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Un amplificador operacional (a menudo amp op o opamp ) es un acoplada-DC de alta ganancia de tensión electrónico amplificador con una entrada diferencial y, por lo general, un solo extremo de salida. [1] En esta configuración, un amplificador operacional produce un potencial de salida (en relación con la tierra del circuito) que suele ser 100.000 veces mayor que la diferencia de potencial entre sus terminales de entrada. Los amplificadores operacionales tuvieron su origen en las computadoras analógicas , donde se usaban para realizar operaciones matemáticas en circuitos lineales, no lineales y dependientes de la frecuencia.

La popularidad del amplificador operacional como un bloque de construcción en circuitos analógicos se debe a su versatilidad. Al usar retroalimentación negativa , las características de un circuito de amplificador operacional, su ganancia, impedancia de entrada y salida , ancho de banda , etc., están determinadas por componentes externos y tienen poca dependencia de los coeficientes de temperatura o la tolerancia de ingeniería en el amplificador operacional mismo.

Los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos en la actualidad, incluida una amplia gama de dispositivos de consumo, industriales y científicos. Muchos amplificadores operacionales IC estándar cuestan sólo unos centavos; sin embargo, algunos amplificadores operacionales integrados o híbridos con especificaciones de desempeño especiales pueden costar más de US $ 100 en pequeñas cantidades. [2] Los amplificadores operacionales pueden empaquetarse como componentes o usarse como elementos de circuitos integrados más complejos .

El amplificador operacional es un tipo de amplificador diferencial . Otros tipos de amplificador diferencial incluyen el amplificador completamente diferencial (similar al amplificador operacional, pero con dos salidas), el amplificador de instrumentación (generalmente construido a partir de tres amplificadores operacionales), el amplificador de aislamiento (similar al amplificador de instrumentación, pero con tolerancia al amplificador común). -voltajes de modo que destruirían un amplificador operacional ordinario) y amplificador de retroalimentación negativa (generalmente construido a partir de uno o más amplificadores operacionales y una red de retroalimentación resistiva).

Operación [ editar ]

Un amplificador operacional sin retroalimentación negativa (un comparador)

Las entradas diferenciales del amplificador constan de una entrada no inversora (+) con tensión V + y una entrada inversora (-) con tensión V - ; idealmente, el amplificador operacional amplifica solo la diferencia de voltaje entre los dos, lo que se denomina voltaje de entrada diferencial . El voltaje de salida del amplificador operacional V out viene dado por la ecuación

donde A OL es la ganancia de bucle abierto del amplificador (el término "bucle abierto" se refiere a la ausencia de un bucle de retroalimentación externo desde la salida a la entrada).

Amplificador de bucle abierto [ editar ]

La magnitud de A OL suele ser muy grande (100.000 o más para amplificadores operacionales de circuito integrado) y, por lo tanto, incluso una diferencia bastante pequeña entre V + y V - conduce al amplificador a saturación o saturación . La magnitud de A OL no está bien controlada por el proceso de fabricación, por lo que no es práctico utilizar un amplificador de bucle abierto como amplificador diferencial independiente .

Sin retroalimentación negativa y, opcionalmente, retroalimentación positiva para la regeneración , un amplificador operacional actúa como un comparador . Si la entrada inversora se mantiene a tierra (0 V), y el voltaje de entrada V in aplicado a la entrada no inversora es positivo, la salida será máxima positiva; si V in es negativo, la salida será máxima negativa. Dado que no hay retroalimentación de la salida a ninguna de las entradas, este es un circuito de bucle abierto que actúa como comparador .

Amplificador de circuito cerrado [ editar ]

Un amplificador operacional con retroalimentación negativa (un amplificador no inversor)

Si se desea un funcionamiento predecible, se utiliza retroalimentación negativa aplicando una parte del voltaje de salida a la entrada inversora. La retroalimentación de circuito cerrado reduce en gran medida la ganancia del circuito. Cuando se usa retroalimentación negativa, la ganancia y la respuesta generales del circuito están determinadas principalmente por la red de retroalimentación, en lugar de por las características del amplificador operacional. Si la red de retroalimentación está hecha de componentes con valores pequeños en relación con la impedancia de entrada del amplificador operacional, el valor de la respuesta de bucle abierto del amplificador operacional A OL no afecta seriamente el rendimiento del circuito. En este contexto, la alta impedancia de entrada en los terminales de entrada y la baja impedancia de salida en los terminales de salida son características particularmente útiles de un amplificador operacional.

La respuesta del circuito del amplificador operacional con sus circuitos de entrada, salida y retroalimentación a una entrada se caracteriza matemáticamente por una función de transferencia ; El diseño de un circuito de amplificador operacional para que tenga una función de transferencia deseada pertenece al ámbito de la ingeniería eléctrica . Las funciones de transferencia son importantes en la mayoría de las aplicaciones de amplificadores operacionales, como en computadoras analógicas .

En el amplificador no inversor de la derecha, la presencia de retroalimentación negativa a través del divisor de voltaje R f , R g determina la ganancia de bucle cerrado A CL = V out  /  V in . El equilibrio se establecerá cuando V out sea ​​suficiente para "alcanzar y tirar" de la entrada inversora al mismo voltaje que V in . La ganancia de voltaje de todo el circuito es, por lo tanto, 1 + R f / R g . Como ejemplo simple, si V in = 1 V y R f =R g , V out será 2 V, exactamente la cantidad requerida para mantener V - en 1 V. Debido a la retroalimentación proporcionada por la red R f , R g , este es un circuito de circuito cerrado .

Otra forma de analizar este circuito procede con las siguientes suposiciones (generalmente válidas): [3]

  • Cuando un amplificador operacional opera en modo lineal (es decir, no saturado), la diferencia de voltaje entre el pin no inversor (+) y el pin inversor (-) es insignificante.
  • La impedancia de entrada entre los pines (+) y (-) es mucho mayor que otras resistencias en el circuito.

