Amplificadores Operacionales

 

Historia

 

La compañía Fairchild Semiconductor (en 1965), introdujo en el mercado el uA709, el primer amplificador operacional monolítico ampliamente usado. Aunque disfrutó de un gran éxito, esta primero generación de amplificadores operacionales tenía muchas desventajas. Este hecho condujo a fabricar un amplificador operacional mejorado, el uA741. Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el uA741 ha tenido un enorme éxito. Otros diseños del 741 han aparecido a partir de entonces en el mercado. Por ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el LM741 y Texas Instruments el SN72741. Todos estos amplificadores operacionales son equivalentes al uA741, ya que tienen las mismas especificaciones en sus hojas de características. Para simplificar el nombre, la mayoría de la gente ha evitado los prefijos y a este amplificador operacional de gran uso se le llama simplemente 741.

 

Offset (Voltaje de corrimiento de salida) y Sensibilidad a Temperatura

 

        Cuando se usa un amplificador operacional como amplificador de cd, vsal debe ser cero cuando el voltaje de entrada vent es cero. En la realidad aparece un voltaje de cd en la salida de amplificadores operacionales reales aún cuando no esté presente una señal de voltaje de entrada. Este voltaje de corrimiento de salida (Offset) puede limitar en forma drástica la exactitud del amplificador. Hay dos componentes principales que producen el voltaje de corrimiento de salida, cada uno causado por un efecto diferente: 1) voltaje de corrimiento de entrara y 2) corriente de polarización de entrada.

 

        1) El voltaje de corrimiento de entrada vio es un voltaje pequeño, relativamente constante, pero depende de la temperatura, que existe entre las terminales de entrada de un amplificador operacional aún cuando no haya señal de entrada. Se origina por acoplamientos imperfecto de características componentes dentro de la etapa de entrada del amplificador. Puede manejarse como un pequeño voltaje en serie con uno de las entradas. Por lo tanto a menos de que sea compensado vio se amplificará por el mismo factor que la señal de entrada, y vsal no será cero aún cuando vent=0. en la mayor parte de los amplificadores, se tiene forma de ajustar a vio a cero a una determinada temperatura constante (p. ejemplo 25° C) con un potenciómetro externo. Sin embargo, como los cambios de temperatura cambiarán el estado de balance en la etapa de entrada, volverá a reaparecer algo de voltaje de entrada Dvio debido a tales variaciones de temperatura (por ejemplo Dvio puede ser de 0.1 a 75mV/°C dependiendo del amplificador operacional específico). Si se requiere una deriva total mínima (después de anular el voltaje de corrimiento de entrada) se debe seleccionar un amplificador con especificaciones de una deriva baja de corrimiento para la aplicación.

 

        2) Corriente de polarización de entrada ib es la corriente que fluye por las entradas de una amplificador no ideal (es decir, Zent ¹ ¥) debido a fuga de corrientes, corrientes de compuerta, etc., de los componentes del amplificador. Se encuentra presente aún cuando vent=0 y puede ir desde 1.0 mA hasta de 1pA (en amplificadores operacionales de transistores de efecto de campo con impedancia de entrada muy alta). La caída de voltaje generada por ib a través de las resistencias de entrada Rent y Rf origina que aparezca un voltaje vb en las entradas del amplificador según

 

vb=ia(RentRf)/(Rent+Rf)

 

Como con vio, el vb se amplifica con el mismo factor que la señal de entrada. Para reducir al mínimo vb (y reducir así cualquier error en Vsal originado por ib), 1) la resistencia paralela de Rf y Rent debe ser pequeña, o bien 2) se debe emplear un amplificador operacional con ib baja, o bien 3) se debe conectar una resistencia equivalente, Ref=(Rf en paralelo con Rent) al a configuración (+) de entrada que se muestra en la figura. Esta última técnica hace que aparezca un voltaje vb (-) en la entrada (+) y sirve para cancelar a vb debido a que ib aparece en la terminal (-). Así, si ib(+)=ib(-), se puede hacer razonablemente pequeño el voltaje de corrimiento debido a ib. (Nótese que ib también es muy sensible a cambios de temperatura y se debe consultar la especificación del amplificador operacional referente a Dib/DT si se sospecha de la existencia de este problema.)

