Amplificador operacional

Amplificador operacional
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Invención	Robert John Widlar
Símbolu electrónicu
Terminales	V+: Entrada non inversora V−:; Entrada inversora Vout: Salida VS+: Fonte DC positiva VS−: Fonte DC negativa
	[editar datos en Wikidata]

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Un amplificador operacional, de cutiu conocíu op-amp poles sos sigles n'inglés (operational amplifier) ye un dispositivu amplificador electrónicu d'alta ganancia acopláu en corriente continua que tien dos entraes y una salida. Nesta configuración, la salida del dispositivu ye, xeneralmente, de cientos de miles de vegaes mayor que la diferencia de potencial ente les sos entraes.

Historia

El conceutu del amplificador operacional surdió escontra 1947, como un dispositivu construyíu con tubos de vacíu,^[1] como parte de los primeros ordenadores analóxicos dientro de les cualos executaben operaciones matemátiques (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.), de lo cual anicióse'l nome pol cual conózse-y. El primer amplificador operacional monolíticu construyíu como circuitu integráu, foi desenvueltu en 1964 na empresa Fairchild Semiconductor pol inxenieru lletricista estauxunidense Robert John Widlar y llevó el númberu de modelu μA702.^[1]A ésti siguió-y el μA709 (1965), tamién de Widlar, y que constituyó un gran ésitu comercial. Más tarde sería sustituyíu pol popular μA741 (1968), desenvueltu por David Fullagar, y fabricáu por numberoses empreses, basáu en teunoloxía bipolar, que convirtióse n'estándar de la industria electrónico.

Principiu d'operación

Los diseños varien ente cada fabricante y cada productu, pero tolos amplificadores operacionales tienen básicamente la mesma estructura interna, que consiste en tres etapes:

Amplificador diferencial: ye la etapa d'entrada qu'apurre una baxa amplificación del ruiu y gran impedancia d'entrada. Suelen tener una salida diferencial.
Amplificador de tensión: apurre ganancia de tensión.
Amplificador de salida: apurre la capacidá de suministrar la corriente necesaria, tien una baxa impedancia de salida y, usualmente, proteición frente a cortucircuitos. Ésti tamién apurre una ganancia adicional.^[1]

El dispositivu tien dos entraes: una entrada non inversora (+), na cual hai una tensión indicao como $V_{+}$ y otra inversora (–) sometida a una tensión $V_{-}$ . En forma ideal, el dispositivu amplifica solamente la diferencia de tensión nes entraes, conocida como tensión d'entrada diferencial ( $v_{\text{in}}=V_{+}-V_{-}$ ). La tensión o voltaxe de salida del dispositivu $V_{\rm {out}}$ ta dada pola ecuación:

V_{\!{\text{out}}}=A_{\text{OL}}\,(V_{\!+}-V_{\!-})=A_{\text{OL}}V_{\text{in}}

na cual $A_{\rm {OL}}$ representa la ganancia del dispositivu cuando nun hai realimentación, condición conocida tamién como "llazu (o bucle) abiertu". En dellos amplificadores diferenciales, esisten dos salíes con desfase de 180° pa delles aplicaciones especiales.

Llazu abiertu

Amplificador operacional en manera de llazu abiertu, configuración usada como comparador.

La magnitú de la ganancia $A_{\rm {OL}}$ ye, xeneralmente, bien grande, del orde de 100.000 vegaes o más y, poro, una pequeña diferencia ente les tensiones $V_{+}$ y $V_{-}$ fai que la salida del amplificador seya d'un valor cercanu al de la tensión d'alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitú de $A_{\rm {OL}}$ nun ye bien controlada pol procesu de fabricación, asina que ye impráctico usar un amplificador en llazu abiertu como amplificador diferencial.

Si la entrada inversora ye coneutada a tierra (0 V) de manera direuta o por aciu una resistencia $R_{g}$ y el voltaxe d'entrada $V_{\rm {in}}$ aplicáu a la otra entrada ye positivu, la salida va ser la de la máxima tensión positivo d'alimentación; si $V_{\rm {in}}$ ye negativu, la salida va ser el valor negativu d'alimentación. Como nun esiste realimentación, dende la salida a la entrada, l'amplificador operacional actúa como comparador.

Llazu zarráu

Un amplificador operacional en manera de realimentación negativa.

Si desea un comportamientu predecible na señal de salida, úsase la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de llazu zarráu amenorga notablemente la ganancia del dispositivu, una y bones ésta ye determinada pola rede de realimentación y non poles carauterístiques del dispositivu. Si la rede de realimentación ye fecha con resistencies menores que la resistencia d'entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en llazu abiertu $A_{\rm {OL}}$ nun afecta seriamente la operación del circuitu. Nel amplificador non inversor de la imaxe, la rede resistiva constituyida por $R_{f}$ y $R_{g}$ determina la ganancia en llazu zarráu.

