UNIDAD I FUNDAMENTOS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

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1 UNIDAD I FUNDAMENTOS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 1. Introducción al Amplificador Operacional El término amplificador operacional, o OPAMP en forma abreviada, fue acuñado por John R. Ragazzini en 1947, para denotar un tipo especial de amplificador que, con la selección adecuada de sus componentes externos, podía configurarse para diversas operaciones tales como la de amplificar, sumar, restar, derivar e integrar. Las primeras aplicaciones de los OPAMPS tuvieron lugar en las computadoras analógicas, más en específico en la resolución de ecuaciones diferenciales y algunas otras operaciones matemáticas que en su momento fueran muy complejas para ser calculadas por una persona. En un inicio los OPAMPS fueron construidos con tubos de vacío, por lo tanto, eran voluminosos, grandes consumidores de energía y caros. El primer gran avance que tuvieron estos dispositivos fue con la creación del transistor bipolar de unión (BJT, por sus siglas en inglés), sin embargo el verdadero cambio se logró con la construcción del primer amplificador operacional de circuito integrado, cuyos elementos se fabricaron en forma monolítica a partir de un chip de silicio del tamaño de una cabeza de alfiler. Este primer dispositivo fue creado en las instalaciones de Fairchild Semiconductor Corporation, al inicio de la década de En el año de 1968 Fairchild introdujo al mercado el OPAMP µa741 que se convirtió en un estándar en la industria. Desde ese momento, el número de familias y fabricantes de OPAMPS fue creciendo de manera considerable. Aunque, hasta nuestros días el OPAMP 741 sigue siendo uno de los modelos más populares para las aplicaciones en electrónica analógica así como para la enseñanza de estos dispositivos tanto en teoría como en prácticas de laboratorio. %2Fstamp.jsp%3Ftp%3D%26arnumber%3D315199&denyReason=- 134&arnumber=315199&productsMatched=null&userType=mem Finalmente en el 2013, STMicroelectronics ha presentado una nueva generación de amplificadores operacionales miniaturizados que aporta estabilidad a largo plazo y mínimo consumo para facilitar

2 su incorporación en equipos alimentados por batería o energía solar. La serie TSX56 se beneficia de un proceso avanzado de fabricación CMOS 16V que ayuda a aumentar la precisión y simplificar el diseño de sensores en numerosas aplicaciones, desde electrónica de automoción a edificios inteligentes y controles industriales. Los amplificadores TSX561 (single), TSX562 (dual) y TSX564 (quad) se caracterizan por protección ante descarga electrostática (ESD) de hasta 4KV, tensión offset de entrada de hasta 600 µv, corriente de polarización de entrada de 1 pa y corriente en reposo de 240 µa (a 5 V), y temperatura operativa de 40 a +125 C. Estos modelos para acondicionar señales de sensor se encuentran disponibles en encapsulados SOT23-5 (TSX561), DFN8 de 2 x 2 mm y MiniSO-8 (TSX562) y QFN16 de 3 x 3 mm y TSSOP14 (TSX564) y operan sobre un rango de tensión de alimentación de 3 a 16 V, posibilitando su uso con una gran variedad de tensiones estándares, como 3, 5, 12 o ±5 V Aspectos Generales del Amplificador Operacional Símbolo del circuito y terminales eléctricas de un OPAMP El amplificador operacional se ha estado utilizando durante muchos años y, es aún un excelente dispositivo para aplicaciones de electrónica analógica y analógica-digital, ya que no resulta caro, es resistente y se consigue fácilmente. El símbolo del amplificador operacional que se muestra en la figura 1.1 es un triángulo que apunta hacia la dirección del flujo de señal. El número de identificación de parte (NIP) designa al amplificador operacional con características específicas. El amplificador operacional también puede codificarse en un esquema o diagrama de circuito con un número de referencia, por ejemplo U7, IC 14, etc. Después el número de identificación de parte se pone dentro de la lista de partes del esquema del circuito. Todos los amplificadores operacionales poseen por lo menos cinco terminales: (a) la terminal de la fuente de poder positiva, V CC o V S+, en la terminal 7; (b) la terminal de la fuente de alimentación negativa, V EE o V S en la terminal 4; (c) la terminal de salida 6; (d) la terminal de la entrada inversora (-) en la terminal 2, y (e) la terminal de la entrada no inversora (+) en la terminal 3. Algunos amplificadores operacionales de propósito general cuentan con más terminales especializadas (ver figura 1.2).. Figura Símbolo eléctrico de un OPAMP de propósito general.

