4.1. FUNDAMENTOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

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1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL 4.. FUNDAMENTOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Se puee efinir un amplifiaor operaional (AO), omo un omponente on una gran ganania, uyo iruito básio o e partia es un par iferenial. En uanto a su moo e operaión, está eterminao por el lazo e realimentaión (positiva, negativa), el tipo e elemento/os ontenios en el mismo, así omo su isposiión en iho lazo. Consiguiénose e esta forma, que el mismo A.O sea apaz e realizar istintas operaiones. Los iniios el amplifiaor operaional, están en torno al año 940 y fueron en apliaiones e álulo matemátio (alulaoras). Ejemplo e apliaiones que puee realizar este ispositivo son: la erivaión, integraión, funiones trigonométrias, suma, resta, et. Debio a estas apliaiones se le enominó y se le sigue enominano amplifiaor operaional. Posteriormente apareió la tenología integraa, que permitía sobre un sustrato e siliio fabriar una gran antia e omponentes, esto io lugar a que se puiese integrar en un iruito integrao un A.O. El primer amplifiaor operaional integrao fue esarrollao por Fairhil en 968; estoy refiriénome al famoso 74, muy utilizao hoy en ía. En la atualia, su ampo e apliaiones es muy amplio. Utilizánose en muhos sistemas e ontrol, por su elevaa preisión y omo amplifiaores e baja freuenia, onvertiores A/D, D/A, et. Los A.O son ispositivos lineales, o lo que es lo mismo, an una respuesta ontinua a lo largo el tiempo, no tienen una respuesta igital. Su onfiguraión se orrespone on una re ativa o suministraora e potenia. Neesitano para suministrar esa potenia, e una fuente e orriente ontinua que habrá que proporionarle previamente. Básiamente y ese el punto e vista e sus terminales, se puee eir que es una re bipuerta, enargaa e proporionarnos a la salia la señal amplifiaa, que se le ha introuio en la entraa. I I I O I Re Bipuerta O Figura : Re bipuerta Hasta ahora se ha hablao el amplifiaor que utiliza tenología bipolar (transistores BJT). Los que utilizan tenología CMOS fueron esarrollaos posteriormente, omo onseuenia e la apariión e la tenología LSI. También existen los amplifiaores basaos en tenologías BICMOS, que presentan las ventajas e los BJT (altas prestaiones elétrias) y e los CMOS (ensia e integraión).

2 4.. AMPLIFICADOR OPERACIONAL BÁSICO Entraa inversora O Entraa no inversora Figura La siguiente figura representa el símbolo básio e un AO, one se pueen istinguir los siguientes terminales: : se orrespone on la entraa no inversora, e ahí viene su asignaión el signo +. En la salia O apareerá la señal introuia en on su amplifiaión orresponiente. : la entraa inversora omo su nombre inia, va a prouir que la señal que se le introuza, apareza a la salia O aemás e amplifiaa, esfasaa o invertia 80 º, equivalente a eir, que se ha sufrio un ambio e signo en la salia respeto a la entraa. o: es omo ya hemos visto tensión e la salia respeto a masa. : tensión iferenial e entraa, o iferenia entre las tensiones apliaas entre la entraa inversora y la no inversora el amplifiaor. Iealmente, este omponente sólo respone a la iferenia e tensión existente entre los os terminales e entraa, no a su potenial omún (masa). Una señal positiva en la entraa inversora (-), proue una señal negativa e salia, mientras que la misma señal apliaa a la entraa no inversora (+) proue la misma señal en la salia, pero on signo positivo. El que solo eba responer a la iferenia e tensiones en sus terminales e entraa, se ebe a que la etapa e entraa la onstituye un amplifiaor iferenia o par iferenial, iruito base el amplifiaor operaional. El par iferenial (fig. 3) omo vimos en el tema (Familias lógias), es etapa lave e la lógia ECL y posee una simetría que le onfiere unas araterístias muy espeiales en uanto a análisis y iseño. Debio a esto, los transistores (Q, Q ) eben ser totalmente simétrios, aspeto que no se onsigue totalmente a la hora e integrarlos en un iruito integrao. Dano lugar a que haya que tener en uenta no solo la ganania iferenial ( ), sino también la ganania en moo omún ( ) que ebería ser ero.

