PRINCIPIOS BASICOS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

El amplificador operacional ideal.-

Los fundamentos básicos del amplificador operacional ideal son relativamente fáciles. Quizás, lo mejor para entender el amplificador operacional ideal es olvidar todos los pensamientos convencionales sobre los componentes de los amplificadores, transistores, tubos u otros cualesquiera. En lugar de pensar en ellos, piensa en términos generales y considere el amplificador como una caja con sus terminales de entrada y salida. Trataremos, entonces, el amplificador en ese sentido ideal, e ignoraremos qué hay dentro de la caja.

Fig. 1

V0 = a Vd a = infinito Ri = infinito Ro = 0 BW (ancho de banda) = infinito V0 = 0 sí Vd = 0

En la figura 1 se muestra un amplificador idealizado. Es un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida. Con una tensión de entrada diferencial, Vd, la tensión de salida, Vo, será a Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizarán siempre independientemente de la aplicación. La señal de salida es de un sólo terminal y está referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares ( ± )

Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, podemos definir ahora las propiedades del amplificador ideal. Son las siguientes:

1. La ganancia de tensión es infinita:

Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearán repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se pude, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores operacionales

741 con encapsulado metálico TO

Un amplificador operacional (comúnmente abreviado electrónico (normalmente se presenta como salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los μA702 (1964), diseñado por Bob WiWidlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para multiplicación, división, integraciónnombre.

El A.O. ideal tiene una gananciabanda también infinito, una impedancia de salida nulningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las de entrada son cero.

propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearán repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se pude, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores

741 con encapsulado metálico TO-5.

Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O. u op-amp), 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)

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de

Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en

se empleaban para operaciones matemáticas integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas

ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y

. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las

propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearán repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se pude, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores

), es un circuito ) que tiene dos entradas y una

salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G)

, fue el Fairchild (1965), también de

Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en

(suma, resta, calculadoras analógicas. De ahí su

de entrada infinita, un ancho de a, un tiempo de respuesta nulo y

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

El símbolo de un MONOLITICO

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 ejemplo en los basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en

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

Tabla de Características Ideales y Reales

Parámetro Valor ideal Valor real

Zi ∞ 1 MΩ

Zo Φ 100 Ω

Bw ∞ 1 MHz

Av ∞ 100.000

Ac Φ

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

: entrada no inversora

: alimentación positiva : alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en los respectivamente. Para los basados en BJT son VCC

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por

Características Ideales y Reales

Valor real

1 MΩ

100 Ω

1 MHz

100.000

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

CC y VEE.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por

Nota: Los valores reales dependen del modelo, estos valores son genéricos y son una referencia. Si vas a usar amplificadores operacionales, es mejor consultar el datasheet o características del fabricante.

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 calculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000V. 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. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación 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 se supondrá 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

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. (Ver sección de

Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op

Análisis

Para analizar un circuito en el que haya habitual es:

1. Comprobar si tiene realimentación negativa2. Si tiene realimentación nega3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito4. Aplicar el método de los nodos

salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)

5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

Configuraciones

Comparador

Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.

Seguidor

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la

Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más

oscilador para el generar señales oscilantes.

Comportamiento en corriente alterna (AC)

cipio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones

Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno

Comprobar si tiene realimentación negativa Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anteriorDefinir las corrientes en cada una de las ramas del circuito

método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que

Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la

Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más

cipio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a limitaciones)

puede usarse cualquier método, pero uno

apartado anterior

del circuito excepto en los de amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que

Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión

aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.

Se usa como un buffer(conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)

Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: V Zin = ∞

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísimaprácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exmedir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto conexiones.

Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es resistencia de la línea de cableado es relación entre la tensión medida por el voltímetro ((Vg) será la correspondiente a este

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la

Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida.

Inversor

buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y

Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y

Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la resistencia interna del sensor es R

medida por el voltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor ) será la correspondiente a este divisor de tensión:

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión en el sensor y el cableado.

Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida.

o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y

, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un

actas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del

formado por sensor, cableado y

(entrada del amplificador), la Rg, entonces la

) y la tensión generada por el sensor

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la

en el sensor y el cableado.

Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el , lo cual puede afectar a la

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la pero con la fase invertida 180 grados.