3 Figura Terminales de un OPAMP de uso general y su distribución. Aplicaciones de los OPAMPS El OPAMP es el dispositivo más básico para aplicaciones analógicas, puede realizar operaciones fundamentales tales como: amplificación, aislamiento, inversión de señal, desplazamiento de señal, suma o resta. Algunas aplicaciones que son más complejas que también se pueden realizar con los OPAMPS son: 1. Acondicionamiento de señales (instrumentación). 2. Procesos de monitoreo y control. 3. Filtros. 4. Generadores de señales. 5. Osciladores. 6. Conversión analógica-digital. 7. Control de servo sistemas. 8. Procesamiento de señales. 9. Comunicaciones. 10. Medicina. Características de un OPAMP ideal A pesar de que las características del OPAMP serán evaluadas cuantitativamente, en este momento se pueden enlistar las características ideales del OPAMP. 1. Impedancia de entrada infinita. 2. Impedancia de salida cero. 3. Ganancia de tensión en modo diferencial infinita. 4. Ganancia de tensión en modo común cero. 5. Corriente de entrada nula. 6. Ancho de banda infinito. 7. Ausencia de desviación en sus características con respecto a la temperatura. 8. No introduce ruido.

4 Circuitos internos simplificados en un amplificador operacional para propósito general Los amplificadores operacionales para propósito general son sistemas de etapas múltiples. Como se puede observar en la figura 1.3, un OPAMP básico consiste en una etapa de entrada que tiene dos terminales; una etapa de salida que cuenta con una terminal de salida; y una etapa intermedia, mediante la que se conecta la señal de salida de la entrada con la terminal de entrada de la etapa de salida. Una fuente bipolar de CD se conecta a las terminales de alimentación del amplificador operacional y, por lo tanto, a cada una de sus etapas internas. Dependiendo de la aplicación de que se trate, las señales de entrada V + y V -, son positivas, negativas o cero. El voltaje de salida obtenido se mide por medio de la resistencia de carga R L, la cual se conecta entre la terminal de salida del amplificador operacional y la tierra. El voltaje de salida, V O, depende de las señales de entrada y de las características del amplificador operacional. Figura Diagrama interno simplificado de un OPAMP de propósito general. Etapa de entrada: amplificador diferencial La etapa de entrada del amplificador operacional de la figura 1.4 se conoce como amplificador diferencial. El amplificador diferencial, está construido por transistores bipolares y proporciona una alta ganancia a señales diferentes o diferenciales y baja ganancia con señales aplicadas simultáneamente a ambas entradas o señales en modo común. Una señal en modo común se produce cuando una señal se aplica a ambas entradas lo que produce que dichas entradas tengan la misma fase y amplitud. La etapa de entrada es la parte más importante de un OPAMP porque en esta se establece la impedancia de entrada y se minimiza la respuesta en modo común y los voltajes de desajuste. El funcionamiento de la etapa de entrada se explica de la siguiente forma: en la figura 1.4 muestra un amplificador diferencial el cual ésta compuesta de dos transistores BJT (Q1 y Q2), dos resistencias R1 y R2, dos fuentes de alimentación V + y V -. Se observa que los transistores están unidos por el emisor. En la unión de los emisores se forma un nodo donde se observa que entra la corriente I3 y las corrientes I2 e I1 salen del nodo, por lo tanto se cumple la ecuación 1.1 I3 = I1 + I2 (1.1)