3 3 + CC R C I C I C R C O O O I T T I I E I E I E _ CC Figura 3: Amplifiaor iferenial T T R C R C I E : generaor e orriente onstante., I I : entraas. 0, 0 : salias respeto a masa. Si a las os entraas se le aplian os señales e polariaes opuestas al moo e operaión, se le onoe omo e oble entraa o moo iferenial I I v v Av : ganania en tensión.

4 4 La salia es proporional a la iferenia e las señales e entraa multipliaa por la ganania ( ) Av I I De esta euaión poemos extraer las siguientes onlusiones: I I 0 0 A 0 : Ganania en moo iferenial nula. I I : Existenia e ganania en tensión iferenial (A ) y amplifiaión e la iferenia entre las señales e entraa (amplifiaión iferenial). ( I I ) A Aunque la etapa e partia es el amplifiaor iferenial, un amplifiaor operaional se puee iviir en tres bloques o etapas funamentales. _ + Etapa e entraa Etapa separaora Etapa e salia O Figura 4 Entraa: onstituia básiamente por un amplifiaor iferenial. Posee por tanto, una alta ganania iferenial y una pequeña ganania en moo omún. Etapa intermeia: es un amplifiaor que proporiona una ganania aiional. No olviemos, la alta ganania que posee el A.O. Salia: esta etapa es otro bloque amplifiaor, que le a la araterístia al A.O. e poseer una baja impeania e salia.

5 AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL Como su nombre inia, vieno este ispositivo ese un punto e vista ieal, las araterístias el amplifiaor operaional son las siguientes: Resistenia e entraa infinita (R I ). Resistenia e salia nula (R O 0). Anho e bana infinito (f ). Ganania e tensión en lazo abierto infinita ( ). Ganania en moo omún nula ( C 0). Ganania en moo iferenial onstante ( K). Ausenia e esviaión en las araterístias on la temperatura. A partir e estas araterístias se puee euir que: Si la resistenia e entraa es infinita, no existe flujo e orriente en ninguno e los os terminales e entraa. Por tanto, 0 (tensión iferenial nula ). O O 0. También se puee eir que si la tensión e entraa iferenial ( ) es nula, ualquier señal e salia ( O ) que se obtenga, será el resultao e una señal e entraa infinitamente pequeña. La figura 5 se orrespone on el A.O. ieal. En uanto a la resistenia e salia (R O ) al ser nula, se ha representao meiante un hilo onutor ontinuo. Mientras que la resistenia e entraa (R I ) on un valor infinito, su forma e representaión es equivalente a los os terminales e entraa abiertos. R I A v RO O Figura 5 El moelo e A.O. ieal solo es, omo su nombre inia, un onepto iealizao el A.O. real. Sieno esta analogía muy prátia, al aerarse on una gran exatitu al omportamiento real e estos iruitos.

6 AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Las araterístias anteriores no se pueen alanzar en la realia, pero los valores reales se aproximan bastante a los ieales. Así: Ganania e tensión en lazo abierto muy alta: 0 3 a 0 6. Gran anho e bana, ese la amplifiaión en orriente ontinua hasta varios ientos e MHz. Resistenia e entraa muy elevaa, superior a MΩ. Resistenia e salia muy baja, el oren e unos poos óhmios. Ganania en moo omún istinta e ero, pero tiene a ser nula. 4.. PARÁMETROS INTERNOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Los parámetros internos, representan las araterístias partiulares e aa amplifiaor, en funión e su estrutura interna. Como onseuenia e los valores que posean estos parámetros, se va a permitir la omparaión entre istintos A.O. y omo objetivo final, se va a saber ual es el que mejor se ha aapta a nuestros requisitos e iseño TENSIÓN DIFERENCIAL ( ) Es la iferenia e tensión existente entre el terminal e entraa no inversor ( ) y el inversor ( ). (.) Eua 4... TENSIÓN EN MODO COMÚN ( C ) Así se enomina a la meia aritmétia e las os tensiones e entraa. + ( Eua.) En este aso, las señales se aplian por igual a ambas entraas.

