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8/8/2019 Introducci=n Al Amplificador Operacional -Documento Revisado
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Universidad de Costa RicaEscuela de Ingeniera Elctrica
Electrnica II
IE-0413
EL AMPLIFICADOR OPERACIONALCONCEPTOS BSICOS
Elaborado por: Ing. Peter B. Zeledn Mndez
Revisado por: Ing.Victor H. Chacn Prendas
II Semestre, 06
1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL1.1. Historia del amplificador operacionalEl trmino de amplificador operacional (operational amplifier o OA o op-amp) fue asignado
alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de
operaciones tales como suma, resta, multiplicacin, integracin, diferenciacin, etc. importantes dentro de
la computacin analgica de esa poca.
La aparicin y desarrollo de la tecnologa integrada permiti fabricar sobre un nico substrato monoltico
de silicio gran cantidad de dispositivos, lo cual dio lugar al surgimiento de amplificadores operacionales
integrados que desembocaron en una revolucin dentro de las aplicaciones analgicas.
Un amplificador operacional (A.O.) es un circuito electrnico (normalmente se presenta como circuitointegrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada
por un factor (Ad) (ganancia): Vout = Ad(V+ V)
El primer OP AMP, e UA-709 fue desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild en los ao de 1960s, En
1968 se introdujo el famoso OA 741 que desbanc a sus rivales de la poca con una tcnica de
compensacin interna muy relevante y basado en tecnologa bipolar, de inters incluso en nuestros das.
Los amplificadores basados en tecnologa CMOS han surgido como parte de circuitos VLSI de mayor
complejidad, aunque sus caractersticas elctricas no pueden competir con los de la tecnologa bipolar. Su
campo de aplicacin es ms restrictivo pero su estructura sencilla y su relativa baja rea de ocupacin les
hacen idneos en aplicaciones donde no se necesitan altas prestaciones como son los circuitos de
capacidades conmutadas (switched-capacitor). Combinando las ventajas de los dispositivos CMOS ybipolares, la tecnologa Bi-CMOS permite el diseo de excelentes OAs.
Los OAs integrados estn constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que dependen de
sus prestaciones y de la habilidad del diseador a la hora de combinarlas.
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1.2. Estructura del Amplificador OperacionalTradicionalmente, un OP AMP est formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en
cascada:
Amplificador diferencial de entrada, Etapa amplificadora, Adaptador y desplazamiento de nivel Etapa de salida.
Figura N1 Diagramas de bloques funcional de la configuracin de un OA
Estos bloques estn polarizados con fuentes de corrientes, circuitos estabilizadores, adaptadores y
desplazadores de nivel.
La etapa diferencial presenta las siguientes caractersticas: tiene dos (2) entradas, una inversora y otra no
inversora. Su relacin de rechazo en modo comn (CMRR) es muy alto, las seales van directamente
acopladas a las entradas y presentan una derivada de tensin de salida muy pequea.
El amplificador intermedio proporciona la ganancia de tensin suplementaria. Suele ser un EC con carga
activa y est acoplada al amplificador diferencial a travs de un seguidor de emisor de muy alta
impedancia de entrada para minimizar su efecto de carga.
El adaptador permite acoplar la etapa intermedia con la etapa de salida que generalmente es una clase AB.
Figura N2 Esquema de OA 741
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La figura anterior describe el esquema de OA 741. Este OA mantiene la filosofa del diseo de circuitos
integrados: gran nmero de transistores, pocas resistencias y un condensador para compensacin interna.
Esta filosofa es el resultado de la economa de fabricacin de dispositivos integrados donde se combina
rea de silicio, sencillez de fabricacin y calidad de los componentes.
El 741 requiere dos tensiones de alimentacin que normalmente son de 15V. La masa del circuito es elnudo comn a las dos fuentes de alimentacin. La figura describe la versin simplificada con los
elementos circuitales ms importantes. En este circuito se observa la etapa diferencial constituida por los
transistores Q1 y Q2, la etapa amplificadora intermedia por Q16, Q17 y Q23, y la etapa de salida (push-
pull)por Q14 y Q20. El OA es un amplificador de extraordinaria ganancia. Por ejemplo, el A741 tiene
una ganancia de 200.000 y el OP-77 (Precision Monolithics) de 12.000.000.
