3º Electrónica ogelio Ortega B GUÍA 7: AMPLIFICADOES OPEACIONALES El término de ampliicador operacional (operational ampliier o OA o op -amp) ue asignado alrededor de 940 para designar una clase de ampliicadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como suma, resta, multiplicación, integración, dierenciación..., importantes dentro de la computación analógica de esa época. La aparición y desarrollo de la tecnología integrada, que permitía abricar sobre un único substrato monolítico de silicio gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de ampliicadores operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas. El primer OA ue desarrollado por.j. Widlar en Fairchild. En 968 se introdujo el amoso OA 74. Entrada inversora Entrada no inversora Salida Aunque no se indica explícitamente, los OA son alimentados con tensiones simétricas de valor ±Vcc; recientemente han sido puestos en el mercado OA de polarización simple (single supply). El OA es un ampliicador de una ganancia muy alta que posee una impedancia de entrada muy alta (por lo general de unos cuantos MΩ) y una baja impedancia de salida (menos de 00Ω). Las entradas, identiicadas por los signos negativo y positivo, son denominadas entradas inversora y no-inversora respectivamente. Cuando la señal ingresa por la entrada negativa (-) da como resultado una salida de polaridad opuesta, en cambio cuando la señal ingresa por la entrada (+) produce una salida que está en ase con la señal aplicada. Un OA ideal presenta las siguientes características: - Impedancia de entrada. - Impedancia de salida 0. - Ganancia en tensión en modo dierencial. - Ganancia en tensión en modo común 0. - Corrientes de entrada nulas. - Ancho de banda. - Ausencia de desviación en las características con la temperatura. El OA 74 requiere dos tensiones de alimentación que normalmente son de ±5V. Y tiene las siguientes características: ganancia de voltaje (A V = 200.000), impedancia de entrada (Z i = MΩ) y una impedancia de salida (Z o = 75Ω).
3º Electrónica ogelio Ortega B CICUITOS PÁCTICOS CON AMPLIFICADOES OPEACIONALES. Ampliicador inversor La ganancia en tensión del ampliicador inversor se obtiene analizando el circuito y aplicando las características del OA ideal. V o V i El término inversor es debido al signo negativo de esta expresión que indica un desase de 80º entre la entrada y salida. 2. Ampliicador no-inversor La ganancia en tensión del ampliicador no-inversor se resuelve de manera similar al anterior. V o La impedancia de entrada es. 3. Ampliicador seguidor La circuito seguidor proporciona una ganancia unitaria ( A V = ), sin inversión de polaridad o ase, esto signiica que la tensión de salida es igual a la tensión de entrada. V i
3º Electrónica ogelio Ortega B 4. Ampliicador sumador El circuito sumador como su propio nombre indica, permite sumar algebraicamente varias señales analógicas. La tensión de salida se expresa en términos de la tensión de entrada. V V2 V3 2 3 V o V V 2 2 V 3 3 Si = = 2 = 3 tenemos que la tensón de salida es V V ) V o ( 2 V3 5. Ampliicador restador El circuito restador permite entregar una tensión de salida igual a la resta de las tensiones presentes en las entradas. 2 V V2 3 4 V o 2 4 2 V2 V 3 4 2 Si se veriica la siguiente relación entre las resistencias 4 2 se obtiene la expresión simpliicada que indica como la tensión de salida es unción de la dierencia de las tensiones de 2 entrada, tal como se indica V o ( V2 V ). Si = 2 tenemos que V o V 2 V. 3
3º Electrónica ogelio Ortega B 6. Integrador Un integrador se obtiene sustituyendo en la resistencia de realimentación por un condensador. C vo ( t) vi ( t) dt C 7. Dierenciador Un dierenciador se obtiene sustituyendo en la resistencia de entrada por un condensador. C dvi ( t) vo ( t) C dt 8. Comparador de voltaje Un circuito comparador acepta entrada de voltajes lineales y proporciona una señal de salida digital que indica si una entrada es menor o mayor que la segunda. La salida es una señal digital que permanece a un nivel de voltaje alto cuando la entrada no inversora (+) es mayor que el voltaje en la entrada inversora ( -), y cambia a un nivel de voltaje bajo cuando el voltaje en la entrada no inversora cae por debajo del voltaje de la entrada inversora. Si V < V 2 el V o = +V CC Si V > V 2 el V o = V EE