La señal de entrada V in aparece en los pines (+) y (-), lo que da como resultado una corriente i a R g igual a V in / R g :

Dado que la ley de la corriente de Kirchhoff establece que la misma corriente debe salir de un nodo al entrar en él, y dado que la impedancia en el pin (-) es casi infinita, podemos asumir que prácticamente toda la misma corriente i fluye a través de R f , creando un voltaje de salida

Combinando términos, determinamos la ganancia de lazo cerrado A CL :

Características del amplificador operacional [ editar ]

Amplificadores operacionales ideales [ editar ]

Un circuito equivalente de un amplificador operacional que modela algunos parámetros resistivos no ideales.

Por lo general, se considera que un amplificador operacional ideal tiene las siguientes características: [4] [5]

  • Ganancia infinita en lazo abierto G = v out / v in
  • Impedancia de entrada infinita R in , por lo que corriente de entrada cero
  • Voltaje de compensación de entrada cero
  • Rango de voltaje de salida infinito
  • Ancho de banda infinito con cambio de fase cero y velocidad de respuesta infinita
  • Zero impedancia de salida R cabo
  • Ruido cero
  • Relación de rechazo de modo común infinito (CMRR)
  • Relación de rechazo de fuente de alimentación infinita .

Estos ideales se pueden resumir en las dos "reglas de oro":

  1. En un circuito cerrado, la salida intenta hacer lo que sea necesario para hacer que la diferencia de voltaje entre las entradas sea cero.
  2. Las entradas no consumen corriente. [6] : 177

La primera regla solo se aplica en el caso habitual en el que el amplificador operacional se usa en un diseño de circuito cerrado (retroalimentación negativa, donde hay una ruta de señal de algún tipo que se retroalimenta desde la salida a la entrada inversora). Estas reglas se usan comúnmente como una buena primera aproximación para analizar o diseñar circuitos de amplificadores operacionales. [6] : 177

Ninguno de estos ideales puede realizarse perfectamente. Un amplificador operacional real puede modelarse con parámetros no infinitos o distintos de cero utilizando resistencias y condensadores equivalentes en el modelo de amplificador operacional. Luego, el diseñador puede incluir estos efectos en el rendimiento general del circuito final. Algunos parámetros pueden llegar a tener un efecto insignificante en el diseño final, mientras que otros representan limitaciones reales del rendimiento final que deben evaluarse.

Amplificadores operacionales reales [ editar ]

Los amplificadores operacionales reales se diferencian del modelo ideal en varios aspectos.

Imperfecciones DC [ editar ]

Los amplificadores operacionales reales sufren varios efectos no ideales:

Ganancia finita
La ganancia de bucle abierto es infinita en el amplificador operacional ideal, pero finita en los amplificadores operacionales reales. Los dispositivos típicos exhiben una ganancia de CC de bucle abierto que varía de 100.000 a más de 1 millón. Siempre que la ganancia de bucle (es decir, el producto de las ganancias de bucle abierto y de retroalimentación) sea muy grande, la ganancia del circuito estará determinada completamente por la cantidad de retroalimentación negativa (es decir, será independiente de la ganancia de bucle abierto). En los casos en los que la ganancia de bucle cerrado debe ser muy alta, la ganancia de realimentación será muy baja y la ganancia de realimentación baja provoca una ganancia de bucle baja; en estos casos, el amplificador operacional dejará de comportarse de manera ideal.
Impedancias de entrada finitas
La impedancia de entrada diferencial del amplificador operacional se define como la impedancia entre sus dos entradas; la impedancia de entrada de modo común es la impedancia de cada entrada a tierra. Los amplificadores operacionales de entrada MOSFET a menudo tienen circuitos de protección que efectivamente cortocircuitan cualquier diferencia de entrada mayor que un pequeño umbral, por lo que la impedancia de entrada puede parecer muy baja en algunas pruebas. Sin embargo, siempre que estos amplificadores operacionales se utilicen en una aplicación típica de retroalimentación negativa de alta ganancia, estos circuitos de protección estarán inactivos. La polarización de entrada y las corrientes de fuga que se describen a continuación son un parámetro de diseño más importante para las aplicaciones típicas de amplificadores operacionales.
Impedancia de salida distinta de cero
La baja impedancia de salida es importante para cargas de baja impedancia; para estas cargas, la caída de voltaje a través de la impedancia de salida reduce efectivamente la ganancia de lazo abierto. En configuraciones con una retroalimentación negativa de detección de voltaje, la impedancia de salida del amplificador se reduce efectivamente; por lo tanto, en aplicaciones lineales, los circuitos de amplificador operacional generalmente exhiben una impedancia de salida muy baja.
Las salidas de baja impedancia generalmente requieren una alta corriente de reposo (es decir, inactiva) en la etapa de salida y disiparán más energía, por lo que los diseños de baja potencia pueden sacrificar intencionalmente la baja impedancia de salida.
Corriente de entrada
Debido a requisitos de polarización o fugas , una pequeña cantidad de corriente (típicamente ~ 10 nanoamperios, nA, para amplificadores operacionales bipolares , decenas de picoamperios, pA, para etapas de entrada JFET , y solo unos pocos pA para etapas de entrada MOSFET ) fluye hacia las entradas . Cuando se utilizan grandes resistencias o fuentes con alta impedancia de salida en el circuito, estas pequeñas corrientes pueden producir grandes caídas de tensión no modeladas. Si las corrientes de entrada se corresponden, y la impedancia que mira hacia fuera de ambas entradas están emparejados, a continuación, las tensiones producidas en cada entrada serán iguales. Porque el amplificador operacional opera en la diferenciaentre sus entradas, estos voltajes emparejados no tendrán ningún efecto. Es más común que las corrientes de entrada no coincidan ligeramente. La diferencia se llama corriente de compensación de entrada, e incluso con resistencias emparejadas, se puede producir una pequeña tensión de compensación (diferente de la tensión de compensación de entrada que se muestra a continuación). Este voltaje de compensación puede crear compensaciones o desviaciones en el amplificador operacional.
Voltaje de compensación de entrada
Este voltaje, que es lo que se requiere en los terminales de entrada del amplificador operacional para llevar el voltaje de salida a cero. [7] [nb 2]En el amplificador perfecto, no habría voltaje de compensación de entrada. Sin embargo, existe en amplificadores operacionales reales debido a imperfecciones en el amplificador diferencial que constituye la etapa de entrada de la gran mayoría de estos dispositivos. El voltaje de compensación de entrada crea dos problemas: primero, debido a la alta ganancia de voltaje del amplificador, virtualmente asegura que la salida del amplificador entrará en saturación si se opera sin retroalimentación negativa, incluso cuando los terminales de entrada están conectados entre sí. En segundo lugar, en una configuración de retroalimentación negativa de circuito cerrado, el voltaje de compensación de entrada se amplifica junto con la señal y esto puede plantear un problema si se requiere una amplificación de CC de alta precisión o si la señal de entrada es muy pequeña. [nb 3]
Ganancia en modo común
Un amplificador operacional perfecto amplifica solo la diferencia de voltaje entre sus dos entradas, rechazando por completo todos los voltajes que son comunes a ambas. Sin embargo, la etapa de entrada diferencial de un amplificador operacional nunca es perfecta, lo que lleva a la amplificación de estos voltajes comunes hasta cierto punto. La medida estándar de este defecto se llama índice de rechazo en modo común (denominado CMRR). La minimización de la ganancia de modo común suele ser importante en los amplificadores no inversores (descritos a continuación) que operan a alta amplificación.
Rechazo de la fuente de alimentación
La salida de un amplificador operacional perfecto será completamente independiente de su fuente de alimentación. Cada amplificador operacional real tiene una relación de rechazo de la fuente de alimentación finita (PSRR) que refleja qué tan bien el amplificador operacional puede rechazar los cambios en su voltaje de suministro.
Efectos de la temperatura
Todos los parámetros cambian con la temperatura. La variación de temperatura del voltaje de compensación de entrada es especialmente importante.
Deriva
Los parámetros reales del amplificador operacional están sujetos a cambios lentos con el tiempo y con cambios de temperatura, condiciones de entrada, etc.