1.3. El Amplificador Diferencial1.3.1.Definicin del amplificador diferencial
El amplificador diferencial es un circuito verstil que constituye parte fundamentad de la mayora de
los amplificadores operacionales. Existen diferentes tipos amplificadores diferenciales basados endispositivos bipolares y FET. Para su anlisis se abordan tcnicas de polarizacin y anlisis de pequea
seal introduciendo los conceptos en modo diferencial y modo comn que permiten conocer su
comportamiento.
1.3.2.Anlisis del funcionamiento del amplificadores diferencialesEl amplificador operacional debe amplificar la diferencia entre dos (2) seales de entrada, pero
no debe amplificar cuando las dos seales sean iguales (comunes).
A continuacin se muestra la estructura bsica de este amplificador. Uno de sus aspectos ms importantes
es su simetra que le confiere unas caractersticas muy especiales de anlisis y diseo. Por ello, los
transistores Q1 y Q2 deben ser idnticos, aspecto que nicamente se logra cuando el circuito estfabricado en un chip o circuito integrado. De realizar este amplificador con componentes discretos
pierde sus principales propiedades al romperse esa simetra.
Figura N3 Modelo equivalente de un Amplificador Operacional
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.
1.4. Modelo equivalente de un Amplificador OperacionalUn amplificador operacional se puede modelar como un amplificador diferencial, en el cual la
salida es proporcional al producto de la diferencia entre las seales de entrada por una ganancia.
Las caractersticas de los amplificadores operacionales son el poseer una alta ganancia (en elorden de 10
5a 10
6), una alta resistencia de entrada (en el orden de 10
6a 10
12 ), una bajaresistencia de salida (en el orden de 10
0a 10
1 ) y un alta razn de rechazo en modo comn(inmunidad al ruido).
Figura N3 Modelo equivalente de un amplificador operacional
1.4.1.1.Amplificador Operacional de Transconductancia (OTA)
Si bien en un amplificador operacional, la tensin de salida es proporcional a la tensin de
entrada, en un amplificador operacional de transconductancia, es la corriente de salida la que esproporcional a la tensin de entrada: ( ) ddout VsAI = . Esto se consigue con una alta impedanciade salida, a diferencia del amplificador operacional (OA) que presenta una baja impedancia a la
salida. Esto implica que el OTA trabajar con bajas corrientes de salida.
1.4.2.Efecto de las capacitancias parsitas y de unin en el comportamiento en frecuenciaEl amplificador operacional real presenta capacitancias parsitas y de unin que afectan sucomportamiento (ganancia) en frecuencia. Para analizar el OP AMP y su respuesta en frecuencia
se debe realizar algunas modificaciones al modelo equivalente visto hasta el momento, para lo
cual se tiene el siguiente modelo equivalente:
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Figura N4 Modelo equivalente de un amplificador operacional para la respuesta en frecuencia
Se procede entonces a desarrollar una expresin de la ganancia de voltaje para una etapaamplificadora a una frecuencia cualquiera. La ganancia diferencial del amplificador operacional
se puede expresar como:
d
outd
V
VsA =)()1( , Ganancia diferencial de tipo espectral (funcin de la frecuencia)
Analizando la figura N1 se tiene que: dvol
out
out VA
sCR
sCV +
=1
1
)2(
Entonces si sustituimos la ecuacin (2) en (1) se obtiene que:
vol
out
dvol
out
d
d
dvol
out
d A
sCR
sAA
sCR
sCsA
V
VA
sCR
sCsA
+
=
+
=
+
=1
1)(
1
1
)(
1
1
)()3(
De la expresin anterior se puede observar que la ganancia diferencial no es constante en todo el
espectro de frecuencias sino que esta en funcin de la frecuencia de operacin. Para analizar los
efectos de las capacitancias del amplificador operacional en la ganancia y la fase de la seal desalida respecto a la seal de entrada procede a obtener la expresin para Ad pero para el Espectro
de Fourier: ( ) volout
d ACRj
A +
=1
1)(4
De donde se tiene que: ( )( )
vol
out
d A
CR
A +
=1
1)(5
2
y ( ) ( ) )()(6out
dCR
arctAArg
=
Y puesto que f 2)5( = , tambin se puede expresar (4) como:
( )( ) volout
d ACRfj
fA +
=12
1)(7
Graficando la magnitud para la expresin (7) se tiene:
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Figura N5 Ganancia diferencial de un amplificador operacional para la respuesta en frecuencia
De lo anterior se observa que el comportamiento en frecuencia del amplificador operacional no
se ve afectado por la impedancia de entrada del mismo por lo que el modelo equivalente delamplificador operacional para su respuesta en frecuencia se puede expresar como:
Figura N6 Modelo equivalente simplificado de un amplificador operacional para la respuesta en frecuencia
1.4.3.Caracterstica Ganancia-Ancho de BandaAl OP AMP tpico tambin se le conoce como amplificador realimentado en tensin (VFA). En
l hay una importante limitacin respecto a la frecuencia:
- El producto de la ganancia en tensin por el ancho de banda es constante.
Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta
configuracin slo tendra un ancho de banda de unos pocos hertz. Al realimentar negativamentese baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable.
Existen modelos de diferentes de amplificadores operacionales para trabajar en frecuencias
superiores, en estos amplificadores prima mantener las caractersticas a frecuencias ms altas queel resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto tcnico.
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1.4.4.Modelo ideal del Amplificador OperacionalEl modelo ideal del AMP OP est defino por las siguientes caractersticas:
1. Ganancia diferencial infinita para todo el rango de frecuencias.2. Ganancia en modo comn nula (inmunidad al ruido).
3. Ancho de banda infinito.4. Impedancia de entrada infinita, por lo que las corrientes de entrada son cero: + i=- i=05. Impedancia de salida nula, o sea que iOUT es independiente VOUT6. Capacitancias parsitas y de unin nulas.
Figura N7 Modelo equivalente de un Amplificador Operacional
1.5. Smbolo de un Amplificador OperacionalA continuacin se muestra el smbolo de un OP AMP:
Figura N8 Smbolo de los amplificadores operacionales
Aunque no se indica explcitamente, los OA son alimentados con tensiones simtricas de valorVcc
(Vcc
y Vee); recientemente han sido puestos en el mercado OA de polarizacin simple (single supply). Lasentradas, identificadas por signos positivos y negativos, son denominadas entradas no invertidas e
invertidas respectivamente. Si denominamos V+y V- a las tensiones aplicadas a la entrada de un OA, sedefine la tensin de entrada en modo diferencial (Vd) y modo comn (Vc).
Actualmente se construyen amplificadores de tipo monopolar, o sea que son alimentados por slo una
fuente de alimentacin.
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1.6. Comportamiento en lazo abiertoUn OP AMP se dice que trabaja en lazo abierto si no existe ningn tipo de lazo de realimentacin.
En este caso en valor de la salida ser la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor, alcual denominamos ganancia diferencial (Ad). Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se
considerar infinito en clculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las
dos tensiones es de 1mV la salida debera ser 100V. Debido a la limitacin fsica que supone nose puede entregar ms tensin de la que hay en la fuente de alimentacin, la salida del OP AMP
estar en un estado saturado si se da este caso.
Figura N9 Curva de relacin voltaje diferencial vs. voltaje de salida en un amplificador operacional
1.6.1.SaturacinUn OP AMP (tpico) no puede suministrar un nivel de tensin o potencial en la salida mayor al
que poseen las fuentes de alimentacin de las cuales toma la energa. Normalmente el voltaje
mximo de salida esta definido como el voltaje de alimentacin menos uno a dos voltios. Cuandose da a la salida este valor se dice que el OP AMP se satura, pues ya no est amplificando, y que
deja de tener un comportamiento lineal.
Figura N10 Ejemplo de seal de salida no saturada y satura de un circuito a base de OP AMP
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La saturacin puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores (respuesta de tipo
binaria si o no).
1.7.
