamiento en la entrada. De forma similar se ilustra este circuito de balance aplicado a la terminal no inversora.

Formas de compensación a las variaciones de voltaje en la salida debido a I io: Es posible reducir las variaciones de voltaje en la salida provocados por los desbalances en las corrientes de polarización de entrada conectando el amplificador operacional como se muestra a continuación.

Este método consiste en conectar una resistencia en serie con la terminal no inversora. El valor de esta resistencia es igual a la resistencia total equivalente conectada a la terminal inversora (RC es igual a R F en paralelo con R A). Esta resistencia es llamada Resistencia de compensación RC para las corrientes de polarización. La corriente de polarización I B+ fluye a través de esta resistencia, produciendo un voltaje negativo en la entrada no inversora que al ser multiplicado por

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la ganancia no inversora cancela el cambio de voltaje debido a la corriente I B- en la entrada inversora. La variación del voltaje de salida en este caso (entradas del opamp a tierra) será:

Por lo tanto, cuando existe compensación a las variaciones de voltaje provocadas por I io, la variación del voltaje de salida se calcula:

Conectando R C en serie con la terminal no inversora la tensión de salida es cero. Se concluye de este análisis que la resistencia en cd de V+ a tierra debería ser igual a la resistencia en cd de V- a tierra. Esta observación se utiliza a menudo en los diseños. Es importante que tanto la terminal inversora como la no inversora tengan un trayecto de cd hacia tierra para reducir los efectos de la corriente de polarización de entrada. Es necesario agregar siempre una resistencia RC para compensar la corriente de polarización en serie con la terminal de entrada (+); excepto para los opamp con entrada FET. El valor de R C deberá ser igual a la combinación en paralelo de todas las resistencias conectadas a la terminal (-); cualquier resistencia interna en la fuente de señal tiene que incluirse también en los cálculos. La resistencia de CD que se mira desde la entrada no inversora (+) a tierra debe ser igual a la resistencia de CD que se mira desde la entrada inversora (-) a tierra; las fuentes de señal se reemplazan por su resistencia interna de CD y la terminal de salida del amplificador operacional se considera conectada a tierra.

Anulación del efecto del voltaje de desvío y de las corrientes de polarización:   

    

Seleccionar una Resistencia de compensación de corriente de polarización. Seleccionar el circuito de compensación recomendado por el fabricante. Reducir todas las señales de entrada a cero o reemplazar por sus resistencias internas; si esta resistencia es muy pequeña en comparación con cualquier resistencia conectada en serie e los generadores de entrada, no es necesario. Conectar la carga en la salida del amplificador operacional. Encender la fuente de alimentación y esperar unos minutos para estabilización. Conectar un milivoltímetro en la salida. Variar la resistencia de ajuste hasta obtener una lectura de 0 mV en la salida. Asegurar que estos potenciómetros ya no sean desajustados. Encender las fuentes de señales de entrada.

Nota: Este procedimiento de calibración se realiza a una misma temperatura y en una sola vez. La desviación de la corriente y el voltaje de desvío cambian con el tiempo debido al envejecimiento de los componentes. Además, si el voltaje de la fuente de alimentación cambia, las corrientes de polarización lo hacen también, y en consecuencia se altera la desviación de la corriente, se recomienda utilizar una fuente de alimentación bien regulada para evitar esto.

Deriva: La desviación de las corrientes y voltajes de polarización también cambian por modificaciones de temperatura en el amplificador operacional. Los cambios en los desvíos de la corriente y el voltaje debidos a la temperatura se caracterizan con el término deriva (nA/°C o µV/°C). Estos cambios se pueden reducir al mínimo si : a. Si se mantiene constante la temperatura que rodea al circuito. b. Si se seleccionan amplificadores operacionales con valores de corriente y voltaje de desvío que cambien muy poco con las variaciones de la temperatura.