El análisis de este circuito es el siguiente: o V+ = V- = 0

o Definiendo corrientes:

o Para el resto de circuitos el análisis es similar. Zin = Rin

Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección de R

Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador, sumador. En sistemas microelectronicos se puede utilizar como buffer, poniendo 2 en cascada.

No inversor

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en eligual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados.

El análisis de este circuito es el siguiente:

Definiendo corrientes: y de aquí se despeja

Para el resto de circuitos el análisis es similar.

ntrolar la impedancia de entrada mediante la elección de R

Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador,

mas microelectronicos se puede utilizar como buffer, poniendo 2 en

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

señal de entrada (en forma)

y de aquí se despeja

ntrolar la impedancia de entrada mediante la elección de Rin.

Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador,

mas microelectronicos se puede utilizar como buffer, poniendo 2 en

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos pin positivo es

igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo

Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.

Sumador inversor

La salida está invertida Para resistencias independientes R

o La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Z

Restador

Para resistencias independientes R

o Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales La impedancia diferencial entre dos entradas es Z Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una

en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el instrumentación.

Integrador ideal

os supone una ventaja frente al amplificador inversor.

La salida está invertida Para resistencias independientes R1, R2,... Rn

La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valorImpedancias de entrada: Zn = Rn

Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias igualesLa impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2 Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada bajaen comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de

os supone una ventaja frente al amplificador inversor.

La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales

resistencia de entrada baja amplificador de

Integra e invierte la señal (V

o Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor.

Derivador ideal

Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

Este circuito también se usa como filtro

NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

Conversor de corriente a voltaje

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

es la tensión de salida en el origen de tiempos

El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son

los basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor.

Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

también se usa como filtro

Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el

Conversor de corriente a voltaje

son funciones dependientes del tiempo)

El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son

los basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor.

Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el

El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una fuente de corriente.

Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante de entrada y el voltaje de salida es:

Funcion exponencial y logarítmica

El logaritmo y su función inversa, la configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la funcion exponencial a la señal de entrada.

La señal de entrada, desarrollara una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el diodo en aproximación. Ello en conjunto con la resistencia de salida Rtensión de salida(Vout) como producto de la tension de entrada(Vin) es:

Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parametros de la ecuación del diodo.

or de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador de a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional

a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una

Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y el voltaje de salida es:

Funcion exponencial y logarítmica

y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la funcion exponencial a

La señal de entrada, desarrollara una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el en aproximación. Ello en conjunto con la resistencia de salida R, la dependencia de la

tensión de salida(Vout) como producto de la tension de entrada(Vin) es:

Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parametros de la ecuación del diodo.

Amplificador de a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional

a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una

entre la corriente

, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la funcion exponencial a

La señal de entrada, desarrollara una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el , la dependencia de la

Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de

Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posicion del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación,esta ecuacion también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tension de salida con relacion a la de entrada:

En la práctica la realizacion de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usan cualquier efecto no deseado, como es mayormente la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuracion queda inalterado.

En la realizacion de estos circuitos también podrían haceejemplo en el amplificador antilogaritmico las multiplicaciones son adiciones , mientras que en el logaritmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificsumador, y a la salida, un antilogaritmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analogico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada.

Otros

Osciladores, como el puente de Wien Convertidores carga-tensión Filtros activos Girador permite construir convertidores de inmitancias (simular un

empleando un condensador, por ejemplo).

Aplicaciones

Calculadoras analógicas Filtros Preamplificadores y buffers de audio y video Reguladores Conversores Evitar el efecto de carga Adaptadores de niveles (por ejemplo

simplemente se necesita cambiar la posicion del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación,esta ecuacion también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tension de salida con

En la práctica la realizacion de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usan transistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como es mayormente la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuracion queda

En la realizacion de estos circuitos también podrían hacerse conexiones multiples, por ejemplo en el amplificador antilogaritmico las multiplicaciones son adiciones , mientras que en el logaritmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificadores logaritmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un antilogaritmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analogico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada.

puente de Wien tensión

Girador permite construir convertidores de inmitancias (simular un empleando un condensador, por ejemplo).