Imperfecciones del aire acondicionado [ editar ]

La ganancia del amplificador operacional calculada en CC no se aplica a frecuencias más altas. Por lo tanto, para el funcionamiento a alta velocidad, se deben utilizar consideraciones más sofisticadas en el diseño de un circuito de amplificador operacional.

Ancho de banda finito
Todos los amplificadores tienen un ancho de banda finito. En una primera aproximación, el amplificador operacional tiene la respuesta de frecuencia de un integrador con ganancia. Es decir, la ganancia de un amplificador operacional típico es inversamente proporcional a la frecuencia y se caracteriza por su producto de ancho de banda de ganancia  (GBWP). Por ejemplo, un amplificador operacional con un GBWP de 1 MHz tendría una ganancia de 5 a 200 kHz y una ganancia de 1 a 1 MHz. Esta respuesta dinámica junto con la ganancia de CC muy alta del amplificador operacional le da las características de un filtro de paso bajo de primer orden con una ganancia de CC muy alta y una frecuencia de corte baja dada por el GBWP dividido por la ganancia de CC.
El ancho de banda finito de un amplificador operacional puede ser la fuente de varios problemas, que incluyen:
Estabilidad
Asociada con la limitación del ancho de banda hay una diferencia de fase entre la señal de entrada y la salida del amplificador que puede provocar una oscilación en algunos circuitos de retroalimentación. Por ejemplo, una señal de salida sinusoidal destinada a interferir destructivamente con una señal de entrada de la misma frecuencia interferirá de forma constructiva si se retrasa 180 grados formando una retroalimentación positiva . En estos casos, el circuito de retroalimentación se puede estabilizar mediante compensación de frecuencia , lo que aumenta la ganancia o el margen de fase.del circuito de bucle abierto. El diseñador de circuitos puede implementar esta compensación externamente con un componente de circuito separado. Alternativamente, la compensación se puede implementar dentro del amplificador operacional con la adición de un polo dominanteque atenúa suficientemente la ganancia de alta frecuencia del amplificador operacional. La ubicación de este poste puede ser fijada internamente por el fabricante o configurada por el diseñador del circuito utilizando métodos específicos del amplificador operacional. En general, la compensación de frecuencia del polo dominante reduce aún más el ancho de banda del amplificador operacional. Cuando la ganancia de bucle cerrado deseada es alta, la compensación de frecuencia del amplificador operacional a menudo no es necesaria porque la ganancia de bucle abierto requerida es suficientemente baja; en consecuencia, las aplicaciones con alta ganancia de bucle cerrado pueden utilizar amplificadores operacionales con anchos de banda más altos.
Distorsión y otros efectos
El ancho de banda limitado también da como resultado cantidades menores de retroalimentación a frecuencias más altas, produciendo una mayor distorsión e impedancia de salida a medida que aumenta la frecuencia.
Los amplificadores operacionales típicos de bajo costo y uso general exhiben un GBWP de unos pocos megahercios. Existen amplificadores operacionales especiales y de alta velocidad que pueden alcanzar un GBWP de cientos de megahercios. Para circuitos de muy alta frecuencia, a menudo se usa un amplificador operacional de realimentación de corriente .
Ruido
Los amplificadores generan voltaje aleatorio en la salida incluso cuando no se aplica ninguna señal. Esto puede deberse al ruido térmico y al ruido de parpadeo de los dispositivos. Para aplicaciones con alta ganancia o alto ancho de banda, el ruido se convierte en una consideración muy importante.
Capacitancia de entrada
Es más importante para la operación de alta frecuencia porque reduce la impedancia de entrada y puede causar cambios de fase.
Ganancia en modo común
Consulte las imperfecciones de CC, más arriba.
Rechazo de la fuente de alimentación
A medida que aumenta la frecuencia, el rechazo de la fuente de alimentación suele empeorar. Por lo tanto, puede ser importante mantener el suministro limpio de ondas y señales de alta frecuencia, por ejemplo, mediante el uso de condensadores de derivación .

