Tema 4-ampli operc

Tema 4: Amplificador Operacional

Adoración Hermoso Fernández

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AAMMPPLLIIFFIICCAADDOORR OOPPEERRAACCIIOONNAALL 4.1. FUNDAMENTOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Se puede definir un amplificador operacional (AO), como un componente con una gran ganancia, cuyo circuito básico o de partida es un par diferencial. En cuanto a su modo de operación, está determinado por el lazo de realimentación (positiva, negativa), el tipo de elemento/os contenidos en el mismo, así como su disposición en dicho lazo. Consiguiéndose de esta forma, que el mismo A.O sea capaz de realizar distintas operaciones. Los inicios del amplificador operacional, están en torno al año 1940 y fueron en aplicaciones de cálculo matemático (calculadoras). Ejemplo de aplicaciones que puede realizar este dispositivo son: la derivación, integración, funciones trigonométricas, suma, resta, etc. Debido a estas aplicaciones se le denominó y se le sigue denominando amplificador operacional. Posteriormente apareció la tecnología integrada, que permitía sobre un sustrato de silicio fabricar una gran cantidad de componentes, esto dio lugar a que se pudiese integrar en un circuito integrado un A.O. El primer amplificador operacional integrado fue desarrollado por Fairchild en 1968; estoy refiriéndome al famoso 741, muy utilizado hoy en día. En la actualidad, su campo de aplicaciones es muy amplio. Utilizándose en muchos sistemas de control, por su elevada precisión y como amplificadores de baja frecuencia, convertidores A/D, D/A, etc.

Los A.O son dispositivos lineales, o lo que es lo mismo, dan una respuesta continua a lo largo del tiempo, no tienen una respuesta digital. Su configuración se corresponde con una red activa o suministradora de potencia. Necesitando para suministrar esa potencia, de una fuente de corriente continua que habrá que proporcionarle previamente. Básicamente y desde el punto de vista de sus terminales, se puede decir que es una red bipuerta, encargada de proporcionarnos a la salida la señal amplificada, que se le ha introducido en la entrada.

Red Bipuerta

II

IV

IO

OV

Figura 1: Red bipuerta

Hasta ahora se ha hablado del amplificador que utiliza tecnología bipolar (transistores BJT). Los que utilizan tecnología CMOS fueron desarrollados posteriormente, como consecuencia de la aparición de la tecnología VLSI. También existen los amplificadores basados en tecnologías BICMOS, que presentan las ventajas de los BJT (altas prestaciones eléctricas) y de los CMOS (densidad de integración).



2

4.1.1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL BÁSICO

V2

1VVO

dV

Entrada inversora

Entrada no inversora

Figura 2

La siguiente figura 2 representa el símbolo básico de un AO, donde se pueden distinguir los siguientes terminales:

V1: se corresponde con la entrada no inversora, de ahí viene su asignación del signo +. En la salida VO aparecerá la señal introducida en V1 con su amplificación correspondiente.

V2: la entrada inversora como su nombre indica, va a producir que la señal que se le introduzca, aparezca a la salida VO además de amplificada, desfasada o invertida 180 º, equivalente a decir, que se ha sufrido un cambio de signo en la salida respecto a la entrada.

Vo: es como ya hemos visto tensión de la salida respecto a masa. Vd: tensión diferencial de entrada, o diferencia entre las tensiones aplicadas entre la

entrada inversora y la no inversora del amplificador.

Idealmente, este componente sólo responde a la diferencia de tensión existente entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común (masa). Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa de salida, mientras que la misma señal aplicada a la entrada no inversora (+) produce la misma señal en la salida, pero con signo positivo. El que solo deba responder a la diferencia de tensiones en sus terminales de entrada, se debe a que la etapa de entrada la constituye un amplificador diferencia o par diferencial, circuito base del amplificador operacional. El par diferencial (fig. 3) como vimos en el tema 2 (Familias lógicas), es etapa clave de la lógica ECL y posee una simetría que le confiere unas características muy especiales en cuanto a análisis y diseño. Debido a esto, los transistores (Q1, Q2) deben ser totalmente simétricos, aspecto que no se consigue totalmente a la hora de integrarlos en un circuito integrado. Dando lugar a que haya que tener en cuenta no solo la ganancia diferencial (∆d), sino también la ganancia en modo común (∆c) que debería ser cero.



3

VCC+

C2RRC1 IC2C1I

_ CCV

OV

IE1 E2I

O2VVO1

I1V VI2

IE

1T T2

Figura 3: Amplificador diferencial

21

21

CC RRTT=

=

generador de corriente constante. :EI

21, II VV : entradas.

: salidas respecto a masa. 0201, VV

Si a las dos entradas se le aplican dos señales de polaridades opuestas al modo de operación, se le conoce como de doble entrada o modo diferencial.

