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.
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.)
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.
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 (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.