7 RELACIÓN ENTRE LA TENSIÓN DIFERENCIAL Y LA TENSIÓN EN MODO COMÚN En un AO ieal la salia es proporional a la tensión iferenial, sieno ésta nula uano el valor e ambas entraas es igual. 0 De la fórmula orresponiente a la efiniión e la tensión en moo omún se tiene que: + (.3) Eua Si sumamos a esta fórmula la orresponiente a la tensión iferenial. + + Si espejamos la tensión en la entraa no inversora ( ). + Si restamos a la euaión 3 la euaión. + + Queano que la entraa inversora venría eterminaa por:

8 8 Como hay que onsierar que existen os terminales e entraa (inversor y no inversor), a lugar a que existan os gananias. : ganania ese la entraa no inversora hasta la salia. : ganania ese la entraa inversora hasta la salia. En la prátia se omprueba que la salia no epene solo e la tensión iferenial, sino que epene también e la tensión en moo omún. Por tanto, la tensión e salia será venrá eterminaa e la siguiente forma. o + Sustituyeno los valores e y se tiene: o + + o + + Agrupano términos. o ( + ) + Si la tensión en moo omún ( ) se onsiera nula, la ganania iferenial venrá eterminaa. o La ganania en moo omún, se obtenrá tenieno en uenta que la tensión iferenial ( ) es nula. o +

9 9 La alia e un amplifiaor operaional está en funión e que la: Ganania iferenial sea muy grane. Ganania en moo omún sea muy pequeña. Por lo tanto, eberá rehazar las señales apliaas en moo omún a las os entraas y realizar una gran amplifiaión sobre la iferenia e tensiones apliaas en éstas. El parámetro que efine la alia e un AO se enomina: rehazo en moo omún (δ o CMRR) y viene efinio omo: CMRR Obviamente, uanto mayor sea el parámetro que efine la relaión e rehazo en moo omún, mayor será la alia el amplifiaor TENSIÓN OFFSET O DE ESTADO DE BLOQUEO La tensión offset, es la tensión ontinua que aparee en la salia uano la iferenia e tensión entre los terminales inversor y no inversor es ero ( 0). Esto se ebe a que los transistores internos el A.O. no son exatamente iguales y se proue una señal iferenial interior, que amplifiaa apareerá en la salia. Este valor e tensión es erróneo y no ebe apareer en la salia. En apliaiones one se requiere un alto grao e preisión, la tensión offset e entraa proue un error bastante signifiativo, sobre too si se trabaja on etapas e alta ganania. Por onsiguiente, esta tensión offset es neesario anularla, la anulaión el offset se puee haer e os formas: Interna: lo proporiona el fabriante meiante unos terminales espeífios en el hip el AO. Externa: meiante un iruito universal e ajuste el offset, uya salia es apliaa a la entraa no inversora o a la inversora OTROS PARÁMETROS IMPORTANTES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Los ino terminales básios e un amplifiaor operaional se orresponen on los e alimentaión, entraa y salia. e alimentaión general: + : alimentaión positiva respeto a masa. - : alimentaión negativa respeto a masa.

10 0 terminales e entraa: : entraa no inversora. : entraa inversora. terminal e salia ( o ): epenieno e la onfiguraión y señal introuia en la entraa/as, puee ser tanto positiva omo negativa respeto a masa. + I I O I O - Figura TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN Es la tensión máxima que puee apliarse al A.O. Existen os tipos e alimentaión: Simple: su valor es un rango e tensiones referia a masa. Apliaa generalmente en el terminal + y one el terminal - se oneta a masa. Por ejemplo e 3 a 30. Doble: en este aso, tanto el terminal + omo el - tienen asignao un rango e valores e tensión. Por ejemplo e ±,5 a ±5. Hay que eir uano el A.O. se satura, lo hae a la tensión e alimentaión. Existieno una saturaión positiva y una negativa, al existir alimentaión positiva y negativa DISIPACIÓN DE POTENCIA (P D ) Es la potenia que puee isipar el amplifiaor para un rango e temperaturas espeífio. aría según el tipo e enapsulao utilizao. Los enapsulaos erámios son los que isipan más potenia, seguios e los e metal y los e plástio.