Imperfecciones no lineales [ editar ]

La entrada (amarillo) y la salida (verde) de un amplificador operacional saturado en un amplificador inversor
Saturación
El voltaje de salida está limitado a un valor mínimo y máximo cercano a los voltajes de la fuente de alimentación . [nb 4] La salida de los amplificadores operacionales más antiguos puede llegar a uno o dos voltios de los rieles de suministro. La salida de los nuevos amplificadores operacionales denominados "riel a riel" puede llegar a milivoltios de los rieles de suministro cuando se proporcionan corrientes de salida bajas.
Girar
El voltaje de salida del amplificador alcanza su tasa máxima de cambio, la tasa de respuesta , generalmente especificada en voltios por microsegundo (V / μs). Cuando se produce la rotación, los aumentos adicionales en la señal de entrada no tienen ningún efecto sobre la tasa de cambio de la salida. El giro suele ser causado por la saturación de la etapa de entrada; el resultado es una corriente constante i que impulsa una capacitancia C en el amplificador (especialmente aquellas capacitancias utilizadas para implementar su compensación de frecuencia ); la rapidez de respuesta está limitada por d v / d t = i / C .
La rotación está asociada con el rendimiento de gran señal de un amplificador operacional. Considere, por ejemplo, un amplificador operacional configurado para una ganancia de 10. Sea la entrada una  onda de diente de sierra de 1 V y 100 kHz. Es decir, la amplitud es de 1  V y el período es de 10 microsegundos. En consecuencia, la tasa de cambio (es decir, la pendiente) de la entrada es de 0,1 V por microsegundo. Después de una amplificación de 10 ×, la salida debe ser un  diente de sierra de 10 V, 100 kHz, con una velocidad de respuesta correspondiente de 1  V por microsegundo. Sin embargo, el amplificador operacional clásico 741 tiene una  especificación de velocidad de respuesta de 0,5 V por microsegundo, por lo que su salida puede aumentar a no más de 5  V en el período de 10 microsegundos del diente de sierra. Por lo tanto, si uno midiera la salida, sería un 5 V, diente de sierra de 100 kHz, en lugar de un diente de sierra de 10  V, 100 kHz.
A continuación, considere el mismo amplificador y un diente de sierra de 100 kHz, pero ahora la amplitud de entrada es de 100  mV en lugar de 1  V.Después de una amplificación de 10 ×, la salida es un  diente de sierra de 1 V y 100 kHz con una velocidad de respuesta correspondiente de 0,1  V por microsegundo. En este caso, el 741 con su  velocidad de respuesta de 0,5 V por microsegundo amplificará la entrada correctamente.
Los amplificadores operacionales modernos de alta velocidad pueden tener velocidades de respuesta superiores a 5.000  V por microsegundo. Sin embargo, es más común que los amplificadores operacionales tengan velocidades de respuesta en el rango de 5 a 100  V por microsegundo. Por ejemplo, el amplificador operacional TL081 de uso general tiene una velocidad de respuesta de 13  V por microsegundo. Como regla general, los amplificadores operacionales de baja potencia y ancho de banda pequeño tienen velocidades de respuesta bajas. Por ejemplo, el amplificador operacional de micropotencia LT1494 consume 1,5 microamperios, pero tiene un producto de ancho de banda de ganancia de 2,7 kHz y una velocidad de respuesta de 0,001  V por microsegundo.
Relación entrada-salida no lineal
Es posible que el voltaje de salida no sea exactamente proporcional a la diferencia entre los voltajes de entrada. Se denomina comúnmente distorsión cuando la señal de entrada es una forma de onda. Este efecto será muy pequeño en un circuito práctico donde se utiliza una retroalimentación negativa sustancial.
Inversión de fase
En algunos amplificadores operacionales integrados, cuando se viola el voltaje de modo común publicado (por ejemplo, cuando una de las entradas es impulsada a uno de los voltajes de suministro), la salida puede cambiar a la polaridad opuesta a la que se espera en el funcionamiento normal. [8] [9] En tales condiciones, la retroalimentación negativa se vuelve positiva, probablemente haciendo que el circuito se "bloquee" en ese estado.

Consideraciones de energía [ editar ]

Corriente de salida limitada
La corriente de salida debe ser finita. En la práctica, la mayoría de los amplificadores operacionales están diseñados para limitar la corriente de salida para no exceder un nivel específico (alrededor de 25 mA para un amplificador operacional IC tipo 741), protegiendo así el amplificador operacional y los circuitos asociados contra daños. Los diseños modernos son electrónicamente más resistentes que las implementaciones anteriores y algunos pueden soportar cortocircuitos directos en sus salidas sin sufrir daños.
Corriente del sumidero de salida
La corriente del sumidero de salida es la corriente máxima que se permite que ingrese a la etapa de salida. Algunos fabricantes muestran el voltaje de salida frente a la gráfica de la corriente de disipación de salida, lo que da una idea del voltaje de salida cuando está absorbiendo corriente de otra fuente en el pin de salida.
Potencia disipada limitada
La corriente de salida fluye a través de la impedancia de salida interna del amplificador operacional, generando calor que debe disiparse. Si el amplificador operacional disipa demasiada energía, entonces su temperatura aumentará por encima de algún límite seguro. El amplificador operacional puede entrar en apagado térmico o puede ser destruido.

Los amplificadores operacionales FET o MOSFET integrados modernos se aproximan más al amplificador operacional ideal que los circuitos integrados bipolares cuando se trata de impedancia de entrada y corrientes de polarización de entrada. Los bipolares son generalmente mejores cuando se trata de compensación de voltaje de entrada y, a menudo, tienen menos ruido. Generalmente, a temperatura ambiente, con una señal bastante grande y un ancho de banda limitado, los amplificadores operacionales FET y MOSFET ahora ofrecen un mejor rendimiento.

Circuito interno del amplificador operacional de tipo 741 [ editar ]

Un diagrama de nivel de componente del amplificador operacional 741 común. Contorno de líneas punteadas:  espejos actuales ;  amplificador diferencial ;  etapa de ganancia de clase A ;  cambiador de nivel de voltaje;   etapa de salida.