Una forma válida d'analizar esti circuitu basar nestos camientos válidos:^[2]

L'amplificador va ser analizáu como ideal, lo que trai:
- La resistencia nes entraes del amplificador ye infinita.
- La resistencia de la salida ye despreciable o tiende a cero.
La ecuación xeneral pal analisis de op amps; $V_{out}=(V_{+}-V_{-})A_{OL}$ .

Partiendo del fechu que $V_{in}$ ye conocíu, ye necesariu analizar $V_{-}$ , basandose en que la entrada inversora tien una resistencia infinita, puede considerase un circuitu equivalente que va ayudar a conocer dichu valor (por falta de imagenes descríbese textualmente). El circuitu consiste de 3 elementos coneutaos en serie, que son

Una fonte de voltaxe que'l so valor ye $V_{out}$ .
Una resistencia que'l so valor ye $R_{f}$ .
Una resistencia que'l so valor ye $R_{g}$ . Note que si s'asitiara un voltmetro ente $R_{g}$ y tierra, se tendria $V_{-}$ .

Con esti circuitu deduzse que la corriente que traviesa les resistencies ye:

$i={\frac {V_{out}}{R_{f}+R_{g}}}$

Polo tanto'l voltaxe $R_{g}$ y por tanto'l voltaxe $V_{-}$ queda dau por:

$V_{-}=V_{out}({\frac {R_{g}}{R_{f}+R_{g}}})$

Sustituyendo na ecuación xeneral de analisis llógrase:

$V_{out}=(V_{+}-V_{out}({\frac {R_{g}}{R_{f}+R_{g}}}))A_{OL}$ .

Aplicando álxebra senciella, puede estenase $V_{out}$ , que queda dau por:

$V_{out}={\frac {V_{in}}{{\frac {1}{A_{OL}}}+{\frac {R_{g}}{R_{f}+R_{g}}}}}$

Tomando la primer considerancia mentada avera del analisis ideal $V_{out}$ va ser:

$V_{OUT}=\lim _{A_{OL}\longrightarrow \infty }{\frac {V_{in}}{{\frac {1}{A_{OL}}}+{\frac {R_{g}}{R_{f}+R_{g}}}}}$

Sábese que la llende converxe a:

$V_{OUT}={\frac {V_{in}}{\frac {R_{g}}{R_{f}+R_{g}}}}=V_{in}({\frac {R_{f}+R_{g}}{R_{g}}})$

Entós considerando

$\beta ={\frac {R_{g}}{R_{f}+R_{g}}}$

Llógrase:

$V_{OUT}=V_{in}{\frac {1}{\beta }}$

Parámetros de los amplificadores operacionales

Impedancia d'entrada ( $Z_{\rm {i}}$ ): Ye la resistencia ente les entraes del amplificador.
Impedancia de salida ( $Z_{\rm {o}}$ ): Ye la resistencia que se repara a la salida del amplificador.
Ganancia en llazu abiertu ( $A_{\rm {OL}}$ ): Indica la ganancia de tensión n'ausencia de realimentación. Puede espresase n'unidaes naturales (V/V, V/mV) o logarítmiques (dB). Son valores habituales de 100.000 a 1.000.000 V/V. Dellos fabricantes denominen a esti parámetru Large-signal differential voltage amplification (Amplificación de voltaxe diferencial pa gran señal).
Tensión en manera común ( $v_{\rm {cm}}$ ): Ye'l valor permediu de tensión aplicáu a dambes entraes del amplificador operacional.
Voltaxe de desequilibriu (offset) d'entrada ( $V_{\rm {IO}}$ ): Ye la diferencia de tensión, ente les entraes d'un amplificador operacional que fai que la so salida seya cero voltio.
Corriente de desequilibriu d'entrada ( $I_{\rm {IO}}$ ): Ye la diferencia de corriente ente los dos entraes del amplificador operacional, que fai que la so salida tome'l valor cero.
Voltaxe d'entrada diferencial ( $V_{\rm {DI}}$ ): Ye la mayor diferencia de tensión ente les entraes del operacional que caltienen el dispositivu dientro de les especificaciones.
Corriente de polarización d'entrada ( $I_{\rm {IB}}$ ): Corriente media que circula poles entraes del operacional n'ausencia de señal.
Rapidez de variación de voltaxe (slew rate, n'idioma inglés): Ye la máxima variación de la tensión de salida respectu de la variación del tiempu, como respuesta a un voltaxe de pasu. Midir en V/μs, kV/μs o unidaes similares. Esti parámetru ta llindáu pola compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales.
Rellación de refuga en Manera Común (RRMC, o CMRR nes sos sigles n'inglés): Ye la capacidá d'un amplificador de refugar señales en manera común.

