Amplificador operacional 741 Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O., op-amp u OPAM), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tie ne dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−) Originalmente los amplificadores operacionales se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas, de ahí su nombre. Sin embargo, sus aplicaciones en la actualidad son múltiples y variadas: generadores de ondas, filtros dinámicos, amplificadores de señal, comparadores de voltaje, temporizadores, etc. Las características de un amplificador operacional son:
ALTA impedancia de entrada.
BAJA impedancia de salida.
GRAN ganancia de tensión entre los c ircuitos de entrada y salida (tiende a infinito).
AMPLIFICA LINEALMENTE (sin distorsión) señales de corriente continua y alterna. El Amplificador operacional 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 e ntrada son cero. El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:
Los terminales son: 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. r espectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad. A la entrada V+ se la conoce como entrada no inversora (non-inverting input), input), contacto 3 del circuito integrado dibujado más arriba. A la entrada V- se la conoce como entrada inversora (inverting input),
contacto 2 del circuito integrado dibujado más arriba. VOUT es el terminal de salida (output), contacto 6 del circuito integrado.
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 se r 100.000 V. 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 e n comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será 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 aparece una realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta c onfiguración 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 re alimentación 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 e ntrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las per turbaciones 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 co n 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.
Saturación Un A.O. típico no puede suministrar más de la te nsión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores.
Tensión de offset Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada c uando la tensión de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se o btiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer pre cisión. El offset puede variar dependiendo de la temperatura (T) del operacional como sigue:
Donde T0 es una temperatura de referencia. Un parámetro importante, a la hor a de calcular las contribuciones a la tensión de offset en la entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al m odo común). Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relación de rechazo a la fuente de alimentación). La PS RR es la variación del voltaje de offset respecto a la variación de los voltajes de alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:
Corrientes Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar:
Idealmente ambas deberían ser cero. Característica tensión-frecuencia
Al A.O. típico también se le conoce c omo 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 e s del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios (Hz). 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 frecue ncias superiores, en estos amplificadores prima mantener las características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor v alor de ganancia u otro aspecto técnico.
Capacidades El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la 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.
Configuraciones Comparador
a) Como comparador: Compara dos señales eléctricas. Si V+ >V- , entonces a la salida hay una señal (igual a la tensión de alimentación, +Ecc ) y si V+ < V- entonces es igual a -Ecc . Si V+= V , entonces a la la salida es cero.
Inversor
La ganancia A del amplificador se halla conectando el amplificador del siguiente mo do
En este caso, la tensión de salida tendrá el signo distinto a la tensión de entr ada y su valor viene dado por la expresión.
A es la ganancia del amplificador
No inversor
La ganancia A del amplificador se halla conectando el amplificador del siguiente mo do En este caso, la tensión de salida tendrá signo idéntico a la tensión de entrada y su valor viene dado por
la expresión
Integrador ideal
Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)
Como su nombre indica, los amplificadores operacionales, se encar gan de amplificar las señales eléctricas que tienen a la entrada. A diferencia de los transistores tienen una ganancia muy alta (200000 a 10000000). Pero la tensión de salida, aunque amplifica la de e ntrada con esta ganancia, nunca supera a la tensión de alimentación. Los amplificadores operacionales se emplean en circuitos de control de temperatura, luminosidad, humedad, detectores de incendios, receptores de radio y televisión, etc... El famoso circuito integrado 741 es un am plificador operacional alojado en una cápsula de tipo DIP8, de 8 pines.
Estructura interna del 741 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 cortocir cuitos.
Rangos Absolutos Máximos (TA = 25°C)
Características Eléctricas (VCC = 15V, VEE = - 15V. TA = 25 °C)
Dimensiones Mecánicas
Circuitos elaborados con el Amplificador Operacional 741
Indicador de temperatura
Controlador de temperatura