5 Dónde: I3 es una corriente constante debido a la fuente CCS I1 es la corriente de colector a emisor del transistor Q1 I2 es la corriente de colector a emisor del transistor Q2 V + Polarización CD Polarización CD I1 I2 CCS I3 V - Figura Diagrama simplificado de un amplificador diferencial con transistores BJT. Es claro que la corriente de colector a emisor para cada transistor no es exactamente la misma entre los transistores, aunque si podemos considerar que las corrientes de base que se requieren para polarizar a los transistores es despreciable y no aporta información para el análisis; por lo tanto se puede asumir que I1= IC1= IE1 e I2= IC2= IE2. También, es importante mencionar que en los circuitos reales no siempre son iguales estas condiciones. Para el análisis si se considera que al circular la corriente I2 se produce una caída de voltaje en R2 y en el transistor Q2 (VCE2). El voltaje VCE2 depende de la activación del transistor Q2, la cual está determinada por la señal aplicada en la entrada inversora (-IN). Lo mismo sucedería para Q1 pero ahora con la entrada no inversora (+IN). Si el voltaje que se aplica a las entradas +IN e IN son iguales las corrientes I1 e I2 son iguales. En este caso, los valores de V2 y VCE2 que son aproximadamente iguales y sucede lo mismo con V1 y VCE1. Por la tanto, el voltaje de salida del amplificador diferencial V O se define de tal forma que las aportaciones de V - y V + son iguales y esto produce que el valor de V O es aproximadamente igual a cero ya que las resistencias R1 y R2 no son exactamente iguales.

6 A continuación, si se considera la operación de la entrada inversora, -IN, la cual está conectada a la base del transistor del transistor Q2. Es importante recordar que la entrada inversora produce una señal de salida con un desfasamiento de 180 grados con respecto a la señal de entrada. Si la señal que se aplica a IN es positiva y en +IN es cero, el transistor Q2 se activa. El efecto es un incremento en la corriente I2 porque la resistencia de Q2 disminuye. Lo anterior produce que el voltaje V2 sea mayor que el voltaje en VCE2. El resultado de lo anterior es que la contribución de V - a V O es mayor, por lo tanto V O será negativo. En resumen, la base de Q2 es por lo tanto la entrada inversora porque un voltaje de entrada positivo produce un voltaje de salida negativo. Ahora, si la señal de entrada es negativa en lugar de positiva, la situación cambia en este caso la corriente I2 disminuye debido a que Q2 se desactiva. Por lo tanto, VCE2 aumenta y V2 disminuye, por lo tanto la salida se ve influenciada por el efecto de V + y el V O será positivo. Por lo tanto un voltaje negativo en esta entrada produce un voltaje de salida positivo. Estudio de la configuración de entrada del OPAMP (amplificador diferencial) El amplificador diferencial es un circuito que constituye la parte fundamental de muchos circuitos amplificadores, comparadores y es la clave de la familia lógica ECL (del inglés Emmiter-Coupled Logic). Una de sus características más importantes es su simetría que le confiere unas características muy especiales de análisis y diseño. Un amplificador diferencial es un circuito pensado en amplificar la diferencia de dos señales. En un amplificador diferencial se pueden identificar dos entradas una inversora (-) y otra no inversora (+) y una salida; todas ellas referenciadas a tierra. Etapa intermedia: ganancia La señal de voltaje VO a la salida del amplificador diferencial se acopla directamente a la entrada de la etapa intermedia del desplazador de nivel. En esta etapa se llevan a cabo dos funciones. La primera consiste en desplazar el nivel del voltaje de la salida, CD, del amplificador diferencial hasta el valor necesario para polarizar la etapa de salida. La segunda permite que pase la señal de entrada Vi casi sin modificación y convertirse en la señal de entrada V2 de la etapa de salda. Etapa de salida: en contraste El voltaje de salida V2 de la 1 etapa intermedia se acopla directamente a la etapa de salida. La etapa de salida que más comúnmente se utiliza es la de la configuración del transistor pnp-npn en contrafase. Usar un circuito de contrafase como etapa final permite que el amplificador operacional

7 tenga una resistencia de salida muy baja. Como se muestra en la figura 1.2, la resistencia de carga RL se conecta entre la terminal de salida y la tierra para obtener el voltaje de salida VO. Este modelo simplificado del amplificador operacional nos muestra la información básica sobre su arquitectura interna. El circuito real es más complicado, si bien las funciones son similares.