Calculadoras analógicas

Preamplificadores y buffers de audio y video

efecto de carga Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)

simplemente se necesita cambiar la posicion del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación,esta ecuacion también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tension de salida con

En la práctica la realizacion de estas funciones en un circuito son más complicadas de , para minimizar

cualquier efecto no deseado, como es mayormente la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuracion queda

rse conexiones multiples, por ejemplo en el amplificador antilogaritmico las multiplicaciones son adiciones , mientras que en el logaritmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir ello, por ejemplo, se

adores logaritmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un antilogaritmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador

Girador permite construir convertidores de inmitancias (simular un inductor

Estructura interna del 741

Aunque es usual presentar al importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta.

Los diseños varían entre cadbásicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

1. Amplificador diferencialamplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suminist

necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.

Etapa de entrada

Diagrama electrónico del operacional 741.

Sistema de corriente constante

Las condiciones de reposo de la etapa de entrada se fijan mediante una red de alimentación negativa de alta ganancia cuyos bloques principales son los dos lado izquierdo de la figura, delineados con rojo. El propósito principal de la realimentación negativa (suministrar una corriente estable a la etapa diferencial de entrada) se realiza como sigue.

La corriente a través de la resistencia de 39 klas demás corrientes de polarización usadas en el integrado. La tensión sobre esta

resistencia es igual a la tensión entre los bornes de alimentación (

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

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los 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

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

Diagrama electrónico del operacional 741.

Sistema de corriente constante

Las condiciones de reposo de la etapa de entrada se fijan mediante una red de alimentación negativa de alta ganancia cuyos bloques principales son los dos espejos de corrientelado izquierdo de la figura, delineados con rojo. El propósito principal de la realimentación negativa (suministrar una corriente estable a la etapa diferencial de entrada) se realiza como

La corriente a través de la resistencia de 39 kΩ actúa como una referencia de corriente para las demás corrientes de polarización usadas en el integrado. La tensión sobre esta

resistencia es igual a la tensión entre los bornes de alimentación (

con características ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las

a fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen

etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida

rar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a

Las condiciones de reposo de la etapa de entrada se fijan mediante una red de alimentación espejos de corriente del

lado izquierdo de la figura, delineados con rojo. El propósito principal de la realimentación negativa (suministrar una corriente estable a la etapa diferencial de entrada) se realiza como

úa como una referencia de corriente para las demás corrientes de polarización usadas en el integrado. La tensión sobre esta

) menos dos

caídas de diodo de transistor (Q11 y Q12), por lo tanto la corriente es

. El espejo de corriente Widlar formado por Q10, Q11, y la resistencia de 5Kohm genera una pequeña fracción de Iref en el colector de Q10. Esta pequeña corriente constante entregada por el colector de Q10 suministra las corrientes de base de Q3 y Q4, así como la corriente de colector de Q9. El espejo Q8/Q9 fuerza a la corriente de colector de Q9 a ser igual a la suma de las corrientes de colector de Q3 y Q4. Por lo tanto las corrientes de base de Q3 y Q4 combinadas (que son del mismo orden que las corrientes de entrada del integrado) serán una pequeña fracción de la ya pequeña corriente por Q10.

Entonces, si la etapa de entrada aumenta su corriente por alguna razón, el espejo de corriente Q8/Q9 tomará corriente de las bases de Q3 y Q4, reduciendo la corriente de la etapa de entrada, y viceversa. El lazo de realimentación además aísla el resto del circuito de señales de modo común al forzar la tensión de base de Q3/Q4 a seguir 2Vbe por debajo de la mayor de las dos tensiones de entrada.

Amplificador diferencial

El bloque delineado con azul es un amplificador diferencial. Q1 y Q2 son seguidores de emisor de entrada y junto con el par en base común Q3 y Q4 forman la etapa diferencial de entrada. Además, Q3 y Q4 actúan como desplazadores de nivel y proporcionan ganancia de tensión para controlar el amplificador clase A. También ayudan a mejorar la máxima tensión Vbe inversa de los transistores de entrada (la tensión de ruptura de las junturas base-emisor de los transistores NPN Q1 y Q2 es de 7 V aproximadamente, mientras que los transistores PNP Q3 y Q4 tienen rupturas del orden de 50 V).