3º Electrónica ogelio Ortega B LIMITACIONES PÁCTICAS DEL AMPLIFICADO OPEACIONAL El OA real tiene unas limitaciones y especiicaciones que pueden ser importantes en algunas aplicaciones. En este apartado se presentan las especiicaciones más importantes en dominio DC, transitorio y recuencia propias de cualquier OA.. Tensiones y corrientes o-set de entrada Un OA debe tener 0V a su salida cuando la entrada vale 0V. Sin embargo, en ampliicadores reales no es cierto y aparecen indeseables tensiones de salida del orden de decenas a centenas de mv en ausencia de señal de entrada. Este eecto es debido a las corrientes de entrada y disimetrías de la etapa dierencial. El modelo de este comportamiento se realiza a través de los siguientes parámetros: tensión o-set de entrada o V OS (input oset voltage), corriente oset de entrada I OS (input oset current) y corriente de polarización de entrada I B (input bias current). Para el OA 74, estos parámetros valen V OS = mv, I OS = 20nA e I B = 80nA. Las técnicas más utilizadas para la cancelación de estos parámetros se basan en aplicar una tensión de entrada determinada y ajustable a través de un potenciómetro externo conectado a la alimentación del OA que permite poner la salida a 0V en ausencia de señal y anular los eectos de o-set. En algunos casos, como sucede en el OA 74, se utilizan dos salidas externas etiquetadas como oset null en donde se conecta un potenciómetro que permite la eliminación del oset. 2. Parámetros de recuencia Los OA son diseñados para tener alta ganancia con un ancho de banda elevado, características que les hacen ser inestables con tendencia a la oscilación. Para asegurar estabilidad en su operación es preciso utilizar técnicas de compensación internas y/o externas que limitan su operación. El ejemplo más típico se encuentra en el OA 74 con un condensador interno de 3pF que introduce una recuencia de corte superior (ƒ C ) de 5 Hz. A la recuencia en la cual la ganancia toma se denomina ancho de banda de ganancia unidad o ƒ. 3. Slew-ate Otro parámetro que releja la capacidad del OA para manejar señales variables en el tiempo es el slew-rate (S) deinido como la máxima variación de la tensión de salida con el tiempo que puede proporcionar la etapa de salida del OA; se mide en V/µs. El S del OA 74 vale 0.5V/µs. Al intentar variar la tensión de salida con un valor mayor que el S se producirá una distorsión o recorte de esa señal y el OA perdería sus características lineales.
3º Electrónica ogelio Ortega B OTOS PAÁMETOS - ango de tensión de entrada (input voltage range). Máxima dierencia de tensión a la entrada del OA. El OA 74 tiene un rango de entrada de ± 3V. - Máxima variación de rango de tensión de salida (maximun peak output voltage swing). Indica para una alimentación de ±5V, el valor de tensión más alta que se puede esperar a la salida del OA. El OA 74 es de ±4V. - esistencia y capacidad de entrada (input resistence and capacitance). esistencia y capacidad equivalente en lazo abierto vista a través de los terminales de entrada. Para el OA 74 es de 2MΩ y.4pf, respectivamente. - esistencia de salida (output resistence). El OA 74 tiene una resistencia de salida de 75Ω. - Consumo de potencia (total power dissipation). Consumo de potencia DC en ausencia de señal y para una tensión de alimentación de ±5V. El OA 74 es de 50mW. - Máxima corriente de salida (output short circuit current). Corriente máxima de salida limitada por el circuito de protección. El OA 74 tiene 25mA. - Variación máxima de la tensión de salida (output voltage swing). Es la amplitud pico-pico máxima que se puede conseguir sin que se produzca recorte. El OA 74 es de ±3 a ±4 V para V CC = ±5 V.