Procedente de muchos fabricantes y en múltiples productos similares, un ejemplo de un amplificador operacional de transistor bipolar es el circuito integrado 741 diseñado en 1968 por David Fullagar en Fairchild Semiconductor después del diseño de circuito integrado LM301 de Bob Widlar . [10] En esta discusión, usamos los parámetros del modelo híbrido-pi para caracterizar las características del emisor conectado a tierra de señal pequeña de un transistor. En este modelo, la ganancia de corriente de un transistor se denota h fe , más comúnmente llamado β. [11]

Arquitectura [ editar ]

Un circuito integrado a pequeña escala , el amplificador operacional 741 comparte con la mayoría de los amplificadores operacionales una estructura interna que consta de tres etapas de ganancia: [12]

  1. Amplificador diferencial (delineado en azul oscuro ): proporciona una alta amplificación diferencial (ganancia), con rechazo de la señal de modo común, bajo ruido, alta impedancia de entrada y conduce un
  2. Amplificador de tensión (esbozado magenta ) - proporciona una ganancia alta tensión, un solo polo de frecuencia de roll-off , y en vez acciona las
  3. Amplificador de salida (delineado en cian y verde ): proporciona alta ganancia de corriente (baja impedancia de salida ), junto con limitación de corriente de salida y protección contra cortocircuitos de salida.

Además, contiene un circuito de polarización de espejo de corriente (delineado en rojo) y un condensador de compensación (30 pF).

Amplificador diferencial [ editar ]

La etapa de entrada consta de un amplificador diferencial en cascada (delineado en azul ) seguido de una carga activa de espejo de corriente . Esto constituye un amplificador de transconductancia , que convierte una señal de voltaje diferencial en las bases de Q1, Q2 en una señal de corriente en la base de Q15.

Implica dos pares de transistores en cascada, que satisfacen requisitos contradictorios. La primera etapa consta del par seguidor de emisor NPN emparejado Q1, Q2 que proporciona una alta impedancia de entrada. El segundo es el par de bases comunes PNP emparejado Q3, Q4 que elimina el indeseable efecto Miller ; impulsa una carga activa Q7 más el par emparejado Q5, Q6.

Esa carga activa se implementa como un espejo de corriente Wilson modificado ; su función es convertir la señal de corriente de entrada (diferencial) en una señal de un solo extremo sin las pérdidas del 50% correspondientes (aumentando la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional en 3 dB). [nb 5] Por lo tanto, una corriente diferencial de pequeña señal en Q3 frente a Q4 aparece sumada (duplicada) en la base de Q15, la entrada de la etapa de ganancia de voltaje.

Amplificador de voltaje [ editar ]

La etapa de ganancia de voltaje ( clase A ) (delineada en magenta ) consiste en los dos transistores NPN Q15 / Q19 conectados en una configuración Darlington y usa el lado de salida del espejo de corriente Q12 / Q13 como su carga colectora (dinámica) para lograr su alta ganancia de voltaje. El transistor de salida de sumidero Q20 recibe su unidad base de los colectores comunes de Q15 y Q19; el cambiador de nivel Q16 proporciona una unidad base para el transistor de fuente de salida Q14.

El transistor Q22 evita que esta etapa entregue una corriente excesiva a Q20 y, por lo tanto, limita la corriente de salida de sumidero.

Amplificador de salida [ editar ]

La etapa de salida (Q14, Q20, delineada en cian ) es un amplificador de simetría complementaria Clase AB . Proporciona una unidad de salida con una impedancia de ~ 50 Ω, en esencia, ganancia de corriente. El transistor Q16 (delineado en verde ) proporciona la corriente de reposo para los transistores de salida y Q17 proporciona la limitación de la corriente de salida.

Circuitos de polarización [ editar ]

Proporcione la corriente de reposo adecuada para cada etapa del amplificador operacional.

La resistencia (39 kΩ) que conecta el Q11 y Q12 (conectados por diodos), y el voltaje de suministro dado ( V S +  -  V S - ), determina la corriente en los espejos de corriente , (pares emparejados) Q10 / Q11 y Q12 / Q13. La corriente de colector de Q11, i 11 × 39 kΩ = V S + - V S - - 2  V BE . Para el típico V S = ± 20 V, la corriente permanente en Q11 / Q12 (así como en Q13) sería ~ 1 mA. Una corriente de suministro para un 741 típico de aproximadamente 2 mA concuerda con la noción de que estas dos corrientes de polarización dominan la corriente de suministro en reposo.

Los transistores Q11 y Q10 forman un espejo de corriente Widlar , con corriente de reposo en Q10 i 10 tal que ln ( i 11 / i 10 ) = i 10 × 5 kΩ / 28 mV, donde 5 kΩ representa la resistencia del emisor de Q10, y 28 mV es V T , el voltaje térmico a temperatura ambiente. En este caso i 10 ≈ 20 μA.

Amplificador diferencial [ editar ]

El circuito de polarización de esta etapa se establece mediante un bucle de retroalimentación que obliga a las corrientes de colector de Q10 y Q9 a coincidir (casi). La pequeña diferencia en estas corrientes proporciona la unidad para la base común de Q3 / Q4 (tenga en cuenta que la unidad base para los transistores de entrada Q1 / Q2 es la corriente de polarización de entrada y debe tener una fuente externa). Las corrientes de reposo sumadas de Q1 / Q3 más Q2 / Q4 se reflejan de Q8 en Q9, donde se suman con la corriente del colector en Q10, y el resultado se aplica a las bases de Q3 / Q4.

Las corrientes de reposo de Q1 / Q3 (resp., Q2 / Q4) i 1 serán, por tanto, la mitad de i 10 , del orden ~ 10 μA. La corriente de polarización de entrada para la base de Q1 (resp. Q2) ascenderá a i 1 / β; típicamente ~ 50 nA, lo que implica una ganancia de corriente h fe ≈ 200 para Q1 (Q2).

Este circuito de retroalimentación tiende a atraer el nodo base común de Q3 / Q4 a un voltaje V com - 2  V BE , donde V com es el voltaje de modo común de entrada. Al mismo tiempo, la magnitud de la corriente de reposo es relativamente insensible a las características de los componentes Q1-Q4, como h fe , que de otro modo causarían dependencia de la temperatura o variaciones entre partes.

El transistor Q7 conduce a Q5 y ​​Q6 hasta que sus corrientes de colector (iguales) coinciden con las de Q1 / Q3 y Q2 / Q4. La corriente de reposo en Q7 es V BE / 50 kΩ, aproximadamente 35 μA, al igual que la corriente de reposo en Q15, con su punto de operación correspondiente. Por lo tanto, las corrientes de reposo se emparejan por pares en Q1 / Q2, Q3 / Q4, Q5 / Q6 y Q7 / Q15.