Carauterístiques del amplificador operacional

Circuitu equivalente d'un amplificador operacional.

Amplificador operacional ideal

Infinita ganancia en llazu abiertu $A_{\rm {OL}}$
Infinita resistencia d'entrada, $R_{\rm {in}}$
Corriente d'entrada cero.
Voltaxe de desequilibriu d'entrada cero.
Infinitu rangu de voltaxe disponible na salida.
Infinitu ancho de banda con desplazamientu de fase cero.
Rapidez de variación de voltaxe infinita.
Resistencia de salida $R_{\rm {out}}$ cero.
Ruiu cero.

Infinitu refugu de manera común (CMRR)

Infinitu factor de refuga a fonte d'alimentación (PSRR).

Estes carauterístiques pueden resumise en dos "regles d'oru":

Nel llazu cerráu la salida intenta faer lo necesario pa faer cero la diferencia de voltaxe ente les entraes.
Les corrientes d'entrada al dispositivu son cero.^[3]

Amplificador operacional real

L'amplificador real difier del ideal en dellos aspeutos:

Ganancia en llazu abiertu, pa corriente continua, dende 100.000 hasta más de 1.000.000.
Resistencia d'entrada finita, dende 0,3 MΩ d'equí p'arriba.
Resistencia de salida non cero.
Corriente d'entrada non cero, xeneralmente de 10 nA en circuitos de teunoloxía bipolar.
Voltaxe de desequilibriu d'entrada non cero, en ciertos dispositivos ye de ±15 mV
Refugu de manera común non infinitu, anque grande, en dellos casos, de 80 a 95 dB.
Refugu a fonte d'alimentación non infinito.
Carauterístiques afeutaes pola temperatura d'operación.
Deriva de les carauterístiques, debíu al avieyamientu del dispositivu.
Anchu de banda finito, llindáu arremente pol diseñu o por carauterístiques de los materiales.
Presencia de ruiu térmico.
Presencia d'efeutos capacitivos na entrada pola cercanía de los terminales ente sigo.
Corriente de salida llindada.
Potencia disipada llindada.

Aplicaciones

Les aplicaciones más comunes de los amplificadores operacionales son les siguientes:^[4]

Comparador

Aplicación ensin retroalimentación que compara señales ente los dos entraes y presenta una salida en función de qué entrada seya mayor. Puede usase p'afaer niveles lóxicos.

$V_{\rm {out}}=\left\{{\begin{matrix}V_{S+}&V_{1}>V_{2}\\V_{S-}&V_{1}<V_{2}\end{matrix}}\right.$

Una aplicación simple pero útil, ye la d'apurrir un sistema de control ON-OFF. Por casu un control de temperatura, que la so entrada non inversora conéctase un termistor (sensor de temperatura) y na entrada inversora un divisor resistivo con un preset (resistencia variables) p'afaer el valor de tensión de referencia. Cuando na pata non inversora esista una tensión mayor a la tensión de referencia, la salida activara dalguna señalización o un actuador.

Siguidor de voltaxe o tensión

Amplificador operacional en manera siguidora de tensión

Ye aquel circuitu qu'apurre a la salida la mesma tensión qu'a la entrada. Presenta la ventaya de que la impedancia d'entrada ye alzada, la de salida práuticamente nula, y ye útil como un buffer, pa esaniciar efecto de carga o p'afaer impedancias (coneutar un dispositivu con gran impedancia a otru con baxa impedancia y viceversa) y realizar midíes de tensión d'un sensor con una intensidá bien pequeña que nun afecte sensiblemente a la midida.

Amplificador non inversor

Amplificador operacional en manera non inversor

Na manera amplificadora non inversor, el voltaxe de salida camuda na mesma direición del voltaxe d'entrada.

La ecuación de ganancia pa esta configuración ye:

V_{\text{out}}=A_{OL}\,(V_{\!+}-V_{\!-})

Sicasí, nesti circuitu V₋ ye una función de V_out por cuenta de la realimentación negativa al traviés de la rede constituyida por R₁ y R₂, onde R₁ y R₂ formen un divisor de tensión, y como V₋ ye una entrada d'alta impedancia, nun hai efeutu de carga. Por consiguiente:

V_{\!-}\,\,=\beta \cdot V_{\text{out}}

Onde

\beta ={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}

Sustituyendo esto na ecuación de ganancia, llógrase:

V_{\text{out}}=A_{OL}(V_{\text{in}}-\beta \cdot V_{\text{out}})

Resolviendo pa $V_{\text{out}}$ :

V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\left({\frac {1}{\beta +1/A_{OL}}}\right)

Si $A_{OL}$ ye bien grande, simplificar a

V_{\text{out}}\approx {\frac {V_{\text{in}}}{\beta }}={\frac {V_{\text{in}}}{\frac {R_{\text{1}}}{R_{\text{1}}+R_{\text{2}}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)

.