Comportamiento en lazo cerradoCuando un sistema es realimentado en forma negativa o degenerativa se dice que trabaja enlazo cerrado. A continuacin analizaremos las ventajas de la realimentacin degenerativa, para lo cual
observemos el siguiente diagrama de bloques funcional:
Figura N11 Diagrama de bloques de un sistema retroalimentado
Bajo este esquema se observa la importancia del amplificador operacional y su comportamiento
en lazo cerrado, ya que permite tomar las caractersticas propias del amplificador operacional yaprovecharlas para disear bloques funcionales con un comportamiento en lo referente a su la
funcin de transferencia entrada/salidaque es independiente de las caractersticas del elementoamplificador.
Con l se consigue disear circuitos electrnicos muy precisos y estables aun cuando se utilice
tecnologa semiconductora que en s es imprecisa e inestable.
Este anlisis demuestra que cuando el amplificador diferencial tiene una ganancia diferencial
muy grande, la funcin de transferencia entrada/salida del circuito se hace independiente de ella
y solo depende de las caractersticas de los circuitos pasivos y .
Sobre este anlisis es importante hacer las siguientes consideraciones:
1. El circuito realimentado se puede interpretar como un mecanismo que ajustadinmicamente la salida, al valor necesario para que la seal error e(t) se haga cero. A
esta situacin se llama cero virtual, esto es un cero en tensin que se consigue no atravs de una condicin topolgica de circuito (cortocircuito) sino por ajuste dinmico.
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2. El requisito para operar en este modo, es que la ganancia diferencial Ad tienda a infinito,y en a prctica esto equivale a que la ganancia de bucle Ad sea mucho mayor que la
unidad:1 >> dA
3. En el anlisis se ha supuesto que el circuito es estable, y la salida tiende en rgimen
estacionario a un valor finito estable. Para ello, la realimentacin debe ser noregenerativa, y en el caso de que, por actuar un amplificador operacional la ganancia debucle sea infinita, si la realimentacin tiene que ser negativa.
Analicemos el siguiente circuito:
Figura N12 Circuito a base de OP AMP con retroalimentacin negativa
Suponiendo que el amplificador es ideal ( )0, = outind RyRA , se procede acalcular la relacin entrada salida, entonces:
Figura N13 Circuito a base de OP AMP con retroalimentacin negativa aplicando el modelo ideal
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Sea lain
out
V
VRES;)1( , entonces se tienen las siguientes ecuaciones:
+ = VVVd)2( , donde inVV =+)3( y outVRR
RV
12
1)4(+
=
ddout VAV =)5(
Entonces sustituyendo (3) y (4) en (2) se tiene outind VRR
RVV
12
1)6(+
=
Ahora bien sustituyendo (6) en (5) y despejando para Vout se tiene que:
ind
doutind
doutoutindout V
RR
RA
AVVA
RR
RAVV
RR
RVAV
+
+
==
+
+
+=
12
112
1
12
1
1
1)7(
Ahora bien haciendo dA se tiene que:
inin
d
d
din
d
d
d
out V
RR
RV
RR
R
A
AAV
RR
RA
AALimV
+
+
=
+
+
=
+
+
=
12
2
12
2
12
12 0
1
1
1
1
)8(
Entonces se tiene que: inout VR
RRV
+=
1
12 o
+= 1:
1
2
R
R
V
VRES
in
out
Se puede observar que la ganancia del circuito no depende del amplificador operacional sino de
los elementos pasivos que lo rodean, como resultado se obtiene un valor de ganancia finita, se
amplia el rango de operacin lineal y se mejora la estabilidad del circuito.