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Eliminación interna del offset para dispositivos en particular En general, las técnicas que proporcionan los fabricantes de semiconductores para anular los efectos de desviaciones de un dispositivo en particular, son normalmente óptimas para cada caso. Desafortunadamente no existen métodos generales de compensación interna, ya que éstos dependen del amplificador operacional en cuestión e incluso de las terminales del dispositivo. Por ejemplo, en los amplificadores de precisión, como es el caso de un amplificador de instrumentación, el amplificador operacional usado debe tener un bajo voltaje offset y un bajo corrimiento térmico a este parámetro. Los dispositivos usados para estas aplicaciones presentan un cambio de características de voltaje offset de 3.3 µV/ºC/mV. Tal es así, que en teoría cuando Vio = 0, el corrimiento obtenido también es cero. Fundamental por esta razón (así como por el bajo Vio), es deseable que el amplificador operacional venga ajustado de fábrica, ya que son dos los errores principales que se disminuyen simultáneamente. Para un buen funcionamiento y una operación consistente, es recomendable no comprometer la razón de bajo corrimiento al voltaje offset de entrada, y en lo posible se debe evitar la nulidad offset de un amplificador de precisión. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con la técnica usada para la compensación ya que de hecho puede aumentar el corrimiento. Sin embargo, donde es necesario anular los últimos 50 µV a 100 µV de offset de un amplificador operacional de precisión, debe usarse uno de los circuitos recomendados por el fabricante (hoja de especificaciones).

Procedimientos generales de compensación En el siguiente circuito se muestra una técnica muy generalizada de compensación del voltaje offset para algún amplificador por medio de un voltaje referido a tierra. Para ello, se conectan a las terminales de compensación las resistencias de valores altos R1 y R2. El voltaje aplicado por medio de R2 provoca el desequilibrio o desbalance de dos corrientes internas, produciendo cambios en el voltaje de offset. Este esquema actúa con un grado de precisión, dependiendo

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mucho de cómo son las especificaciones del amplificador operacional empleado. Circuitalmente y visto desde las terminales de compensación, esto varía mucho entre amplificadores. Para optimizar en cada caso en particular, se recomienda variar los valores de R1 y R2.

Técnica externa universal de compensación Para un amplificador operacional, el método óptimo de ajuste del offset es el método interno proporcionado por el fabricante. Estos métodos resultan de la condición de minimizar el corrimiento del voltaje offset de entrada. El corrimiento aparece cuando el voltaje offset de entrada es cero, pero desafortunadamente los mecanismos que acompañan a estos métodos no son los adecuados para todos los amplificadores operacionales. Bajo estas condiciones se tienen que recurrir a los métodos externos. El siguiente circuito muestra las tres técnicas de compensación: Resistencia de compensación, Offset Null y Potenciómetro externo; esto para poder amplificar una señal de 1 µV.

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MEDICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS 1. Corrientes de entrada (PAPE) Corriente en la entrada inversora (I B-) Nota: Los voltímetros están en escala de milivolt

VF =

IF

I B− = I F − I I

VI = IF =

II

IB-

II =

VF RF VI RI

=

=

17.556mV 100KΩ 1.031mV 10KΩ

= 175.56nA

= 103.1nA

I B− = 175.56nA − 103.1nA I B − = 72.46nA

Corriente en la entrada no inversora (I B+) Nota: Conectar RC=RF//RI, y medir el voltaje en escala de milivolt

I B+ =

IB+

I B+ =

VRC =

VRC RC 512.782µV 9.091KΩ

I B + = 56.4nA

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Con las corrientes de entrada, se pueden calcular las dos corrientes características del amplificador operacional práctico:

•

Corriente de polarización en la entrada ( Input Bias Current , IB) IB =

I B+ + I B− 2

=

56.4nA + 72.46nA 2

I B = 64.43nA

•

Corriente de desbalance en la entrada ( Input Offset Current , Iio) I io = I B− − I B + = 72.46nA − 56.4nA

I io = 16.06nA

También se pueden medir, pero se requieren nanoamperímetros muy precisos, a continuación se muestran las mediciones en el simulador. Observe que las corrientes de entrada en el amplificador operacional son independientes de la configuración utilizada, es decir, no cambian; estas solo pueden variar de un amplificador operacional a otro en términos de fabricantes.

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2. Voltaje de desbalance en la entrada (Input Offset Voltage , Vio) Con un seguidor de voltaje se puede medir el Voltaje de Offset en la entrada, esto debido a que en un seguidor V o=Vi y al no existir R F, a corriente de polarización I B- no tiene efecto, por lo tanto el error en el voltaje de salida (V os) es el Voltaje de Offset en la entrada (V io)

Vos = Vio

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Para compensar el error en el voltaje de salida (V os) provocado por el Voltaje de Offset en al entrada en el seguidor de voltaje, se conecta una fuente del valor de V io medido pero con polaridad contraria, el voltaje de salida es muy cercano a 0 V.