Sumador inversor

Amplificador sumador de n entraes.

Aplicación na cual la salida ye de polaridá opuesta a la suma de les señales d'entrada.

Pa resistencies independientes R₁, R₂,... R_n
- $V_{\mathrm {out} }=-R_{f}\left({\frac {V_{1}}{R_{1}}}+{\frac {V_{2}}{R_{2}}}+\dots +{\frac {V_{n}}{R_{n}}}\right)$
La espresión simplificar abondo si usen resistencies del mesmu valor
Impedancias d'entrada: Z_n = R_n

Restador Inversor

Amplificador restador-inversor.

Pa resistencies independientes R₁,R₂,R₃,R₄ la salida esprésase como:

$V_{\mathrm {out} }=V_{2}\left({\left(R_{3}+R_{1}\right)R_{4} \over \left(R_{4}+R_{2}\right)R_{1}}\right)-V_{1}\left({R_{3} \over R_{1}}\right)$

La impedancia diferencial ente dos entraes ye:

$Z_{\rm {in}}=R_{1}+R_{2}+R_{\rm {in}}$

onde $R_{in}$ representa la resistencia d'entrada diferencial del amplificador, inorando les resistencies d'entrada del amplificador de manera común. Esti tipu de configuración tien una resistencia d'entrada baxa en comparanza con otru tipu de restadores como'l amplificador d'instrumentación.

Integrador ideal

Amplificador integrador.

Esti montaxe integra ya invierte la señal d'entrada $V_{in}$ produciendo como salida:

V_{\rm {out}}=\int _{0}^{t}-{V_{\rm {in}} \over RC}\,dt+V_{\rm {inicial}}

Nesta ecuación $V_{\rm {inicial}}$ ye la tensión d'orixe al empecipiase'l funcionamientu.

Esti integrador nun s'usa na práutica de forma discreta yá que cualquier señal pequeña de corriente direuta na entrada puede ser atropada nel condensador hasta enchelo por completu; ensin mentar la carauterística de desplazamientu de tensión del amplificador operacional, que tamién ye atropada. Esti circuitu usar de forma combinada en sistemes retroalimentaos que son modelos basaos en variables d'estáu (valores que definen l'estáu actual del sistema) onde l'integrador caltién una variable d'estáu nel voltaxe del so condensador.

Derivador ideal

Amplificador derivador.

Esti circuitu deriva ya invierte la señal d'entrada, produciéndose como salida:

$V_{\rm {out}}=-RC\,{dV_{\rm {in}} \over dt}$

Amás de lo anterior, esti circuitu tamién s'usa como filtru, sicasí nun ye estable. Esto debe a qu'al amplificar más les señales d'alta frecuencia, termina amplificándose enforma'l ruiu.

Conversor de corriente a tensión

Amplificador de transresistencia o transimpedancia.

El conversor de corriente a tensión, conozse tamién como amplificador de transresistencia, nel cual una corriente d'entrada $I_{\rm {in}}$ , produz a la salida una tensión proporcional a esta, con una impedancia d'entrada bien baxa, yá que ta diseñáu pa trabayar con una fonte de corriente.

Cola resistencia $R$ como factor de proporcionalidad, la rellación resultante ente la corriente d'entrada y la tensión de salida ye:

$V_{\rm {out}}=-R\ I_{\rm {in}}$

Esta aplicación usar en sensores, qu'apurren poca corriente y acóplense un amplificador operacional qu'apurre la tensión de salida respeutiva proporcional a felicidá corriente.

Función esponencial y logarítmica

Amplificador logarítmicu.

Amplificador antilogaritmico o esponencial.

El llogaritmu y la so función inversa, la función esponencial, pueden ser implementaos por aciu amplificadores operacionales aprovechando'l funcionamientu esponencial d'un diodu, llogrando una señal de salida proporcional al llogaritmu o a la función esponencial a la señal d'entrada.

La señal d'entrada $V_{\rm {in}}$ , nesti casu, va producir una salida $V_{\rm {out}}$ proporcional al llogaritmu natural de la primera:

V_{\rm {out}}=-m\ln \left({\frac {V_{\rm {in}}}{nR}}\right)

Los factores $m$ y $n$ son factores de correición, determinaos pola temperatura y los parámetros propios del diodu.