Amplificador de voltaje [ editar ]

Las corrientes de reposo en Q16 y Q19 las establece el espejo de corriente Q12 / Q13, que funciona a ~ 1 mA. A través de algún mecanismo [ vago ] , la corriente del colector en Q19 rastrea esa corriente permanente.

Amplificador de salida [ editar ]

En el circuito que involucra a Q16 ( diodo de goma de varios nombres o multiplicador V BE ), la resistencia de 4.5 kΩ debe conducir alrededor de 100 μA, con el Q16 V BE aproximadamente 700 mV. Entonces el V CB debe ser de aproximadamente 0,45 V y V CE a aproximadamente 1,0 V. Debido a que el colector Q16 es impulsado por una fuente de corriente y el emisor Q16 se dirige al sumidero de corriente del colector Q19, el transistor Q16 establece una diferencia de voltaje entre la base Q14 y Base Q20 de ~ 1 V, independientemente del voltaje de modo común de la base Q14 / Q20. La corriente permanente en Q14 / Q20 será un factor exp (100 mV / V T ) ≈ 36menor que la corriente de reposo de 1 mA en la parte de clase A del amplificador operacional. Esta (pequeña) corriente permanente en los transistores de salida establece la etapa de salida en la operación de clase AB y reduce la distorsión de cruce de esta etapa.

Modo diferencial de pequeña señal [ editar ]

Una pequeña señal de voltaje de entrada diferencial da lugar, a través de múltiples etapas de amplificación de corriente, a una señal de voltaje mucho mayor en la salida.

Impedancia de entrada [ editar ]

La etapa de entrada con Q1 y Q3 es similar a un par acoplado por emisor (par de cola larga), con Q2 y Q4 agregando cierta impedancia degenerativa. La impedancia de entrada es relativamente alta debido a la pequeña corriente a través de Q1-Q4. Un amplificador operacional 741 típico tiene una impedancia de entrada diferencial de aproximadamente 2 MΩ. La impedancia de entrada del modo común es aún mayor, ya que la etapa de entrada trabaja a una corriente esencialmente constante.

Amplificador diferencial [ editar ]

Un voltaje diferencial V in en las entradas del amplificador operacional (pines 3 y 2, respectivamente) da lugar a una pequeña corriente diferencial en las bases de Q1 y Q2 i inV in / (2 h es decir h fe ). Esta corriente de base diferencial provoca un cambio en la corriente de colector diferencial en cada tramo en i en h fe . Introduciendo la transconductancia de Q1, g m = h fe / h es decir , la corriente (pequeña señal) en la base de Q15 (la entrada de la etapa de ganancia de voltaje) es V en g m / 2.

Esta parte del amplificador operacional cambia hábilmente una señal diferencial en las entradas del amplificador operacional a una señal de un solo extremo en la base de Q15, y de una manera que evita desperdiciar la señal en cualquiera de las patas. Para ver cómo, observe que un pequeño cambio negativo en el voltaje en la entrada inversora (base Q2) lo saca de la conducción, y esta disminución incremental en la corriente pasa directamente del colector Q4 a su emisor, lo que resulta en una disminución en la unidad base para Q15. . Por otro lado, un pequeño cambio positivo en el voltaje en la entrada no inversora (base Q1) impulsa este transistor a conducción, reflejado en un aumento de corriente en el colector de Q3. Esta corriente impulsa a Q7 aún más hacia la conducción, lo que enciende el espejo de corriente Q5 / Q6. Por tanto, el aumento de la corriente del emisor Q3 se refleja en un aumento de la corriente del colector Q6;el aumento de las corrientes de colector deriva más del nodo de colector y da como resultado una disminución de la corriente de excitación base para Q15. Además de evitar el desperdicio de 3 dB de ganancia aquí, esta técnica disminuye la ganancia de modo común y el paso del ruido de la fuente de alimentación.

Amplificador de voltaje [ editar ]

Una señal de corriente i en la base de Q15 da lugar a una corriente en Q19 de orden i β 2 (el producto de la h fe de cada uno de Q15 y Q19, que están conectados en un par de Darlington ). Esta señal de corriente desarrolla un voltaje en las bases de los transistores de salida Q14 / Q20 proporcional a la h ie del transistor respectivo.

Amplificador de salida [ editar ]

Los transistores de salida Q14 y Q20 están configurados cada uno como un seguidor de emisor, por lo que no se produce ganancia de voltaje allí; en cambio, esta etapa proporciona una ganancia de corriente, igual a la h fe de Q14 (resp. Q20).

La impedancia de salida no es cero, como lo sería en un amplificador operacional ideal, pero con retroalimentación negativa se acerca a cero a bajas frecuencias.

Ganancia de voltaje de bucle abierto general [ editar ]

La ganancia neta de voltaje de señal pequeña en lazo abierto del amplificador operacional involucra el producto de la ganancia de corriente h fe de unos 4 transistores. En la práctica, la ganancia de voltaje para un amplificador operacional típico de estilo 741 es del orden de 200,000, y la ganancia de corriente, la relación entre la impedancia de entrada (~ 2−6 MΩ) y la impedancia de salida (~ 50  Ω) proporciona aún más (potencia) ganar.

Otras características lineales [ editar ]

Ganancia en modo común de pequeña señal [ editar ]

El amplificador operacional ideal tiene una relación de rechazo de modo común infinita o ganancia de modo común cero.

En el circuito actual, si los voltajes de entrada cambian en la misma dirección, la retroalimentación negativa hace que el voltaje base Q3 / Q4 siga (con 2 V BE debajo) las variaciones del voltaje de entrada. Ahora, la parte de salida (Q10) del espejo de corriente Q10-Q11 mantiene constante la corriente común a través de Q9 / Q8 a pesar de la variación de voltaje. Las corrientes de colector Q3 / Q4 y, en consecuencia, la corriente de salida en la base de Q15, permanecen sin cambios.

En el amplificador operacional 741 típico, la relación de rechazo en modo común es de 90 dB, lo que implica una ganancia de voltaje en modo común en bucle abierto de aproximadamente 6.