11 RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO (T OR ) Rango para el ual se asegura el funionamiento óptimo el AO. Depenieno e las apliaiones one se va a utilizar y que va a traer omo onseuenia, unas oniiones ambientales más o menos rítias. 0 ºC a 70 ºC: omeriales. -5 ºC a 85 ºC: apliaiones inustriales. -55º C a 5 ºC: apliaiones militares TENSIÓN DE ENTRADA DIFERENCIAL MÁXIMA ( i,máx ) alor máximo e tensión que puee apliarse on seguria entre el terminal inversor ( ) y no inversor ( ), sin que exista un flujo exesivo e orriente, que puea perjuiar a los transistores e entraa internos el amplifiaor TENSIÓN DE ENTRADA EN MODO COMÚN MÁXIMA ( i,máx ) alor máximo que se puee apliar entre los os terminales e entraa (, ) y masa. Por tanto: + p IC,max Muy importante a tener en uenta, que tanto en moo omún omo en moo iferenial, nuna ebe superarse la tensión e alimentaión, ya que poría añarse el iruito DURACIÓN DE CORTOCIRCUITO A LA SALIDA Tiempo máximo que el amplifiaor es apaz e soportar un ortoiruito ireto ese: la salia a masa. la salia a un terminal e alimentaión ( + y - ). Puee arse también el aso e que el tiempo sea inefinio TENSIÓN OFFSET DE ENTRADA ( IO ) Tensión que ebe apliarse entre los terminales e entraa, a través e os resistenias e igual valor para obtener tensión e salia ero. Su valor está en unos poos milivóltios.

12 CORRIENTE DE POLARIZACIÓN (I ib ) Promeio e las os orrientes e entraa (I, I ). En estao e equilibrio, las os orrientes e entraa son asi iguales. Debio a que los transistores FET tienen menor onsumo que los BJT, los amplifiaores on transistores e entraa e efeto e ampo tenrán una orriente e polarizaión menor que los que tengan transistores e entraa e unión bipolar CORRIENTE OFFSET DE ENTRADA (I io ) Diferenia entre las orrientes e los os terminales e entraa (inversor, no inversor) uano la salia es ero. En los amplifiaores e propósito general es aproximaamente el 0% e la orriente e polarizaión, pero puee ser menor este porentaje en operaionales e propósito espeífio (instrumentaión, alta veloia, et) RESISTENCIA DE ENTRADA (r in ) masa. Resistenia vista ese un terminal e entraa, estano el otro terminal onetao a CAPACIDAD DE ENTRADA (C in ) Representa la apaia e entraa, vista ese un terminal e entraa on la otra entraa onetaa a masa. Para altas freuenias, la impeania e entraa omienza a limitarse ebio al efeto paralelo e la reatania apaitativa RANGO DE TENSIÓN DE ENTRADA EN MODO COMÚN ( ir ) Llamao también solo rango e tensión e entraa. Correspone al rango e tensiones en moo omún, que garantiza el fabriante para un óptimo funionamiento el AO ARIACIÓN DE LA TENSIÓN DE SALIDA ( op ) Máxima tensión e pio positiva o negativa, que puee ser obtenia a la salia sin reorte e la ona, uano la tensión ontinua e salia es ero. Esto implia una variaión e salia simétria, aunque no es ierto que se é en toos los asos. La variaión e salia puee limitarse ebio a: Efetos e arga. Tensiones e alimentaión. Efetos e freuenia. Resistenia e fuente el amplifiaor.

13 3 Generalmente, el valor e esta tensión es e unos poos voltios por ebajo e la tensión e alimentaión utilizaa. Por ejemplo, el amplifiaor 74 tiene: Alimentaión aria.típia aria. Mín. Resis. Carga ± 5 ± 4 ± 0 K ± 5 ± 3 ± 0 K RESISTENCIA DE SALIDA (r o ) alor visto ese el terminal e salia on la salia anulaa. Este valor se reue si existe realimentaión. En este último aso, la reuión es proporional a la ganania el bule e realimentaión RESISTENCIA DE SALIDA (A vo ) Ganania el amplifiaor uano no existe realimentaión entre la salia y alguna e las entraas. Su valor se suele ar en eibélios (B) FRECUENCIA DE TRANSICIÓN (F t ) A esta freuenia, la ganania en bule abierto el amplifiaor estano ompensao, se reue a la unia CONSUMO DE POTENCIA (P ) Potenia en ontinua, requeria para operar el amplifiaor on la salia a ero y sin orriente e arga.