CÁLCULO DEL VOLTAJE DE SALIDA EN FUNCIÓN ÚNICAMENTE DE LOS PARÁMETROS ESTÁTICOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL: 1. Seguidor de voltaje sin R C IB-

Vos = Vio + (I B − )R F Vos = 1.031mV + 72.46nA (33KΩ ) Vos = 3.422mV

La desviación del voltaje de salida (V os) está en función directa de R F, a mayor R F mayor error y viceversa.

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2. Seguidor de Voltaje con RC

Vos = Vio + (I B − )R F − (I B + )R C Vos = 1.031mV + 72.46nA(33KΩ ) − 56.4nA(33KΩ ) Vos = 1.561mV

Si RF=RC: Vos = Vio + I io ( R F ) Vos = 1.031mV + 16.06nA( 33KΩ ) Vos = 1.56mV

3. Inversor/No inversor sin R C

  R  Vos =  1 + F Vio + (I B− )R F   R I     

Vos =  1 +

100K  1.031m + 72.46n(100K ) 10K 

Vos = 18.587mV

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4. Inversor/No inversor con RC, (RC=RF // RI)

  R  Vos =  1 + F  Vio + (I B− )R F − (I B + )R C   R I     

Vos =  1 +

100K    100K  1.031m + 72.46n(100K ) −  1 + (56.4n )(9.09K ) 10K  10 K   

Vos = 12.947mV

Si RC es el paralelo de R F con RI, entonces también es válido:   R  Vos =  1 + F  Vio + I io (R F )   R I     

Vos =  1 +

100K  1.031m + 16.06n(100K ) 10K 

Vos = 12.947mV

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Ejemplos: 1. Utilizando el procedimiento descrito anteriormente, calcular los parámetros estáticos de los amplificadores operacionales LM339 y TL082. Observe las corrientes negativas en las entradas del opamp LM339 y las corrientes de entrada casi nulas del opamp TL082, utilice el diagrama interno proporcionado por el fabricante y explique. 2. Compare los datos calculados con los datos del fabricante:

Característica estática

Min

LM741

Input Offset Voltage (Vio) Input Offset Current (Iio) Input Bias Current (IB)

Tip

Max

1 20 80

5 200 500

Min

LM339

Unidad

Tip

Max

1 2.3 57

2 50 250

Min

Tip

Max

3 0.005 0.02

10 0.01 0.2

mV nA nA

3. Calcular el voltaje de Offset en la salida (V os) para distintas configuraciones. 4. Otros ejercicios: Nota: Agregar a la carpeta con hoja de datos: LM301A, LM308, LF355

Parámetros dinámicos 1.

Ganancia de voltaje en lazo abierto Ao . Es la razón del voltaje de salida al voltaje de entrada del amplificador operacional de lazo abierto, cuando no hay retroalimentación externa.

2.

Ganancia de voltaje para señales grandes . Esta definida como la razón de la variación máxima del voltaje de salida, al cambio del voltaje de entrada necesario para producir en la salida un voltaje que varíe de cero a un valor específico. Por ejemplo ± 10 V.

3.

Rapidez de respuesta o velocidad de cambio Sr ( Slew rate ). Se define como la razón de cambio del voltaje máximo de salida con respecto al tiempo (dVo/dt).

El amplificador operacional práctico: Características en ca Los desvíos de las corrientes de polarización y de voltaje afectan el funcionamiento en CD; por lo general no es necesario tomarlos en cuenta cuando se trata del funcionamiento en ca. Cuando se emplea el amplificador operacional en circuitos que amplifican únicamente señales de caes necesario tomar en consideración: •

•

Si los voltajes de salida son de pequeña señal (menores de 1Vp). Las características importantes del amplificador operacional que limitan el funcionamiento son el ruido y la respuesta en frecuencia . Si los voltajes de salida son de gran señal (mayores a 1Vp), entonces existe una característica denominada velocidad de respuesta límite (distorsión ).