Compensación de frecuencia [ editar ]

La innovación del Fairchild μA741 fue la introducción de compensación de frecuencia a través de un condensador en chip (monolítico), lo que simplifica la aplicación del amplificador operacional al eliminar la necesidad de componentes externos para esta función. El capacitor de 30 pF estabiliza el amplificador a través de la compensación Miller y funciona de manera similar a un circuito integrador de amplificador operacional . También conocido como ' compensación de polo dominante ' porque introduce un polo que enmascara (domina) los efectos de otros polos en la respuesta de frecuencia de lazo abierto; en un amplificador operacional 741, este polo puede ser tan bajo como 10 Hz (donde causa una pérdida de −3 dB de ganancia de voltaje de bucle abierto).

Esta compensación interna se proporciona para lograr la estabilidad incondicional del amplificador en configuraciones de retroalimentación negativa donde la red de retroalimentación no es reactiva y la ganancia de bucle cerrado es igual o superior a la unidad . Por el contrario, los amplificadores que requieren compensación externa, como el μA748, pueden requerir compensación externa o ganancias de bucle cerrado significativamente más altas que la unidad.

Voltaje de compensación de entrada [ editar ]

Los pines de "compensación nula" se pueden usar para colocar resistencias externas (típicamente en la forma de los dos extremos de un potenciómetro, con el control deslizante conectado a V S - ) en paralelo con las resistencias emisoras de Q5 y ​​Q6, para ajustar el balance del espejo de corriente Q5 / Q6. El potenciómetro se ajusta de manera que la salida sea nula (rango medio) cuando las entradas se cortocircuitan juntas.

Características no lineales [ editar ]

Voltaje de ruptura de entrada [ editar ]

Los transistores Q3, Q4 ayudan a aumentar la clasificación V BE inversa : las uniones base-emisor de los transistores NPN Q1 y Q2 se rompen a alrededor de 7  V, pero los transistores PNP Q3 y Q4 tienen voltajes de ruptura V BE alrededor de 50  V. [ 13]

Oscilación de voltaje de la etapa de salida y limitación de corriente [ editar ]

Las variaciones en la corriente de reposo con la temperatura, o entre partes con el mismo número de tipo, son comunes, por lo que la distorsión de cruce y la corriente de reposo pueden estar sujetas a variaciones significativas.

El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menor que el voltaje de suministro, debido en parte a V BE de los transistores de salida Q14 y Q20.

La resistencia de 25 Ω en el emisor Q14, junto con Q17, actúa para limitar la corriente Q14 a aproximadamente 25 mA; de lo contrario, Q17 no conduce corriente.

La limitación de corriente para Q20 se realiza en la etapa de ganancia de voltaje: Q22 detecta el voltaje a través de la resistencia del emisor de Q19 (50  Ω); cuando se enciende, disminuye la corriente de excitación a la base Q15.

Las versiones posteriores de este esquema de amplificador pueden mostrar un método algo diferente de limitación de la corriente de salida.

Consideraciones de aplicabilidad [ editar ]

Si bien el 741 se usó históricamente en audio y otros equipos sensibles, ese uso ahora es raro debido al rendimiento mejorado del ruido de los amplificadores operacionales más modernos. Además de generar un siseo notable, los 741 y otros amplificadores operacionales más antiguos pueden tener relaciones de rechazo de modo común deficientes y, por lo tanto, a menudo introducirán zumbidos de red transmitidos por cable y otras interferencias de modo común, como los 'clics' de los interruptores, en equipos sensibles.

El "741" ha llegado a significar a menudo un IC de amplificador operacional genérico (como μA741, LM301, 558, LM324, TBA221, o un reemplazo más moderno como el TL071). La descripción de la etapa de salida del 741 es cualitativamente similar para muchos otros diseños (que pueden tener etapas de entrada bastante diferentes), excepto:

  • Algunos dispositivos (μA748, LM301, LM308) no están compensados ​​internamente (requieren un capacitor externo desde la salida hasta algún punto dentro del amplificador operacional, si se usan en aplicaciones de baja ganancia de bucle cerrado).
  • Algunos dispositivos modernos tienen capacidad de "salida de riel a riel", lo que significa que la salida puede variar desde unos pocos milivoltios del voltaje de suministro positivo hasta unos pocos milivoltios del voltaje de suministro negativo.

Clasificación [ editar ]

Los amplificadores operacionales pueden clasificarse por su construcción:

  • discreto (construido a partir de transistores individuales o tubos / válvulas )
  • IC (fabricado en un circuito integrado ): el más común
  • híbrido

Los amplificadores operacionales de CI se pueden clasificar de muchas maneras, que incluyen:

  • Grado militar, industrial o comercial (por ejemplo: el LM301 es la versión de grado comercial del LM101, el LM201 es la versión industrial). Esto puede definir rangos de temperatura de funcionamiento y otros factores ambientales o de calidad.
  • La clasificación por tipo de paquete también puede afectar la resistencia ambiental, así como las opciones de fabricación; DIP y otros paquetes de orificios pasantes tienden a ser reemplazados por dispositivos de montaje en superficie .
  • Clasificación por compensación interna: los amplificadores operacionales pueden sufrir inestabilidad de alta frecuencia en algunos circuitos de retroalimentación negativa a menos que un pequeño capacitor de compensación modifique las respuestas de fase y frecuencia. Los amplificadores operacionales con un condensador incorporado se denominan " compensados " y permiten que los circuitos por encima de cierta ganancia de bucle cerrado especificada funcionen de forma estable sin un condensador externo. En particular, los amplificadores operacionales que son estables incluso con una ganancia de lazo cerrado de 1 se denominan "ganancia unitaria compensada".
  • Hay disponibles versiones simples, dobles y cuádruples de muchos circuitos integrados de amplificadores operacionales comerciales, lo que significa que se incluyen 1, 2 o 4 amplificadores operacionales en el mismo paquete.
  • Los amplificadores operacionales de entrada (y / o salida) de riel a riel pueden funcionar con señales de entrada (y / o salida) muy cerca de los rieles de la fuente de alimentación.
  • Los amplificadores operacionales CMOS (como el CA3140E) proporcionan resistencias de entrada extremadamente altas, más altas que los amplificadores operacionales de entrada JFET , que normalmente son más altos que los amplificadores operacionales de entrada bipolar .
  • Otras variedades de amplificadores operacionales incluyen amplificadores operacionales programables (simplemente significa que la corriente de reposo, el ancho de banda, etc. se pueden ajustar mediante una resistencia externa).
  • los fabricantes a menudo tabulan sus amplificadores operacionales de acuerdo con su propósito, como preamplificadores de bajo ruido, amplificadores de ancho de banda amplio, etc.