 

Ganancia de voltaje

 

        Una principal fuente de error en las aplicaciones de los amplificadores operacionales puede deberse al hecho de que la ganancia de circuito abierto del amplificador operacional no es infinita. En realidad, la ganancia del circuito abierto de los amplificadores reales difiere del ideal en dos aspectos: 1) la ganancia de corriente directa no es infinita, y 2) el ancho de banda no es infinito. El efecto de la ganancia de cd no infinita sobre la ganancia real de circuito cerrado de la configuración de amplificador inversor es reducida la ganancia real de su valor ideal. Para mantener el error debido a este efecto por debajo del 0.1 por ciento, se debe obedecer la siguiente relación:

 (AvolRent)/Rf≥102

 

Siendo AVOL la ganancia del amplificador operacional en circuito abierto. Esta limitación no es severa, porque AVOL es típicamente mucho mayor que 104.

 

Tiempo de Respuesta

 

        Un error debido a las características de los amplificadores operacionales reales es su incapacidad para cambiar instantáneamente el valor de su voltaje de salida. Esto quiere decir que su tiempo de respuesta es finita. Por ejemplo, si se aplica una onda cuadrada o una senoidal al amplificador, se tendrá una distorsión en la salida bajo condiciones de limitación de velocidad de cambio. Bajo respuesta limitada por la velocidad máxima hasta que alcanza el valor de salida requerida. Bajo repuesta limitada por la velocidad de cambio, el voltaje de salida cambiará a una velocidad de cambio máxima (SR – Slew Rate) de

 

SR=∆V/∆t

 

        Lo usual es especificar la velocidad de cambio en términos de volts por microsegundo (V/us) y puede variar desde 1 V/us hasta 1000 V/us. La relación entre la velocidad de cambio, la amplitud máxima de una salida senoidal (Vp) y la frecuencia máxima no distorsionada (fm) está dada por

 

SR=2pfrsVp

 

        Así una salida de amplificador operacional tiene una amplitud de 2 V y si su velocidad de cambio es de 5 V/us, la frecuencia máxima de entrada senoidal que no producirá distorsión en la señal de salida es 796 kHz.

 

Tiempo de Subida

 

        Tiempo de Subida (tr) es el tiempo necesario para que el voltaje de salida de una amplificador. Esto es, tr es el tiempo necesario para que el voltaje de salida de un amplificador cambie entre los valores de 10 y 90 por ciento de su valor final cuando se aplica una función escalón a su entrada.

 

        Aunque no existen los generadores perfectos (ideales) de función escalón, hay algunos instrumentos electrónicos que pueden producir ondas de subida de los amplificadores se estén probando. Cuando se emplean esos dispositivos para probar un amplificador, el tiempo de subida del amplificador se define como esa función escalón aplicada. También, las pruebas de los tiempos de subida sirven para demostrar un punto importante acerca de los amplificadores: La señal de salida de una amplificador no cambia los niveles de voltaje con mayor rapidez que el tiempo de subida del amplificador, sin importar cuán corto sea el tiempo de subida de la señal de entrada.

 

        Los tiempos de subida también se suman entre si como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los tiempos de subida individuales en cuestión:

trTOT=Ö(tr12+tr22)

 

Por ejemplo, si una señal a prueba tiene un tiempo de subida de trs, que es igual al tiempo de subida tr del amplificador al cual se aplica, la señal observada tendrá un tiempo de subida trTOT  que está dado por

 

trTOT=Ötrs  (ya que trs=trA)

o bien

trTOT=1.4trs

 

Nótese que en este caso el tiempo observado de subida de la señal de entrada (expresado como trTOT) hubiera tenido un error del 40 por ciento.

 

Nota: Sobre cresta o OVER SHOT, no tuve los recursos necesarios para encontrar este tema, la bibliografía en general es: 1) Guía para mediciones electrónicas, Stanley Wolf, Richard F.M. Smith, Prentice Hall, 2) Análisis de Circuitos en Ingeniería, William H. Hayt, Jr., Mc GrawHill, Quinta Edición, 3) Boylestad: Fundamentos de Electrónica, 4 edición, Prentice Hall, 4) Buscadores en Internet: www.google.com y www.alltheweb.com