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Respuesta en frecuencia del amplificador operacional Todos los amplificadores operacionales están compensados internamente, de fábrica traen instalado un pequeño capacitor de compensación interna de frecuencia (generalmente de 30 pF). Esto impide que el amplificador operacional oscile en altas frecuencias: existe ganancia y corrimiento de fase suficientes como para que en alguna frecuencia alta la señal de salida pudiera retroalimentarse a la entrada y causar oscilaciones. Las oscilaciones se evitan disminuyendo la ganancia del amplificador conforme aumenta la frecuencia. •

Ganancia de voltaje en lazo abierto en función de la frecuencia: Respuesta a señal pequeña AOL,

A OL =

Vo

dB

Frecuencia de -3 dB -20dB/dec -6 dB/octava

110

Vd

B 0

•

1 MHz

Ancho de banda de ganancia unitaria (B)

Cuando se diseñan amplificadores de señal con opamp y resistencias únicamente, la respuesta en frecuencia va a depender solo del amplificador operacional utilizado.

Para calcular la respuesta en frecuencia del amplificador operacional a partir de la hoja de daos del fabricante, se calcula el parámetro B, que es el ancho de banda de ganancia unitaria para pequeña señal. Existen tres formas para hacerlo: 1. 2.

Gráfica del fabricante de la Ganancia en lazo abierto en función de la frecuencia. Localizar la frecuencia donde A OL=1. Tiempo de subida de respuesta transitoria (ganancia unitaria), Transient Response, Rise Time, Unit Gain, 25°C. Esta característica la proporciona el fabricante en la hoja de datos del amplificador operacional y puede servir para calcular el parámetro B:

B= 3.

0.35 Tiempo de subida

Si se conoce la ganancia en lazo abierto (A OL) del amplificador operacional correspondiente a la frecuencia de la señal (dentro de la región de corte), basta multiplicar los dos valores para obtener B:

B = (A OL , f )(Frecuencia de la señal de entrada, f )

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Electrónica Analógica III •

Unidad I

Tiempo de subida. Se define como el lapso de tiempo requerido para que el voltaje de salida se eleve del 10 al 90 % de su valor final.

•

Ganancia en lazo abierto y Ganancia en lazo cerrado de CD

-

La Ganancia real en lazo cerrado de un amplificador no inversor, está en función de la Ganancia en lazo abierto (Amplificador operacional práctico):

A CL ,real

-

  R F   1 +  R i     =   1   R   1 + F  1 +    A OL   R i 

La Ganancia real en lazo cerrado de un amplificador inversor, Ganancia en lazo abierto (Amplificador operacional práctico) :

− A CL ,real =

está en función de la

RF Ri

  1   R   1 + F    A OL   R i 

1 + 

Consideraciones importantes: a. Las ganancias reales para ambas configuraciones (Inversor y No inversor) tienen aproximadamente la misma magnitud para el mismo valor de ganancia en lazo abierto b. Si la ganancia en lazo abierto (A OL) es muy grande con respecto a la ganancia en lazo cerrado ideal (al menos en 100 veces), esta última es igual a la ganancia ideal en lazo cerrado. Con esto, las resistencias externas de precisión y no la ganancia en lazo abierto del opamp, son las que determinan la ganancia real con un error al 1%. •

Ancho de banda. Definir el método experimental para medir el ancho de banda. BW = f H − f L

La frecuencia de corte para los amplificadores inversores y no inversores se puede calcular con:

f H =

•

B

  R f   1 +  R i    

Producto Ganancia-Ancho de banda, GBW. Si se desea una mayor ganancia en lazo cerrado, es necesario sacrificar el ancho de banda. Considerando que BW ≅fH, el nuevo ancho de banda en el amplificador inversor y no inversor a una ganancia específica se puede calcular como:

BW =

B

  R f   1 +    R i 

B = GBW

Donde G = 1 +

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R f Ri

para cualquier configuración

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Unidad I

Ejemplo: Para el amplificador operacional LM741, calcular: a. b. c. d. e. f. g.