Pa llograr la operación inversa, intercámbiense les posiciones del diodu y de la resistencia, pa dar llugar a la tensión de salida:

V_{\rm {out}}=-nR\,y^{\left({\frac {V_{\rm {in}}}{m}}\right)}

Na práutica, implementar estes funciones nun circuitu ye más complicáu, y en cuenta de usase un diodu úsense transistores bipolares, pa embrivir cualesquier efeutu ensin deseyar por cuenta de la temperatura de trabayu. Sicasí, el principiu de funcionamientu de la configuración caltiénse.

Na realización d'estos circuitos tamién podríen faese conexones múltiples. Nel amplificador antilogarítmico les multiplicaciones son amiestes, ente que nel logarítmicu, amestar son multiplicaciones. A partir d'ello, podríen combinase dos amplificadores logarítmicos, siguíos d'un sumador, y a la salida, un amplificador antilogarítmico, colo cual llograríase un multiplicador analóxicu, nel cual la salida ye'l productu de los dos tensiones d'entrada.

Convertidor Dixital-Analóxicu (R-2R)^[5]

Convertidor Dixital a Analóxicu tipu R-2R

Por aciu una rede de resistencies R-2R, pueden introducise nos estremos señalaos como $V_{0}$ , $V_{1}$ , $V_{2}$ y $V_{3}$ señales dixitales del valor fayadizu pa realizar la conversión. Nesti casu, dende cualesquier de les entraes, coles demás coneutaes a tierra, la resistencia d'entrada ye del valor:

$R_{\rm {in}}=R$

Si $R_{2}=2R$ entós

$V_{\mathrm {out} }=-\left({\frac {V_{0}}{8}}+{\frac {V_{1}}{4}}+{\frac {V_{2}}{2}}+{V_{3}}\right)$

Dos inconvenientes acomuñaos con esti convertidor son que per cada entrada, añader dos resistencies y que, si precisa un convertidor más precisu, tienen d'escoyese los valores de resistencia que s'afaigan nuna rellación 2 a 1 con baxes tolerancies.

Usos

Calculadores dixitales
Filtros
Preamplificadores y buffers d'audiu y videu
Reguladores
Conversores
Evitar l'efeutu de carga
Adaptadores de niveles (por casu CMOS y TTL)

Estructura interna del amplificador operacional μA741

Usáu como fonte por munchos fabricantes, y en múltiples productos similares, un exemplu d'un amplificador operacional con transistores bipolares ye'l circuitu integráu μA741 diseñáu en 1968 por David Fullagar en Fairchild Semiconductor dempués del llanzamientu del circuitu integráu LM301 creáu pol inxenieru Robert John Widlar.

Anque esti dispositivu utilizóse históricamente n'audiu y otros equipos sensibles, anguaño ye raru'l so usu por cuenta de les carauterístiques de ruiu ameyoraes de los operacionales más modernos. Amás de xenerar un "siseo" perceptible, el 741 y otros operacionales antiguos pueden presentar rellaciones de refugu a la manera común bien probes polo que, xeneralmente, van introducir runfíu al traviés de los cables d'entrada y otres interferencies de manera común, como chasquíos por conmutación, n'equipos sensibles.

Anguaño l'amplificador μA741 usualmente utilizar pa referise a un operacional integráu xenéricu, como los dispositivos μA741, LM301, 558, LM342, TBA221 o un reemplazu más modernu como'l TL071. La descripción de la etapa de salida del μA741 ye cualitativamente similar a la de munchos otros diseños, que pueden tener etapes d'entrada bien distintes, quitando que:

Dellos dispositivos (μA748, LM301 y LM308) nun tienen compensación interna.
Dellos dispositivos modernos tienen escursión completa de salida ente les tensiones d'alimentación, lo que significa qu'hai unos pocos milivoltios per debaxo de los valores máximu y mínimu d'alimentación.

Etapa d'entrada

Diagrama electrónicu del operacional 741.

Sistema de corriente constante

Les condiciones de reposu de la etapa d'entrada afitar por aciu una rede d'alimentación negativo d'alta ganancia que los sos bloques principales son los dos espeyos de corriente del llau esquierdu de la figura, delineados con colloráu. El propósitu principal de la realimentación negativa (suministrar una corriente estable a la etapa diferencial d'entrada) realízase como sigue.