1.8. Corto circuito virtualPara estudiar el concepto de cortocircuito virtual (CCV), se proceder a analizar el siguiente
circuito retroalimentado degenerativamente (retroalimentacin negativa):
Figura N14 Ejemplo para demostrar el fenmeno de: Corto Circuito Virtual
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Se desea encontrar la expresin para la impedancia de vista desde el terminal negativo delamplificador operacional
1
)1(i
VZth
=
Entonces se tienen las siguientes ecuaciones:
++ === VVentoncesVperoVVV dd ,0,)2(
321)3( iii += (Nodo A)
( )out
d
out
ddoutdd
RR
VAVi
RR
VAViRRiVAV
+
+=
+
=++=
22
2222)4( (Malla A)
inin
d
R
Vi
R
Vi =
= 33)5(
Sustituyendo (4) y (5) en la expresin (3) se tiene que:inout
d
R
V
RR
VAVi +
+
+=
21)6(
Entonces:
( )( ) ( )
( )( ) ( )outdin
out
outdin
out
inout
dth
RRAR
RR
RRAR
RR
V
V
R
V
RR
VAV
VZ
+++
+=
+++
+=
++
+=
2
2
2
2
2
11)7(
Si aplicamos el modelo ideal a la ecuacin obtenida en (7) se tiene que:
( )( ) ( )
( )
( )( )
( )( )d
out
in
outd
out
in
in
outdin
outinth
A
RR
R
RRA
RR
R
R
RRAR
RRR
Rin
LimZ
++=
+++
+=+++
+= 1
11
)8( 2
2
2
2
2
( )( )
( ) ( )( )
( ) 0010
0
11
1
1)8( 2
222 =+=+
+=
+
+=
+
+=
outout
d
out
dd
out
d
th RRRR
A
RR
AA
RR
A
LimZ
Se obtiene que la impedancia vista en el terminal negativa Zth al aplicar el Modelo Ideal alcircuito Retroalimetado Negativamente es cero (0) ohms (Corto Circuito Virtual).
Aunque en la realidad se trata de una muy alta impedancia de entrada el efecto combinado de laretroalimentacin negativa en conjunto con la aplicacin de las caractersticas del modelo ideal
para un OP AMP, produce que se tenga cero en tensin entre los terminales V+ y V- y que se
hable de CCV:
+ =VVCCV :
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1.9. Topologas bsicas
Figura N15 Topologas bsicas
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Clculo de la impedancia de entrada y la impedancia de salida
Para el clculo de la impedancia de entrada o de la impedancia de salida, se procede a calcular la
impedancia de Thevenin vista por la fuente de entrada o vista por el terminal de salida del OP AMP
respectivamente.
Figura N16 Impedancia de entrada e impedancia de salida para un circuito amplificador no inversor
El anlisis se debe realizar sustituyendo el circuito equivalente del amplificador operacional y
procediendo a obtener la impedancia de Thevenin equivalente (recuerde que las fuentesindependientes se deben anular y las fuentes dependientes se mantienen).
En ocasiones y para efectos prcticos se puede obtener el clculo aproximado a travs del
modelo ideal (en caso de que exista retroalimentacin negativa se puede aplicar CCV).
1.10. Modelo ideal vs. modelo realPara muchas de las aplicaciones de baja frecuencia e instrumentacin, los amplificadoresoperacionales que actualmente se fabrican tienen un comportamiento muy cercano al ideal. Sin
embargo, cuando se les aplica a situaciones de mayor precisin o requisitos ms restrictivos se
necesita considerar modelos mas detallados de su comportamiento. En cualquier caso, esnecesario conocer las caractersticas especficas del amplificador operacional que se utiliza para
comprobar si comportamiento ideal es vlido y estimar si puede ser utilizado en la aplicacin que
se est desarrollando o debe ser sustituido por otro.
La forma habitual de analizar un circuito que se basa en un amplificador operacional, es
considerar inicialmente el circuito con un comportamiento ideal, y luego, partiendo de este
estudio, analizar las limitaciones que sobre el mismo introducen las diferentes caractersticasreales especficas del amplificador. El resultado de este anlisis es, bien la validacin del
amplificador operacional a utilizar o la propuesta de su sustitucin por otro tipo de amplificador
operacional con caractersticas ms adecuadas.
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El anlisis de los fenmenos que diferencian el comportamiento de los amplificadores
operacionales reales del comportamiento ideal debe de valorar las caractersticas del circuito deen lo referente a su impedancia de entrada y su impedancia de salida, los parmetros de
transferencia, la generacin de ruido y los efectos trmicos y en algunas aplicaciones la potencia
en aquellos casos en que esta sea un factor relevante.
Para esto el diseador deber basarse en los parmetros que los fabricantes utilizan para describir
ese comportamiento especfico del dispositivo a utilizar.
1.11.Especificaciones tcnicas de fabricante1.11.1. Definiciones bsicasDecibelio (Decibel): Unidad de medida logartmica de la relacin de dos niveles de potencia.