0201 VVV −=

vVVvVV

I

I

∆=∆=··

202

101

Av : ganancia en tensión.



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La salida es proporcional a la diferencia de las señales de entrada multiplicada por la ganancia.

( )AvVVVVV II 2102010 −=−= De esta ecuación podemos extraer las siguientes conclusiones:

00021 =⇒=⇒= dII AVVV : Ganancia en modo diferencial nula.

21 II VV ≠ : Existencia de ganancia en tensión diferencial (Ad) y amplificación de la diferencia entre las señales de entrada (amplificación diferencial).

( ) dII AVVVVV 2102010 −=−=

Aunque la etapa de partida es el amplificador diferencial, un amplificador operacional se puede dividir en tres bloques o etapas fundamentales.

Etapade

entrada separadoraEtapa Etapa

desalida

2V

V1

OV+

_

Figura 4

Entrada: constituida básicamente por un amplificador diferencial. Posee por

tanto, una alta ganancia diferencial y una pequeña ganancia en modo común. Etapa intermedia: es un amplificador que proporciona una ganancia adicional. No

olvidemos, la alta ganancia que posee el A.O. Salida: esta etapa es otro bloque amplificador, que le da la característica al A.O.

de poseer una baja impedancia de salida.



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4.1.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL Como su nombre indica, viendo este dispositivo desde un punto de vista ideal, las características del amplificador operacional son las siguientes:

Resistencia de entrada infinita (RI = ∞). Resistencia de salida nula (RO = 0). Ancho de banda infinito (∆f = ∞ ). Ganancia de tensión en lazo abierto infinita (∆V = ∞). Ganancia en modo común nula (∆C = 0). Ganancia en modo diferencial constante (∆d = K). Ausencia de desviación en las características con la temperatura.

A partir de estas características se puede deducir que:

Si la resistencia de entrada es infinita, no existe flujo de corriente en ninguno de los dos terminales de entrada. Por tanto, Vd = 0 (tensión diferencial nula ).

∞===∆0O

d

OV

VVV . También se puede decir que si la tensión de entrada diferencial (Vd)

es nula, cualquier señal de salida (VO) que se obtenga, será el resultado de una señal de entrada infinitamente pequeña.

La figura 5 se corresponde con el A.O. ideal. En cuanto a la resistencia de salida (RO) al

ser nula, se ha representado mediante un hilo conductor continuo. Mientras que la resistencia de entrada (RI) con un valor infinito, su forma de representación es equivalente a los dos terminales de entrada abiertos.

V2

1V

VO

dV vAVdORRI

Figura 5 El modelo de A.O. ideal solo es, como su nombre indica, un concepto idealizado del A.O. real. Siendo esta analogía muy práctica, al acercarse con una gran exactitud al comportamiento real de estos circuitos.



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4.1.3. AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Las características anteriores no se pueden alcanzar en la realidad, pero los valores reales se aproximan bastante a los ideales. Así:

Ganancia de tensión en lazo abierto muy alta: 103 a 106. Gran ancho de banda, desde la amplificación en corriente continua hasta varios

cientos de MHz. Resistencia de entrada muy elevada, superior a 1 MΩ. Resistencia de salida muy baja, del orden de unos pocos óhmios. Ganancia en modo común distinta de cero, pero tiende a ser nula.

4.2. PARÁMETROS INTERNOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Los parámetros internos, representan las características particulares de cada amplificador, en función de su estructura interna. Como consecuencia de los valores que posean estos parámetros, se va a permitir la comparación entre distintos A.O. y como objetivo final, se va a saber cual es el que mejor se ha adapta a nuestros requisitos de diseño. 4.2.1. TENSIÓN DIFERENCIAL (Vd) Es la diferencia de tensión existente entre el terminal de entrada no inversor (V1) y el inversor (V2).

( )1.21 EcuacVVVd −= 4.2.2. TENSIÓN EN MODO COMÚN (VC) Así se denomina a la media aritmética de las dos tensiones de entrada.

( )2.2

21 EcuacVV

Vc+

=

En este caso, las señales se aplican por igual a ambas entradas.



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4.2.3. RELACIÓN ENTRE LA TENSIÓN DIFERENCIAL Y LA TENSIÓN EN MODO COMÚN En un AO ideal la salida es proporcional a la tensión diferencial, siendo ésta nula cuando el valor de ambas entradas es igual.

021 =⇒= dVVV

De la fórmula correspondiente a la definición de la tensión en modo común se tiene que:

( )3.2 21 EcuacVVVc +=

Si sumamos a esta fórmula la correspondiente a la tensión diferencial.