La corriente al traviés de la resistencia de 39 kΩ actúa como una referencia de corriente pa les demás corrientes de polarización usaes nel integráu. La tensión sobre esta resistencia ye igual a la tensión ente los bornes d'alimentación ( $V_{S\!+}-V_{S\!-}$ ) menos dos cayíes de diodu de transistor (Q11 y Q12), polo tanto la corriente ye $I_{\text{ref}}=(V_{S\!+}-V_{S\!-}-2V_{\text{be}})/(39{\text{ k}}\Omega )$ . L'espeyu de corriente Widlar formáu por Q10, Q11, y la resistencia de 5Kohm xenera una pequeña fracción de Iref nel colector de Q10. Esta pequeña corriente constante apurrida pol colector de Q10 suministra les corrientes de base de Q3 y Q4, según la corriente de colector de Q9. L'espeyu Q8/Q9 fuercia a la corriente de colector de Q9 a ser igual a la suma de les corrientes de colector de Q1 y Q2. Polo tanto les corrientes de base de Q1 y Q2 combinaes (que son del mesmu orde que les corrientes d'entrada del integráu) van ser una pequeña fracción de la yá pequeña corriente por Q10.

Entós, si la etapa d'entrada aumenta la so corriente por dalguna razón, l'espeyu de corriente Q8/Q9 va tomar corriente de les bases de Q3 y Q4, amenorgando la corriente de la etapa d'entrada, y viceversa. El llazu de realimentación amás aislla'l restu del circuitu de señales de manera común al forzar la tensión de base de Q3/Q4 a siguir $2V_{\rm {be}}$ per debaxo de la mayor de los dos tensiones d'entrada.

Amplificador diferencial

El bloque delineado con azul ye un amplificador diferencial. Q1 y Q2 son siguidores d'emisor d'entrada y xunto col par en base común Q3 y Q4 formen la etapa diferencial d'entrada. Amás, Q3 y Q4 actúen como desplazadores de nivel y apurren ganancia de tensión pa controlar l'amplificador clase A. Tamién ayuden a ameyorar la máxima tensión $V_{\rm {be}}$ inversa de los transistores d'entrada (la tensión de rotura de les junturas base-emisor de los transistores NPN Q1 y Q2 ye de 7 V aproximao, ente que los transistores PNP Q3 y Q4 tienen rotures del orde de 50 V).

L'amplificador diferencial formáu polos cuatro transistores Q1-Q4 controlen un espeyu de corriente como carga activa formada polos trés transistores Q5-Q7 (Q6 ye la verdadera carga activa). Q7 aumenta la precisión del espeyu al menguar la fracción de corriente de señal tomada de Q3 pa controlar les bases de Q5 y Q6. Esta configuración ufierta una conversión de diferencial a asimétrica de la siguiente forma:

La señal de corriente por Q3 ye la entrada del espeyu de corriente ente que la so salida (el colector de Q6) coneutar al colector de Q4. Equí les señales de corriente de Q3 y Q4 sumir. Pa señales d'entrada diferenciales, les señales de corriente de Q3 y Q4 son iguales y opuestes. Poro, la suma ye'l doble de les señales de corriente individuales. Asina se completa la conversión de diferencial a manera asimétrica.

La tensión en vacíu nesti puntu ta dada pol productu de la suma de les señales de corriente y el paralelu de les resistencies de colector de Q4 y Q6. Como los colectores de Q4 y Q6 presenten resistencies dinámiques altes a la señal de corriente, la ganancia de tensión a circuitu abiertu d'esta etapa ye bien alta.

Nótese que la corriente de base de les entraes nun ye cero y la impedancia d'entrada efectiva (diferencial) d'un 741 ye del orde de 2 MΩ. Les pates "offset null" pueden usase pa coneutar resistencies esternes en paralelu colos dos resistencies internes de 1 kΩ (xeneralmente los estremos d'un potenciómetro) pa banciar l'espeyu Q5/Q6 y asina controlar indireutamente la salida del operacional cuando s'aplica una señal igual a cero a les entraes.

Etapa de ganancia clase A

El bloque delineado con magenta ye la etapa de ganancia clase A. L'espeyu cimeru derechu Q12/Q13 carga esta etapa con una corriente constante, dende'l colector de Q13, que ye práuticamente independiente de la tensión de salida. La etapa consiste en dos transistores NPN en configuración Darlington y utiliza la salida del espeyu de corriente como carga activa d'alta impedancia pa llograr una elevada ganancia de tensión. El condensador de 30 pF ufierta una realimentación negativa selectiva en frecuencia a la etapa clase A como una forma de compensación en frecuencia pa estabilizar l'amplificador en configuraciones con relimentación. Esta téunica llámase compensación Miller y funciona de manera similar a un circuitu integrador con amplificador operacional. Tamién la conoz como "compensación por polu dominante" porque introduz un polu dominante (unu qu'amazcara los efeutos d'otros polos) na respuesta en frecuencia a llazu abiertu. Esti polu puede ser tan baxu como 10 Hz nun amplificador 741 ya introduz una atenuación de -3 dB a esa frecuencia. Esta compensación interna usar pa garantizar la estabilidá incondicional del amplificador en configuraciones con realimantación negativa, naquellos casos en que'l llazu de realimentación nun ye reactivu y la ganancia de llazu zarráu ye igual o mayor a unu. D'esta manera simplificar l'usu del amplificador operacional una y bones nun se riquir compensación esterna pa garantizar la estabilidá cuando la ganancia seya unitaria; los amplificadores ensin rede de compensación interna pueden precisar compensación esterna o ganancies de llazu significativamente mayores qu'unu.