El amplificador diferencial formado por los cuatro transistores Q1-Q4 controlan un espejo de corriente como carga activa formada por los tres transistores Q5-Q7 (Q6 es la verdadera carga activa). Q7 aumenta la precisión del espejo al disminuir la fracción de corriente de señal tomada de Q3 para controlar las bases de Q5 y Q6. Esta configuración ofrece una conversión de diferencial a asimétrica de la siguiente forma:

La señal de corriente por Q3 es la entrada del espejo de corriente mientras que su salida (el colector de Q6) se conecta al colector de Q4. Aquí las señales de corriente de Q3 y Q4 se suman. Para señales de entrada diferenciales, las señales de corriente de Q3 y Q4 son iguales y opuestas. Por tanto, la suma es el doble de las señales de corriente individuales. Así se completa la conversión de diferencial a modo asimétrico.

La tensión en vacío en este punto está dada por el producto de la suma de las señales de corriente y el paralelo de las resistencias de colector de Q4 y Q6. Como los colectores de Q4 y Q6 presentan resistencias dinámicas altas a la señal de corriente, la ganancia de tensión a circuito abierto de esta etapa es muy alta.

Nótese que la corriente de base de las entradas no es cero y la impedancia de entrada efectiva (diferencial) de un 741 es del orden de 2 MΩ. Las patas "offset null" pueden usarse para conectar resistencias externas en paralelo con las dos resistencias internas de 1 kΩ

(generalmente los extremos de un potenciómetro) para balancear el espejo Q5/Q6 y así controlar indirectamente la salida del operacional cuando se aplica una señal igual a cero a las entradas.

Etapa de ganancia clase A

El bloque delineado con magenta es la etapa de ganancia clase A. El espejo superior derecho Q12/Q13 carga esta etapa con una corriente constante, desde el colector de Q13, que es prácticamente independiente de la tensión de salida. La etapa consiste en dos transistores NPN en configuración Darlington y utiliza la salida del espejo de corriente como carga activa de alta impedancia para obtener una elevada ganancia de tensión. El condensador de 30 pF ofrece una realimentación negativa selectiva en frecuencia a la etapa clase A como una forma de compensación en frecuencia para estabilizar el amplificador en configuraciones con relimentación. Esta técnica se llama compensación Miller y funciona de manera similar a un circuito integrador con amplificador operacional. También se la conoce como "compensación por polo dominante" porque introduce un polo dominante (uno que enmascara los efectos de otros polos) en la respuesta en frecuencia a lazo abierto. Este polo puede ser tan bajo como 10 Hz en un amplificador 741 e introduce una atenuación de -3 dB a esa frecuencia. Esta compensación interna se usa para garantizar la estabilidad incondicional del amplificador en configuraciones con realimantación negativa, en aquellos casos en que el lazo de realimentación no es reactivo y la ganancia de lazo cerrado es igual o mayor a uno. De esta manera se simplifica el uso del amplificador operacional ya que no se requiere compensación externa para garantizar la estabilidad cuando la ganancia sea unitaria; los amplificadores sin red de compensación interna pueden necesitar compensación externa o ganancias de lazo significativamente mayores que uno.

Circuito de polarización de salida

El bloque delineado con verde (basado en Q16) es un desplazador de nivel de tensión (o multiplicador de Vbe); un tipo de fuente de tensión. En el circuito se puede ver que Q16 suministra una caída de tensión constante entre colector y emisor independientemente de la corriente que lo atraviesa. Si la corriente de base del transistor es despreciable, y la tensión entre base y emisor (y a través de la resistencia de 7.5 kΩ) es 0.625 V (un valor típico para un BJT en la región activa), entonces la corriente que atraviesa la resistencia de 4.5 kΩ será la misma que atraviesa 7.5 kΩ, y generará una tensión de 0.375 V. Esto mantiene la caída de tensión en el transistor, y las dos resistencias en 0.625 + 0.375 = 1 V. Esto sirve para polarizar los dos transistores de salida ligeramente en condicción reduciendo la distorsión "crossover". En algunos amplificadores con componentes discretos esta función se logra con (generalmente dos en serie) diodos de silicio.