1

21

21

22

2

VVVVVVVVV

dc

d

c

=+−=+=

Si despejamos la tensión en la entrada no inversora (V1).

dc VVV21

1 +=

Si restamos a la ecuación 3 la ecuación 1.

2

21

21

22

2

VVVVVVVVV

dc

d

c

=−+−=−+=

Quedando que la entrada inversora vendría determinada por:

dc VVV21

2 −=



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Como hay que considerar que existen dos terminales de entrada (inversor y no inversor),

da lugar a que existan dos ganancias.

∆1: ganancia desde la entrada no inversora hasta la salida. ∆2: ganancia desde la entrada inversora hasta la salida.

En la práctica se comprueba que la salida no depende solo de la tensión diferencial, sino

que depende también de la tensión en modo común. Por tanto, la tensión de salida será vendrá determinada de la siguiente forma.

2211 ·· VVVo ∆+∆=

Sustituyendo los valores de V1 y V2 se tiene:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−∆+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+∆=

2·

2· 21

dc

dco

VV

VVV

2··

2· 2211

dc

dco

VV

VVV ∆−∆+∆+∆=

Agrupando términos.

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆−∆+∆+∆=

221

21 dco VVV

Si la tensión en modo común (Vc) se considera nula, la ganancia diferencial vendrá determinada.

221 ∆−∆

==∆d

od V

V

La ganancia en modo común, se obtendrá teniendo en cuenta que la tensión diferencial (Vd) es nula.

21 ∆+∆==∆d

oc V

V



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La calidad de un amplificador operacional está en función de que la:

Ganancia diferencial sea muy grande. Ganancia en modo común sea muy pequeña.

Por lo tanto, deberá rechazar las señales aplicadas en modo común a las dos entradas y realizar una gran amplificación sobre la diferencia de tensiones aplicadas en éstas. El parámetro que define la calidad de un AO se denomina: rechazo en modo común (δ o CMRR) y viene definido como:

c

dCMRR∆∆

=

Obviamente, cuanto mayor sea el parámetro que define la relación de rechazo en modo común, mayor será la calidad del amplificador. 4.3. TENSIÓN OFFSET O DE ESTADO DE BLOQUEO

La tensión offset, es la tensión continua que aparece en la salida cuando la diferencia de tensión entre los terminales inversor y no inversor es cero (Vd = 0). Esto se debe a que los transistores internos del A.O. no son exactamente iguales y se produce una señal diferencial interior, que amplificada aparecerá en la salida. Este valor de tensión es erróneo y no debe aparecer en la salida. En aplicaciones donde se requiere un alto grado de precisión, la tensión offset de entrada produce un error bastante significativo, sobre todo si se trabaja con etapas de alta ganancia. Por consiguiente, esta tensión offset es necesario anularla, la anulación del offset se puede hacer de dos formas:

Interna: lo proporciona el fabricante mediante unos terminales específicos en el chip del AO.

Externa: mediante un circuito universal de ajuste del offset, cuya salida es aplicada a la entrada no inversora o a la inversora.

4.4. OTROS PARÁMETROS IMPORTANTES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Los cinco terminales básicos de un amplificador operacional se corresponden con los de alimentación, entrada y salida.

2 de alimentación general: +V: alimentación positiva respecto a masa. - V: alimentación negativa respecto a masa.



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2 terminales de entrada: V1: entrada no inversora. V2: entrada inversora.

1 terminal de salida (Vo): dependiendo de la configuración y señal introducida en

la entrada/as, puede ser tanto positiva como negativa respecto a masa.

V2

1VVO

+V

-V

2I

I1

IO

Figura 6

4.4.1. TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN

Es la tensión máxima que puede aplicarse al A.O. Existen dos tipos de alimentación:

Simple: su valor es un rango de tensiones referida a masa. Aplicada generalmente en el terminal +V y donde el terminal -V se conecta a masa. Por ejemplo de 3 a 30V.

Doble: en este caso, tanto el terminal +V como el -V tienen asignado un rango de valores de tensión. Por ejemplo de ±1,5V a ±15V.

Hay que decir cuando el A.O. se satura, lo hace a la tensión de alimentación. Existiendo

una saturación positiva y una negativa, al existir alimentación positiva y negativa. 4.4.2. DISIPACIÓN DE POTENCIA (PD)

Es la potencia que puede disipar el amplificador para un rango de temperaturas específico. Varía según el tipo de encapsulado utilizado. Los encapsulados cerámicos son los que disipan más potencia, seguidos de los de metal y los de plástico.



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4.4.3. RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO (TOR)

Rango para el cual se asegura el funcionamiento óptimo del AO. Dependiendo de las aplicaciones donde se va a utilizar y que va a traer como consecuencia, unas condiciones ambientales más o menos críticas.