Circuitu de polarización de salida

El bloque delineado con verde (basáu en Q16) ye un desplazador de nivel de tensión (o multiplicador de $V_{\rm {be}}$ ); un tipu de fonte de tensión. Nel circuitu puede vese que Q16 suministra una cayida de tensión constante ente colector y emisor independientemente de la corriente que la traviesa. Si la corriente de base del transistor ye despreciable, y la tensión ente base y emisor (y al traviés de la resistencia de 7.5 kΩ) ye 0.625 V (un valor típicu pa un BJT na rexón activa), entós la corriente que traviesa la resistencia de 4.5 kΩ va ser la mesma que traviesa 7.5 kΩ, y va xenerar una tensión de 0.375 V. Esto caltién la cayida de tensión nel transistor, y los dos resistencies en 0.625 + 0.375 = 1 V. Esto sirve pa polarizar los dos transistores de salida llixeramente en condición amenorgando la distorsión "crossover". En dellos amplificadores con componentes discretos esta función llograr con diodos de siliciu (xeneralmente dos en serie).

Etapa de salida

La etapa de salida (delineada con cian) ye un amplificador siguidor d'emisor push-pull Clase AB (Q14, Q20) que la so polarización ta afitada pol multiplicador de $V_{\rm {be}}$ Q16 y los sos dos resistencies de base. Esta etapa ta controlada polos colectores de Q13 y Q19. Les variaciones na polarización por temperatura, o ente componentes del mesmu tipu son comunes, polo tanto la distorsión "crossover" y la corriente de reposu pueden sufrir variaciones. El rangu de salida del amplificador ye aproximao un voltiu menos que la tensión d'alimentación, debíu en parte a la tensión $V_{\rm {be}}$ de los transistores de salida Q14 y Q20.

La resistencia de 25 Ω na etapa de salida sensa la corriente pa llindar la corriente qu'apurre'l siguidor d'emisor Q14 a unos 25 mA aproximao pal 741. La llimitación de corriente negativa llógrase sensando la tensión na resistencia d'emisor de Q19 y utilizando esta tensión p'amenorgar tirar escontra baxo la base de Q15. Versiones posteriores del circuitu d'esti amplificador pueden presentar un métodu de llimitación de corriente llixeramente distinta. La impedancia de salida nun ye cero, como s'esperaría nun amplificador operacional ideal, sicasí avérase a cero con realimentación negativa a frecuencies baxes.

Limitación

Saturación

Un Amplificador Operacional típicu nun puede suministrar más de la tensión a la que s'alimenta, de normal el nivel de saturación ye del orde del 90% del valor con que s'alimenta. Cuando se da esti valor dizse qu'enche, pos yá nun ta amplificando. La saturación puede ser aprovechada por casu en circuitos comparadores.

Un conceutu acomuñáu a ésti ye'l Slew rate.

Tensión de offset

Ye la diferencia de tensión que se llogra ente los dos pines d'entrada cuando la tensión de salida ye nula, esti voltaxe ye cero nun amplificador ideal lo cual nun se llogra nun amplificador real. Esta tensión puede afaese a cero per mediu del usu de les entraes de offset (solo en dellos modelos de operacionales) en casu de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de la temperatura (T) del operacional como sigue:

V_{\text{offset}}=V_{\text{offset}}(T_{0})+{\frac {\Delta V_{\text{offset}}}{\Delta T}}(T-T_{0})

Onde T₀ ye una temperatura de referencia.

Un parámetru importante, a la de calcular les contribuciones a la tensión de offset na entrada d'un operacional ye'l CMRR (Refugu a la manera común).

