Amplificador operacional 741

5/16/2018 Amplificador operacional 741 - slidepdf.com

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Amplificador operacional 741

Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O., op-amp u OPAM), es un circuito electrónico

(normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la

diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G·(V+ − V−)

Originalmente los amplificadores operacionales se empleaban para operaciones matemáticas (suma,

resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas, de ahí su

nombre.

Sin embargo, sus aplicaciones en la actualidad son múltiples y variadas: generadores de ondas, filtros

dinámicos, amplificadores de señal, comparadores de voltaje, temporizadores, etc. Las características de

un amplificador operacional son:

ALTA impedancia de entrada.

BAJA impedancia de salida.

GRAN ganancia de tensión entre los circuitos de entrada y salida (tiende a infinito).

AMPLIFICA LINEALMENTE (sin distorsión) señales de corriente continua y alterna.

El Amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un

ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún

ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:

V+: entrada no inversora

V-: entrada inversora

VOUT: salida

VS+: alimentación positiva

VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en

FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad. A la

entrada V+ se la conoce como entrada no inversora (non-inverting input), contacto 3 del circuito

integrado dibujado más arriba. A la entrada V- se la conoce como entrada inversora (inverting input),



contacto 2 del circuito integrado dibujado más arriba. VOUT es el terminal de salida (output), contacto

6 del circuito integrado.

Comportamiento en corriente continua (DC)

Lazo abierto

Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un

factor. Este factor suele ser del orden de 100.000(que se considerará infinito en cálculos con el

componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser

100.000 V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la

alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para su uso en

comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida

será VS+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación VS-.

Lazo cerrado o realimentado

Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una realimentación

negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos

entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata + sube y, por tanto, la tensión en la

salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata -, la tensión en esta pata

también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la

salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos

entradas, idealmente, con el mismo valor.

Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito:

V+ = V- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual).

I+ = I- = 0

Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito

amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y

una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de

entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La

menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente eléctrica de

mejores características. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del

amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación,

que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es

mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.

Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a

través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más aplicado es obtener un

oscilador para el generar señales oscilantes.



Comportamiento en corriente alterna (AC)

En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas

frecuencias aparecen limitaciones.

Saturación

Un A.O. típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de

saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que

satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos

comparadores.

Tensión de offset

Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de salida es

nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta

tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de

operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de la temperatura (T)

del operacional como sigue:

Donde T0 es una temperatura de referencia.

Un parámetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensión de offset en la entrada de

un operacional es el CMRR (Rechazo al modo común).

Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le llama PSRR

(power supply rejection ratio, relación de rechazo a la fuente de alimentación). La PSRR es la variación

del voltaje de offset respecto a la variación de los voltajes de alimentación, expresada en dB. Se calcula

como sigue:

Corrientes

Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar:

Idealmente ambas deberían ser cero.

Característica tensión-frecuencia



Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él hay una

importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de

banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo

tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios (Hz). Al realimentar negativamente se baja la

ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de

diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener las

características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u

otro aspecto técnico.

Capacidades

El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la

ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

Deriva térmica

Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los A.O. también

cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado,

así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.

Configuraciones

Comparador

a) Como comparador: Compara dos señales eléctricas. Si V+ >V- , entonces a la salida hay una señal (igual

a la tensión de alimentación, +Ecc ) y si V+ < V- entonces es igual a -Ecc . Si V+= V , entonces a la la

salida es cero.

Inversor

La ganancia A del amplificador se halla conectando el amplificador del siguiente modo



En este caso, la tensión de salida tendrá el signo distinto a la tensión de entrada y su valor viene dado

por la expresión.

A es la ganancia del amplificador

No inversor

La ganancia A del amplificador se halla conectando el amplificador del siguiente modo

En este caso, la tensión de salida tendrá signo idéntico a la tensión de entrada y su valor viene dado por

la expresión

Integrador ideal

Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)



Como su nombre indica, los amplificadores operacionales, se encargan

de amplificar las señales eléctricas que tienen a la entrada. A diferencia

de los transistores tienen una ganancia muy alta (200000 a 10000000).

Pero la tensión de salida, aunque amplifica la de entrada con esta

ganancia, nunca supera a la tensión de alimentación.

Los amplificadores operacionales se emplean en circuitos de control de

temperatura, luminosidad, humedad, detectores de incendios, receptores d

radio y televisión, etc...

El famoso circuito integrado 741 es un amplificador operacional alojado en

una cápsula de tipo DIP8, de 8 pines.

Estructura interna del 741

Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características ideales es importante entender la forma

en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen básicamente la misma

estructura interna, que consiste en tres etapas:

Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia

de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.

Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de

salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.



Rangos Absolutos Máximos (TA = 25°C)



Características Eléctricas (VCC = 15V, VEE = - 15V. TA = 25 °C)



Dimensiones Mecánicas

Circuitos elaborados con el Amplificador Operacional 741



Indicador de temperatura

Controlador de temperatura

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