=
in
out
P
PdB log10
Si se tomaR
VP
2
= entonces se tiene que:
=
in
out
V
VdB log20
Ganancia (Gain): El factor por el cual una seal es amplificada, normalmente expresada endecibelios (dB).
Ganancia en un circuito a lazo abierto VOLD AA , (Open Loop Gain): La ganancia del
amplificador sin retroalimentacin. Tambin se le denomina como ganancia de voltaje de seal
grande (Large Signal Voltage Gain).
Razn de rechazo en modo comn (CMRR, Commo Mode Rejection Ratio): Capacidad deun circuito para rechazar la interferencia de tensin o voltaje de modo comn que se produce ensus terminales de entrada con respecto a tierra. El valor de CMRR se expresa normalmente en
decibelios (dB) para una determinada frecuencia.
=
CM
D
A
ACMRR log20
Ruido (Noise): Disturbio indeseado impuesto a una seal que tiende a modificar a la misma
y a su contenido de informacin, son ejemplos de fuentes de ruido externos las lneas dealimentacin de potencia, motores, generadores, equipos trasmisores, el calor, etc. Y de ruido
interno las resistencias, condensadores, semiconductores, etc.
Relacin seal a ruido (SNR, Signal Noise Ratio): El valor de SNR se expresa normalmenteen decibelios (dB) y nos refleja la calidad de la seal.
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=
CM
D
A
ASNR log20
Razn de rechazo de fuente de alimentacin (PSRR): Se define como la razn de cambioen el voltaje de salida respecto a un cambio en el voltaje de la fuente de alimentacin. NOTA:
Recordemos que aunque se trabaja con fuentes de tipo regulada ests no son constantes (poseen
un rizado o variacin en su valor de salida) sino que tienen un margen de error.
=
CC
IO
V
VPSRR log20
Interferencia cruzada (Crosstalk): Seal indeseada que se produce en un canal o entradadebido a la seal ingresada a otro canal de dicho sistema.
Voltaje de desplazamiento de entrada IOSV (Input Offset Voltage): Es un voltaje no deseado
a la entrada del amplificador operacional voltaje da como resultado la aparicin de un voltaje de
salida cuando ambas entradas estn conectadas a cero voltios. Este voltaje se generainternamente en el amplificador operacional debido a la falta de igualacin de los voltajes base
emisor de los transistores de entrada. El voltaje de desplazamiento es por lo general de pocos
milivoltios.
Corriente de polarizacin de entrada BIASI (Input Bias Current): Es la corriente necesaria
para impulsar la etapa de entrada del amplificador operacional, entindase como la corriente de
base que se debe suministrar al transistor interno de entrada del amplificador operacional.
Corriente de desplazamiento de entrada ( Input Offset Current): Es la diferencia en lacorriente de polarizacin requerida por los transistores de entrada del amplificador operacional.Su causa en la igualacin imperfecta de las betas () de los transistores de entrada.
+ = BIASBIASIOS III .
Corriente de alimentacin (Supply Current): La corriente de operacin que toma elamplificador operacional de las fuentes de alimentacin.
Corriente de salida (Output Current): La corriente de salida que puede suministrar(source) o drenar (sink) el amplificador operacional.
Consumo de potencia (Power Consumption): Es la potencia de operacin disipada por elamplificador operacional.
Resistencia de entrada ( Input Resistance): Es la resistencia del amplificador operacional auna seal de entrada. Por lo general de tipo diferencial, entre los dos terminales de entrada INR .
Capacitancia de entrada (Input Capacite):
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Resistencia de salida (Output Resistance): Es la resistencia de salida del amplificadoroperacional OUTR .
Razn de crecimiento o rapidez de respuesta (Slew Rate): Se define como la razn de la
velocidad de respuesta del voltaje de salida respecto a un cambio tipo escaln en el voltaje deentrada.
Figura N17 Respuesta de un amplificador en configuracin de seguidor de voltaje ante una entrada de tipo escaln
Frecuencia mxima de seal: Se define como la frecuencia mxima a la cual se puedetransmitir una seal senoidal a travs de un amplificador operacional sin que sufra distorsin en
la salida.