Etapa de salida

La etapa de salida (delineada con cian) es un amplificador seguidor de emisor push-pull Clase AB (Q14, Q20) cuya polarización está fijada por el multiplicador de Vbe Q16 y sus dos resistencias de base. Esta etapa está controlada por los colectores de Q13 y Q19. Las variaciones en la polarización por temperatura, o entre componentes del mismo tipo son comunes, por lo tanto la distorsión "crossover" y la corriente de reposo puede sufrir

variaciones. El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menos que la tensión de alimentación, debido en parte a la tensión Vbe de los transistores de salida Q14 y Q20.

La resistencia de 25 Ω en la etapa de salida sensa la corriente para limitar la corriente que entrega el seguidor de emisor Q14 a unos 25 mA aproximadamente para el 741. La limitación de corriente negativa se obtiene sensando la tensión en la resistencia de emisor de Q19 y utilizando esta tensión para reducir tirar hacia abajo la base de Q15. Versiones posteriores del circuito de este amplificador pueden presentar un método de limitación de corriente ligeramente diferente. La impedancia de salida no es cero, como se esperaría en un amplificador operacional ideal, sin embargo se aproxima a cero con realimentación negativa a frecuencias bajas.

Nota: aunque el 741 se ha utilizado históricamente en audio y otros equipos sensibles, hoy en día es raro debido a las características de ruido mejoradas de los operacionales más modernos. Además de generar un "siseo" perceptible, el 741 y otros operacionales viejos pueden presentar relaciones de rechazo al modo común muy pobres por lo que generalmente introducirán zumbido a través de los cables de entrada y otras interferencias de modo común, como chasquidos por conmutación, en equipos sensibles.

El "741" usualmente se utiliza para referirse a un operacional integrado genérico (como el uA741, LM301, 558, LM342, TBA221 - o un reemplazo más moderno como el TL071). La descripción de la etapa de salida del 741 es cualitativamente similar a la de muchos otros diseños (que pueden tener etapas de entrada muy diferentes), excpetuando que:

Algunos dispositivos (uA748, LM301, LM308) no tienen compensación interna (necesitan un condensador externo entre la salida y algún punto intermedio en el amplificador operacional, si se utilizan en aplicaciones de baja ganancia de lazo cerrado).

Algunos dispositivos modernos tienen excursión completa de salida entre las tensiones de alimentación (menos unos pocos milivoltios).

Parámetros

Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia de realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.

Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas entradas del operacional.

Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través de resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor cero.

Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del operacional que hace que su salida tome el valor cero.

Margen de entrada difeentradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones.

Corrientes de polarización (entradas del operacional en ausenci

Slew rate. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima respecto de la variación del tiempo. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el Slew Rate. Se mide en V/μs, kV/μs o similares. El slew rate estcompensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales. Existen amplificadores no compensados (con mayor slew rate) usados principalmente en comparadores, y en circuitos osciladores, debido de hecho a su alto riesgo de oscilación.

Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en inglés). Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.

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 appor ejemplo en circuitos comparadores.

Un concepto asociado a éste es el

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 usoffset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de la

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 (

Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relacióLa PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a la variación de los voltajes de

Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las

Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de señal

. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima respecto de la variación del tiempo. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el Slew Rate. Se mide en V/μs, kV/μs o similares. El slew rate está limitado por la

ensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales. Existen amplificadores no compensados (con mayor slew rate) usados principalmente en comparadores, y en circuitos osciladores, debido de hecho a su alto riesgo de oscilación.

n de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en . Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo

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 appor ejemplo en circuitos comparadores.

Un concepto asociado a éste es el Slew rate

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:

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

. Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las

. Corriente media que circula por las

. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima respecto de la variación del tiempo. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el Slew

á limitado por la ensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales.

Existen amplificadores no compensados (con mayor slew rate) usados principalmente en comparadores, y en circuitos osciladores, debido de hecho a su

n de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en . Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo

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

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

o de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset

(T) del operacional como sigue:

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

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

IOFFSET = | I + − I − |

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 orconfiguración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio debanda 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 gananci

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 comportamientoA.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 dela temperatura si son bipolares o JFET

alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:

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

Idealmente ambas deberían ser cero.

frecuencia

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. 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.

presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de

en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET

alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:

fabricantes suelen proporcionar:

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

den de 100.000 un amplificador con esta . Al realimentar

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

a u otro aspecto técnico.

presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una

con la temperatura, los también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de

forma diferente con