Agora tamién puede variar dependiendo de l'alimentación del operacional, a esto llámase-y PSRR (power supply rejection ratio, rellación de refuga a la fonte d'alimentación). La PSRR ye la variación del voltaxe de offset al respeutive de la variación de los voltaxes d'alimentación, espresada en dB. Calcúlase como sigue:

\mathrm {PSRR} =-20\log \mathrm {PSRR} =-20\log \left({\frac {\Delta V_{\text{offset}}}{\Delta V_{\mathrm {CC} }}}\right)

Corrientes

Equí hai dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen apurrir:

$I_{\text{offset}}=|I_{+}-I_{-}|$
$I_{\text{bias}}={\frac {I_{+}+I_{-}}{2}}$

Idealmente dambes tendríen de ser cero.

Carauterística tensión-frecuencia

Al Amplificador Operacional típicu tamién se-y conoz como amplificador realimentado en tensión (VFA). Nél hai una importante llimitación al respeutive de la frecuencia: El productu de la ganancia en tensión pol anchu de banda ye constante.

Como la ganancia en llazu abiertu ye del orde de 100.000 un amplificador con esta configuración namái tendría un anchu de banda d'unos pocos Hercios(Hz). Al realimentar negativamente báxase la ganancia a valores del orde de 10 en cuenta de tener un anchu de banda aceptable. Esisten modelos de distintos Aplificador Operacional pa trabayar en frecuencies cimeres, n'esti amplificadores prima caltener les carauterístiques a frecuencies más altes que'l restu, sacrificando a cambéu un menor valor de ganancia o otru aspeutu téunicu.

Capacidaes

L'amplificador operacional presenta capacidaes (capacitancias) parásites, que producen un amenorgamientu de la ganancia conforme auméntase la frecuencia.

Deriva térmica

Por cuenta de que una unión semiconductora varia'l so comportamientu cola temperatura, los Aplificadores Operacionales tamién camuden les sos carauterístiques, nesti casu hai qu'estremar el tipu de transistor nel que ta basáu, asina les corrientes anteriores van variar de forma distinta cola temperatura si son bipolares o JFET.

Ver tamién

Amplificador con realimentación
Amplificador d'aislamientu
Amplificador d'instrumentación
Amplificador de transconductancia variable
Amplificador realimentado en corriente
Comparador
Disparador Schmitt
Transistor

Referencies

1 2 3 Floyd, Thomas L. (2008). «L'Amplificador Operacional», Luis Miguel Cruz Castillo: Dispositivo electrónicos. Pearson Educación, páx. 593. ISBN 978-970-26-1193-6.
↑ Millman, Jacob (1979). Microelectronics: Digital and Analog Circuits and Systems. McGraw-Hill, páx. 523-527. ISBN 0-07-042327-X.
↑ Horowitz, Paul (1989). The Art of Electronics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-37095-7.
↑ «Application Note 31: Op Amp Circuit Collection» (inglés). Texas Instruments. Consultáu'l 22 de xineru de 2016.
↑ «Dixital to analog converter using R 2R ladder network and 741 op amp with simulated output waveform» (inglés). i-St@r Group of Technologies. Consultáu'l 23 de xineru de 2016.

Enllaces esternos

«LM741 Operational Amplifier» (inglés). Consultáu'l 22 de xineru de 2016.
«L'Amplificador Operacional, Práutica N°7» (12 d'avientu de 2014). Consultáu'l 22 de xineru de 2016.
Lee, Thomas H. (18 de payares de 2002) (n'inglés). IC Op-Amps Through the Ages. http://webapps.calvin.edu/~pribeiro/courses/engr332/Handouts/ho18opamp.pdf. Consultáu'l 22 de xineru de 2016.
Camenzind, Hans (2005). Designing Analog Chips (n'inglés). Consultáu'l 22 de xineru de 2016.
«The Best of Bob Pease». National Semiconductor. Archiváu dende l'orixinal, el 5 de febreru de 2012. Consultáu'l 22 de xineru de 2016.
«Understanding silicon circuits: inside the ubiquitous 741 op amp» (inglés) (30 d'ochobre de 2015). Consultáu'l 22 de xineru de 2016.

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[:0-1] 1 2 3 Floyd, Thomas L. (2008). «L'Amplificador Operacional», Luis Miguel Cruz Castillo: Dispositivo electrónicos. Pearson Educación, páx. 593. ISBN 978-970-26-1193-6.

[2] Millman, Jacob (1979). Microelectronics: Digital and Analog Circuits and Systems. McGraw-Hill, páx. 523-527. ISBN 0-07-042327-X.

[3] Horowitz, Paul (1989). The Art of Electronics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-37095-7.

[4] «Application Note 31: Op Amp Circuit Collection» (inglés). Texas Instruments. Consultáu'l 22 de xineru de 2016.

[5] «Dixital to analog converter using R 2R ladder network and 741 op amp with simulated output waveform» (inglés). i-St@r Group of Technologies. Consultáu'l 23 de xineru de 2016.

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