Autor:  Electrónica en Acción Nro 1.

Las características de elevada resistencia de entrada, baja corriente de consumo, bajo nivel de ruido y baja tensión de alimentación, hacen de los amplificadores operacionales con transistores de efecto de campo en la entrada, componentes destinados a satisfacer una gama de aplicaciones muy amplia, donde los amplificadores convencionales no pueden ofrecer el mismo desempeño.

En los amplificadores operacionales BIFET, encontramos combinados, transistores de efecto de campo JFET con transistores bipolares en una única pastilla, o sea, se trata de un montaje monolítico. El proceso de implantación iónica usado para hacer los transistores BIFET arroja como resultado componentes de características muy cercanas, o transistores muy bien apareados. Eso significa una operación verdadera en clase A-B en la etapa de salida, con una distorsión por "cross-over" casi nula, así como una distorsión armónica muy baja.

Los transistores de efecto de campo se caracterizan también por una impedancia muy  alta de entrada, que se refleja directamente en las características de entrada del amplificador operacional.

Esta impedancia es del orden de 1012 ohm y las corrientes de polarización de entrada se sitúan en la banda de los picoampere (pA). La mayoría de los amplificadores operacionales presentan tasas de crecimiento de 13V/µs, y una banda típica para ganancia  unitaria de 3MHz. Es preciso tener en cuenta que  las tensiones de offset de estos amplificadores, así como el nivel de ruido de entrada, es mayor del que presentan los amplificadores operacionales con transistores bipolares.

Algunos amplificadores operacionales BIFET poseen un ajuste de potencia, hecho a través de un resistor externo, que permite la selección del nivel de corriente de operación. Al mismo tiempo que este control permite ajustar mejor la disipación de potencia, también significa un control mayor sobre la banda de frecuencias de operación.

Un ejemplo de amplificador operacional con estas características es el TL066 BIFET de Texas Instruments, que puede ser ajustado para una corri- ente sin señal de 5 a 200µA.

El principal uso para este tipo de amplificador operacional, es en equipos de telecomunicaciones alimentados por batería, donde el consumo de energía es un factor de  gran importancia para elproyecto.

En la tabla 1 damos las características de los principales amplificadores operacionales BIFET de Texas, con los parámetros de mayor importancia. Hacemos referencia a esta empresa, dado que de sus manuales hemos obtenido la información objeto de este artículo, pero lo dicho es válido para los componentes fabricados por cualquier empresa.

Observamos que, en la tabla 1, las diferencias de los elementos de cada familia, se refieren al número de operacionales por cubierta como base.

El proceso denominado "Linear silicon-gate CMOS", tuvo como resultado una familia de componentes con el nombre "LinCMOS". Estos componentes combinan las características de la alta velocidad de los amplificadores operacionales con la baja corriente de consumo, alta impedancia de entrada y baja tensión de operación de los componentes CMOS. Los componentes LinCMOS presentan las características de mejor offset y de tensión, que muchos equivalentes con transistores bipolares y, además, superan las limitaciones de estabilidad y banda de frecuencias impuestas en los proyectos de circuitos lineales con elementos CMOS de puerta metálica.

El primer inconveniente de usar elementos bipolares convencionales de puerta metálica CMOS en aplicaciones lineales, son los desplazamientos indeseables de los umbrales de tensión que ocurren con el tiempo, con variaciones de temperatura y tensiones de  compuerta. Estos desplazamientos, ocasionados  por el movimiento de iones de sodio en el interior de los transistores del integrado, son frecuentemente de intensidad mayor que 10mV/V de la tensión aplicada en la compuerta.

Con la tecnología LinCMOS, este problema es superado con el reemplazo de las puertas metálicas por puertas con polisilicon dopado con fósforo, lo que retiene los iones de sodio. El resultado es la producción de circuitos integrados lineales con bajas tensiones offset de entrada (2 a 10mV) y que varían muy poco alrededor de los valores originales.

Las series TLC251 y TLC271 de amplificadores operacionales de uso general, poseen bajas tensiones offset de entrada y típicamente varían solamente 0,1µV por mes, y 0,7µV por grado Celsius.

La tensión offset extremadamente baja puede ser todavía más reducida mediante la utilización de las entradas de "ajuste de nulo" existentes en el componente.

Al contrario de los dispositivos CMOS de puerta metálica, la entrada de los dispositivos LinCMOS no es sensible a las tensiones excesivas de entrada.

Además de proporcionar tensiones de offset de entrada estables, la tecnología LinCMOS produce también dispositivos con bandas de frecuencias que son de dos a tres veces más amplias que las de los equivalentes de puerta metálica. Esto ocurre porque las puertas de silicio en los transistores LinCMOS están formadas durante la misma fase del proceso en que se forman la fuente y el drenaje. Como resultado, la fuente, puerta y drenaje son "autoalineadas". En contraste, las puertas metálicas se forman después de la difusión de la fuente y del drenaje, necesitando así un proceso adicional para el alineamiento de la fuente, puerta y drenaje. Los transistores LinCMOS con puertas autoalineadas poseen una capacidad puerta-drenaje que es aproximadamente un séptimo de la que se encuentra en un circuito integrado CMOS con puerta metálica. Esto aumenta la banda de operación y la velocidad de los componentes LinCMOS.El TLC251 y el TLC271, amplificadores operacionales LinCMOS, ofrecen una banda de operación de 2,3MHz y un tiempo de crecimiento de 60ns, con 25% de "overshoot", y una tasa de crecimiento de 4,5V/µs. Estas velocidades son mejores que las de la mayoría de los amplificadores operacionales bipolares, y muchas veces mayores que las de los equivalentes CMOS de puertas metálicas.

Ventajas de los amplificadores operacionales LinCMOS

Las series de amplificadores operacionales TL251 y TL271 proporcionan una baja tensión de offset de entrada (10mv máximo), lo que mantiene una alta estabilidad con el tiempo y temperatura y no es sensible a las sobrecargas de tensión. Estos amplificadores también pueden obtenerse con tensiones más estrechas de offset de entrada, garantizadas por el fabricante.

Los amplificadores operacionales de las series TLC251 y TLC271 pueden ser ajustados para operar con polarización baja, media o alta. Para ello basta conectar el pin de selección de polarización al Vdd para polarización baja; a la tierra para polarización alta, o bien a una tensión de mitad de Vdd para polarización mediana. Por la elección de la polarización apropiada se puede seleccionar el tipo de performance y consumo de potencia, de acuerdo con las necesidades del proyecto.

Cuando están operando con polarización alta, en un Vdd igual a 10V, estos componentes drenan una corriente de 100µA (Idd) para 10mW de disipación y proporcionan una tasa de crecimiento de 4,5V/µs y una banda pasante de 2,3MHz. En la polarización baja, con Vdd = 10V e Idd de 10µA, que resulta en una disipación de 100µW, la tasa de crecimiento del componente es de 0,04 V/µs y la banda pasante de 100kHz. En la polarización baja y con una alimentación de 1V, el TLC251 consume solamente 10µW, lo que lo hace ideal para aplicaciones en que la fuente de alimentación es una batería. Creo que estos datos son importantes para saber qué elemento utilizar cuando se va a encarar el proyecto de un  circuito electrónico.