0 ºC a 70 ºC: comerciales. -25 ºC a 85 ºC: aplicaciones industriales. -55º C a 125 ºC: aplicaciones militares.

4.4.4. TENSIÓN DE ENTRADA DIFERENCIAL MÁXIMA (Vid,máx)

Valor máximo de tensión que puede aplicarse con seguridad entre el terminal inversor (V2) y no inversor (V1), sin que exista un flujo excesivo de corriente, que pueda perjudicar a los transistores de entrada internos del amplificador. 4.4.5. TENSIÓN DE ENTRADA EN MODO COMÚN MÁXIMA (Vic,máx)

Valor máximo que se puede aplicar entre los dos terminales de entrada (V1, V2) y masa. Por tanto:

max,21

2 ICVVVp

+

Muy importante a tener en cuenta, que tanto en modo común como en modo diferencial, nunca debe superarse la tensión de alimentación, ya que podría dañarse el circuito. 4.4.6. DURACIÓN DE CORTOCIRCUITO A LA SALIDA

Tiempo máximo que el amplificador es capaz de soportar un cortocircuito directo desde:

la salida a masa. la salida a un terminal de alimentación (+V y -V).

Puede darse también el caso de que el tiempo sea indefinido. 4.4.7. TENSIÓN OFFSET DE ENTRADA (VIO)

Tensión que debe aplicarse entre los terminales de entrada, a través de dos resistencias de igual valor para obtener tensión de salida cero. Su valor está en unos pocos milivóltios.



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4.4.8. CORRIENTE DE POLARIZACIÓN (Iib)

Promedio de las dos corrientes de entrada (I1, I2). En estado de equilibrio, las dos corrientes de entrada son casi iguales. Debido a que los transistores FET tienen menor consumo que los BJT, los amplificadores con transistores de entrada de efecto de campo tendrán una corriente de polarización menor que los que tengan transistores de entrada de unión bipolar.

4.4.9. CORRIENTE OFFSET DE ENTRADA (Iio)

Diferencia entre las corrientes de los dos terminales de entrada (inversor, no inversor) cuando la salida es cero. En los amplificadores de propósito general es aproximadamente el 10% de la corriente de polarización, pero puede ser menor este porcentaje en operacionales de propósito específico (instrumentación, alta velocidad, etc).

4.4.10. RESISTENCIA DE ENTRADA (rin)

Resistencia vista desde un terminal de entrada, estando el otro terminal conectado a masa. 4.4.11. CAPACIDAD DE ENTRADA (Cin)

Representa la capacidad de entrada, vista desde un terminal de entrada con la otra entrada conectada a masa. Para altas frecuencias, la impedancia de entrada comienza a limitarse debido al efecto paralelo de la reactancia capacitativa. 4.4.12. RANGO DE TENSIÓN DE ENTRADA EN MODO COMÚN (Vicr)

Llamado también solo “rango de tensión de entrada”. Corresponde al rango de tensiones en modo común, que garantiza el fabricante para un óptimo funcionamiento del AO. 4.4.13. VARIACIÓN DE LA TENSIÓN DE SALIDA (Vop)

Máxima tensión de pico positiva o negativa, que puede ser obtenida a la salida sin recorte de la onda, cuando la tensión continua de salida es cero. Esto implica una variación de salida simétrica, aunque no es cierto que se dé en todos los casos. La variación de salida puede limitarse debido a:

Efectos de carga. Tensiones de alimentación. Efectos de frecuencia. Resistencia de fuente del amplificador.



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Generalmente, el valor de esta tensión es de unos pocos voltios por debajo de la tensión de alimentación utilizada. Por ejemplo, el amplificador 741 tiene:

AAlliimmeennttaacciióónn VVaarriiaacc..TTííppiiccaa VVaarriiaacc.. MMíínn.. RReessiiss.. CCaarrggaa ± 15 V ± 14 V ± 12 V 10 K ± 15 V ± 13 V ± 10 V 2 K

4.4.14. RESISTENCIA DE SALIDA (ro)

Valor visto desde el terminal de salida con la salida anulada. Este valor se reduce si existe realimentación. En este último caso, la reducción es proporcional a la ganancia del bucle de realimentación. 4.4.15. RESISTENCIA DE SALIDA (Avo)

Ganancia del amplificador cuando no existe realimentación entre la salida y alguna de las entradas. Su valor se suele dar en decibélios (dB).

4.4.16. FRECUENCIA DE TRANSICIÓN (Ft)

A esta frecuencia, la ganancia en bucle abierto del amplificador estando compensado, se reduce a la unidad.

4.4.17. CONSUMO DE POTENCIA (Pc)

Potencia en continua, requerida para operar el amplificador con la salida a cero y sin corriente de carga.

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