Ancho de banda de ganancia unitaria f H para el amplificador inversor con R F=RI=10KΩ f H para el amplificador no inversor con R F=RI=10KΩ f H para el seguidor de voltaje BW para el amplificador inversor si R F=5RI, RI=10KΩ BW para el amplificador no inversor si R F=5RI, RI=10KΩ Interpretar estos datos en la gráfica de respuesta a la frecuencia en lazo abierto

Ejemplo: Seleccionar otro amplificador operacional de propósito general y repetir los cálculos del ejemplo anterior

Velocidad de respuesta (Slew Rate) y voltaje de salida La velocidad de respuesta de un amplificador operacional indica lo rápido que puede cambiar su voltaje de salida, al velocidad más lenta se presenta cuando la ganancia es unitaria (especificaciones del fabricante)

velocidad de respuesta =

cambio en el voltaje de salida tiempo

=

∆Vo ∆t

=

I

,

V

C µs

I es la corriente máxima que puede suministrar el opamp al capacitor de compensación C es el capacitor de compensación interna A mayor suministro de corriente máxima o un capacitor de compensación más pequeño, le corresponde mayor velocidad de respuesta. A los Amplificadores operacionales que tienen velocidad de respuesta mayor a 100 V/ µs se les conoce como amplificadores operacionales de alta velocidad. Existen amplificadores operacionales cuyas velocidades de respuesta son mayores a 1000 V/ µs utilizados en aplicaciones especiales como los sistemas de video.

Límite de la velocidad de respuesta para ondas senoidales La razón máxima de cambio en el voltaje de entrada senoidal depende tanto de la frecuencia como de la amplitud, definida por 2 πfVp; si esta razón de cambio es mayor que la velocidad de respuesta del amplificador operacional, el V o de salida estará distorsionado, es decir, el voltaje de salida trata de seguir al voltaje de entrada (amplificador seguidor) pero no puede hacerlo debido a su límite de velocidad de respuesta, el resultado es una distorsión (forma triangular en la cresta). L frecuencia máxima para la cual es posible obtener un voltaje de salida sin distorsión se puede calcular con:

f max =

velocidad de respuesta 2π(Vo ,max )

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Unidad I

Ejemplo: •

•

Si se aplica un cambio instantáneo de 5V en la entrada de un amplificador inversor con LM741 de ganancia unitaria, ¿Qué tiempo transcurrirá para que el voltaje de salida cambie a 5V? ¿A qué frecuencia máxima podrá obtenerse un voltaje de salida sin distorsión con u n valor de: (a) 10 V P; (b) 1 V P?

Ruido en el voltaje de salida A las señales eléctricas indeseables que están presentes en el voltaje de salida se les considera como ruido . La deriva y los desvíos del voltaje de polarización pueden considerarse como un ruido de frecuencia muy baja. Si se observa el voltaje de salida de un amplificador operacional con un osciloscopio sensible (1 mV/cm), se podrá observar la presencia aleatoria de voltajes de ruido conocidos como estática. La frecuencia de estos voltajes varían entre 0.01 Hz y los MHz. Cualquier material cuya temperatura sea superior al cero absoluto (-273 °C) genera ruido; también producen ruido todos los dispositivos eléctricos y sus controles, por ejemplo, en el caso de un automóvil, generan ruido las bujías de encendido, el regulador de voltaje, el motor del ventilador, el aire acondicionador de aire y el generador. Aun cuando se enciendan o apaguen los faros, hay un cambio repentino en la corriente que genera ruido; éste es un ruido generado fuera del amplificador operacional. Los efectos de ruido externo se pueden reducir al mínimo mediante técnicas adecuadas de construcción y selección de circuitos. De no haber ruido externo, aún quedaría el ruido en el voltaje de salida causado por el amplificador operacional. En los datos del fabricante del dispositivo, el voltaje de ruido se especifica en µV (rms) correspondiente a diferentes valores de resistencia de la fuente a través de un rango particular de frecuencia. Por ejemplo, el opamp 741 tiene 2 µV de ruido total para frecuencias de 10 Hz a 10 KHz, este voltaje de ruido es válido para una resistencia de fuente (Ri) cuyos valores estén entre 100 Ω y 20 KΩ. El voltaje de ruido aumenta en forma directa con Ri, una vez que Ri excede los 20 K Ω, en consecuencia Ri debe mantenerse por debajo de los 20 K Ω para minimizar el ruido en la salida del amplificador operacional . El voltaje de ruido se amplifica de igual manera que el voltaje de desvío Vio, es decir, la ganancia del voltaje de ruido es la misma que la del amplificador no inversor. En el sumador inversor los voltajes de entrada de la señal tienen una ganancia de 1, sin embargo, la ganancia de ruido será 1 más el número de entradas. Poe ejemplo, un sumador de cuatro entradas tendrá una ganancia de ruido de 5. Por lo tanto, el voltaje de ruido contará con cinco veces la ganancia de cada señal de entrada. En consecuencia, las señales de baja amplitud deben preamplificarse antes de conectarlas a un sumador .