Sean los siguientes voltajes de entrada y salida:
donde el cambio del voltaje de salida a travs del tiempo est dado por:
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1.11.2. Informacin contenida en las hojas de fabricanteA continuacin se describe la estructura bsica de la informacin que generalmente se indican en
las hojas de fabricante:
1.11.2.1. Nombre del dispositivo (Name)
El nombre del dispositivo o circuito integrado se divide en varias siglas, las cuales se explican a
continuacin: XX-XXX-X
Primeras dos (2) siglas: Corresponde a las iniciales o marca que define el fabricante:LM: National SemiconductorTI: Texas Instrument
MC: Motorola
AD: Analog DevicesBB: Burr BrownMxx: Maxxim
uA: Fairchild
Siglas del medio: Las siguientes siglas, por lo general de tres (3) a cuatro (4) indican qu es o aque familia pertenece, es por lo general una designacin propia del fabricante
ltima sigla Clase a Tipo: A, B, C, E. Este define caractersticas como velocidad y tecnologa.
Ejemplo: LM741E
1.11.2.2. Descripcin general (General Description)
En este se indican aspectos tales como costo, nmero de amplificadores en el circuito integrado,
tipo de tecnologa, versiones de otros fabricantes con las cuales es compatible, si es de tipomonopolar (una sola fuente de alimentacin) o bipolar (dos fuentes de alimentacin), si es de alta
velocidad de respuesta, si es de alto valor de impedancia de entrada, si es de bajo consumo de
energa o de bajo nivel de ruido, si es para uso de instrumentacin, si posee un alto desempeo(high performance), aplicaciones en las cuales puede ser utilizado. Adems se indica si es de
propsito genera (general purpose, -25C a 85C) o si es para uso militar o aeroespacial
(militar, -55C a 125C).
1.11.2.3. Caractersticas generales (Features)
En este punto el fabricante realiza un resumen de las principales caractersticas que describen al
dispositivo, por ejemplo:
- Ganancia-Ancho de Banda (Wide gain bandwitch)
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- Razn de crecimiento (Slew Rate)- Impedancia de entrada (Input impedance)- Distorsin armnica (Harmoic distortion)
1.11.2.4. Diagrama interno esquemtico (Schematic Diagram)
Topologa equivalente diseada a base de transistores, por ejemplo:
Figura N18 Diagrama esquemtico del LF353
1.11.2.5. Diagrama de conexin (Connection Diagram):
Segn el tipo de encapsulado monoltico (la palabra monoltico es proveniente de la combinacinde las palabras griegas monos que significa solo y lithos que significa piedra, lo cual se
puede traducir a estructura nica)
Figura N19 Paquete tipo envase metalico (Metal Can Package )
Figura N20 Paquete tipo DIP/S.O.: D, J, JG, FH, FK, U, o P
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1.11.2.6. Rangos mximo absolutos (Absolute Maximum Ratings)
Los valores mximos absolutos proporcionan informacin sobre cuales son los voltajes mximos
de alimentacin, con que tanta potencia es capaz de operar el dispositivo, el mximo valor devoltaje de entrada, el mximo valor de voltaje diferencial. Estos estn dados a una temperatura
de operacin de al aire libre, Tambiente = 25C (a menos que se indique lo contrario).