Para reducir los efectos de ruido en el amplificador operacional: •

• •

Nunca conectar un capacitor en paralelo con la resistencia de entrada (Ri) o de la entrada inversora a tierra. Siempre habrá algunos picofaradios (pF) de capacitancia parásita de la entrada inversora a tierra ocasionada por el cableado, por lo tanto: Conectar siempre un capacitor (3 pF) en paralelo con la resistencia de retroalimentación, esto reducirá la ganancia de ruido a altas frecuencias. Evitar el uso de resistencias con valores grandes en R F, Ri cerca de 10 K Ω o menor, utilizar siempre la resistencia de compensación R C.

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Otros parámetros 1.

Consumo de corriente. Es la corriente que el amplificador operacional tomará de la(s) fuente(s) de alimentación o polarización.

2.

Razón de rechazo de modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio) . Es la medida de la capacidad que tiene el amplificador operacional para rechazar señales que están simultáneamente presentes en ambas entradas. Se define como la razón de la ganancia de voltaje diferencial (Ad), a la ganancia de voltaje de modo común (Ac). Generalmente expresada en decibeles (dB) y se da por:

CMRR = 20 log 3.

Ad Ac

Separación de canal (amplificadores de audio) . En general, hay más de un amplificador operacional en una sola pastilla (chip). En este caso se podría presentar diafonía o cruce de información, lo que significa que al aplicar una señal a uno de los amplificadores del múltiple amplificador operacional, en la salida de otro aparecerá una señal finita. No importa que en la entrada de este último amplificador operacional no haya señal aplicada. En otras palabras, esto se refiere a la interacción de la información o señal en otro amplificador de la misma pastilla.

Especificaciones del amplificador operacional Una buena forma de entender las características de un amplificador operacional, es analizar las hojas de especificaciones que el fabricante proporcione. Estas se presentan en los manuales de circuitos integrados lineales.

Tolerancias máximas Las tolerancias máximas dadas en las hojas de especificaciones son los valores máximos que el amplificador operacional puede soportar con seguridad, sin llegar a la posible destrucción del dispositivo. 1.

Voltaje de alimentación +V cc / -Vcc. Este es el voltaje máximo positivo y negativo que puede usarse para alimentar o polarizar el amplificador operacional.

2.

Potencia interna de disipación P d. Esta es la potencia máxima que el amplificador operacional es capaz de disipar, bajo condiciones de temperatura ambiente.

3.

Voltaje diferencial de entrada V d. Este es el voltaje máximo que puede aplicarse a través de las entradas (+) y (-).

4.

Voltaje de entrada. Este es el voltaje máximo de entrada que puede aplicarse simultáneamente entre ambas entradas y tierra. También se refiere al voltaje de modo común. En general, este voltaje máximo es igual al voltaje de la fuente de alimentación.

5.

Temperatura de operación Ta. Esta es la tolerancia de la temperatura ambiente en la que operaría el amplificador conforme a las especificaciones del fabricante. Lamentablemente,

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Unidad I

se observa que los amplificadores con fines militares tienen una tolerancia de temperatura mayor que los de uso industrial y comercial. 6.

Temperatura de almacenamiento . Es la tolerancia de la temperatura ambiental sólo de almacenamiento. Comparada con la temperatura de operación, siempre van a llegar a límites más extremos. Por ejemplo, de –65ºC a 150ºC.

7.

Duración del cortocircuito a la salida . Este es el tiempo que la salida puede estar en cortocircuito. En este caso se entiende por cortocircuito a la conexión directa de la salida a tierra, o la conexión de la salida a cualquiera de las fuentes de alimentación.

8.

Temperatura en terminales . Se refiere a la temperatura de soldadura, que en general es de 300ºC. Para algunos amplificadores se específica el tiempo máximo de soldadura, que por lo general es de 10 segundos.

Características eléctricas Por lo general las características eléctricas se especifican para algunas condiciones, por ejemplo: voltaje de la fuente de alimentación, temperatura ambiente, una resistencia de carga en particular, voltaje de salida, resistencia del generador o de la etapa anterior, etc. Normalmente, cada parámetro tendrá un valor mínimo, característico y/o un máximo.

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1.3. El OPAMP práctico y compensación

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