A continuacin se citan algunos de estos:
- Potencia de disipacin (Power Dissipation)- Voltaje de alimentacin (Supply Voltage)- Voltaje de entrada (Input Voltage )- Voltaje diferencial de entrada (Differential Input Voltage)- Duracin de corto circuito a la salida (Output Short Circuit Duration)- Efecto de descarga esttica (ESD: Effect Static Descharge Tolerance)- Rangos de temperatura de operacin (Operation Temperature Range)- Temperatura de mxima de juntura -temperatura interna del dispositivo- (Tj max)
- Resistencia trmica (Thermal Resistance)- Rango de temperatura de almacenamiento (Storage Temperature Range)- Temperatura de la soldadura de plomo (Lead Temperature)- Informacin respecto a los tiempos y temperaturas para soldar el dispositivo (Soldering
Information)
1.11.2.7. Caractersticas elctricas corriente continua (DC Electrical Characteristics)
Las caractersticas elctricas a corriente continua (donde la corriente siempre tiene el mismosentido o sea NO se alterna-) incluyen los parmetros que para el fabricante considera son de
mayor utilidad para el usuario. Es comn que se describan en forma de una tabla donde se
indique el smbolo (Symbol), el nombre del parmetro (Parameter), las condiciones a lascuales se dan (Conditions), los valores mnimo (MIN), tpico (TYP) y mximo (MAX),
en algunos se da el valor lmite de prueba (Tested Limit) y el valor mximo de diseo
(Design Limit) y las unidades (Units). Estos valores se dan a menos que se indique lo
contrario a una temperatura ambiente Tambiente=25C y a los valores de las fuentes dealimentacin indicadas. A continuacin se presenta una tabla con las caractersticas elctricas en
corriente continua ms comunes:
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Tabla N1 Caractersticas en corriente continua ms comunes
1.11.2.8. Caractersticas elctricas corriente alterna (AC Electrical Characteristics)
Las caractersticas elctricas a corriente alterna (donde la corriente NO siempre tiene el mismo
sentido o sea SI se alterna-) incluyen los parmetros que para el fabricante considera son de
mayor utilidad para el usuario. Al igual que las caractersticas de corriente continua es comnque se describan en forma de una tabla donde se indique el smbolo (Symbol), el nombre del
parmetro (Parameter), las condiciones a las cuales se dan (Conditions), los valores mnimo
(MIN), tpico (TYP) y mximo (MAX), en algunos se da el valor lmite de prueba(Tested Limit) y el valor mximo de diseo (Design Limit) y las unidades (Units). Estos
valores se dan a menos que se indique lo contrario a una temperatura ambiente Tambiente=25C
y a los valores de las fuentes de alimentacin indicadas. A continuacin se presenta una tabla con
las caractersticas elctricas en corriente alterna ms comunes:
Tabla N2 Caractersticas en corriente alterna ms comunes
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1.11.2.9. Curvas caractersticas
El fabricante aporta una serie de curvas de las cuales tambin es posible obtener los valores antes
descritos en condiciones diferentes o a las mostradas o relacionadas con otra variable, entre las
curvas mas importantes estn:
Respuesta en frecuencia a lazo abierto
(Open Loop Frecuency Response):
Grafica de bode ganancia vs frecuencia
(Bode Plot: Gain vs Frecuency):
Variacin del voltaje de salida sin distorsin
vs frecuencia (Undistortion Output Voltage
Swing):
Lmite de corriente positiva o de mxima
corriente posible que puede suministrar(Positive Current Limit):
Lmite de corriente negativa o de mxima
corriente posible que puede drenar(Negative Current Limit):
Corriente de polarizacin (Input BiasCurrent):
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Razn de rechazo en modo comn vsfrecuencia (CMRR vs Frecuency)
Razn de rechazo de fuente de alimentacin
vs frecuencia (PSRR vs Frecuency)
Respuesta al impulso (Pulse Response)
1.11.2.10. Aplicaciones
Algunos fabricantes integran en las especificaciones tcnicas algunas topologas de aplicacionesdesarrolladas en las cuales el dispositivo forma parte.
1.12. Uso de la herramienta de simulacin ORCAD (ver documento en Cursos IE-Virtual de laEscuela de Ingeniera Elctrica, Curso de Electrnica II)
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Bibliografa:
Zeledn Mndez, Peter: Apuntes de clase del curso IE-0413 Electrnica II impartido por el
Ing. Geovanny Delgado MSc. y Ing. Victor H. Chacn Prendas MSc., Facultad de Ingeniera,
Universidad de Costa Rica, San Jos, Costa Rica 1997.
M. Faulkenberry, Luces M. Introduccin a los Amplificadores Operacionales, Primera
Edicin, Editorial LIMUSA S.A. Mxico D.F., Mxico, 1990
Chicala, Carlos Adquisicin de Datos Primera Edicin. Editorial Soluciones en Control S.R.L.
Buenos Aires, Argentina, 2004
Jung. Walter G. HandBook: OP AMP APPLICATIONS, desarrollado por ADI CentralAplications Departament Analog Devices Inc. United States of America, 2002
Fuentes electrnicas
http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional
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1.13.Ejemplos desarrollados clase(Apuntes propios del estudiante de los ejercicios desarrollados en clase)