Aplicaciones [ editar ]

Pinout DIP para amplificador operacional tipo 741

Uso en el diseño de sistemas electrónicos [ editar ]

El uso de amplificadores operacionales como bloques de circuitos es mucho más fácil y claro que especificar todos sus elementos de circuito individuales (transistores, resistencias, etc.), ya sea que los amplificadores utilizados sean circuitos integrados o discretos. En la primera aproximación, los amplificadores operacionales pueden usarse como si fueran bloques de ganancia diferencial ideales; en una etapa posterior, se pueden colocar límites en el rango aceptable de parámetros para cada amplificador operacional.

El diseño del circuito sigue las mismas líneas para todos los circuitos electrónicos. Se elabora una especificación que rige lo que debe hacer el circuito, con límites permitidos. Por ejemplo, se puede requerir que la ganancia sea 100 veces mayor, con una tolerancia del 5% pero una desviación de menos del 1% en un rango de temperatura especificado; la impedancia de entrada no menos de un megaohmio; etc.

Se diseña un circuito básico , a menudo con la ayuda del modelado de circuitos (en una computadora). Luego, se eligen amplificadores operacionales específicos disponibles comercialmente y otros componentes que cumplen con los criterios de diseño dentro de las tolerancias especificadas a un costo aceptable. Si no se pueden cumplir todos los criterios, es posible que sea necesario modificar la especificación.

Luego se construye y se prueba un prototipo; Se pueden realizar cambios para cumplir o mejorar la especificación, alterar la funcionalidad o reducir el costo.

Aplicaciones sin usar ningún comentario [ editar ]

Es decir, el amplificador operacional se utiliza como comparador de voltaje . Tenga en cuenta que un dispositivo diseñado principalmente como un comparador puede ser mejor si, por ejemplo, la velocidad es importante o se puede encontrar una amplia gama de voltajes de entrada, ya que dichos dispositivos pueden recuperarse rápidamente de los estados de encendido total o apagado total ("saturado").

Se puede obtener un detector de nivel de voltaje si se aplica un voltaje de referencia V ref a una de las entradas del amplificador operacional. Esto significa que el amplificador operacional está configurado como un comparador para detectar un voltaje positivo. Si el voltaje que se va a detectar, E i , se aplica a la entrada del amplificador operacional (+), el resultado es un detector de nivel positivo no inversor: cuando E i está por encima de V ref , V O es igual a + V sat ; cuando E i está por debajo de V ref , V O es igual a - V sat . Si E ise aplica a la entrada inversora, el circuito es un detector inversor de nivel positivo: cuando E i está por encima de V ref , V O es igual a - V sat .

Un detector de nivel de voltaje cero ( E i = 0) puede convertir, por ejemplo, la salida de una onda sinusoidal de un generador de funciones en una onda cuadrada de frecuencia variable. Si E i es una onda sinusoidal, una onda triangular o una onda de cualquier otra forma que sea simétrica alrededor de cero, la salida del detector de cruce por cero será cuadrada. La detección de cruce por cero también puede ser útil para activar TRIAC en el mejor momento para reducir la interferencia de la red y los picos de corriente.

Aplicaciones de retroalimentación positiva [ editar ]

Disparador Schmitt implementado por un comparador no inversor

Otra configuración típica de amplificadores operacionales es con retroalimentación positiva, que lleva una fracción de la señal de salida a la entrada no inversora. Una aplicación importante es el comparador con histéresis, el disparador Schmitt . Algunos circuitos pueden usar retroalimentación positiva y retroalimentación negativa alrededor del mismo amplificador, por ejemplo , osciladores de onda triangular y filtros activos .

Debido al amplio rango de respuesta y la falta de retroalimentación positiva, la respuesta de todos los detectores de nivel de circuito abierto descritos anteriormente será relativamente lenta. Se puede aplicar retroalimentación positiva general externa, pero (a diferencia de la retroalimentación positiva interna que se puede aplicar dentro de las últimas etapas de un comparador diseñado específicamente) esto afecta notablemente la precisión del punto de detección de cruce por cero. Usando un amplificador operacional de propósito general, por ejemplo, la frecuencia de E i para el convertidor de onda sinusoidal a cuadrada probablemente debería estar por debajo de 100 Hz. [ cita requerida ]

Aplicaciones de retroalimentación negativa [ editar ]

Amplificador no inversor [ editar ]

Un amplificador operacional conectado en la configuración de amplificador no inversor

En un amplificador no inversor, el voltaje de salida cambia en la misma dirección que el voltaje de entrada.

La ecuación de ganancia para el amplificador operacional es

Sin embargo, en este circuito V - es una función de V out debido a la retroalimentación negativa a través de la red R 1 R 2 . R 1 y R 2 forman un divisor de voltaje y, como V - es una entrada de alta impedancia, no la carga de manera apreciable. como consecuencia

dónde

Sustituyendo esto en la ecuación de ganancia, obtenemos

Resolviendo para :

Si es muy grande, esto se simplifica a

La entrada no inversora del amplificador operacional necesita una ruta de CC a tierra; si la fuente de señal no suministra una ruta de CC, o si esa fuente requiere una impedancia de carga determinada, entonces el circuito requerirá otra resistencia desde la entrada no inversora a tierra. Cuando las corrientes de polarización de entrada del amplificador operacional son significativas, entonces las resistencias de la fuente de CC que controlan las entradas deben estar equilibradas. [14] El valor ideal para las resistencias de retroalimentación (para dar un voltaje de compensación mínimo) será tal que las dos resistencias en paralelo sean aproximadamente iguales a la resistencia a tierra en el pin de entrada no inversora. Ese valor ideal supone que las corrientes de polarización están bien adaptadas, lo que puede no ser cierto para todos los amplificadores operacionales. [15]

Amplificador inversor [ editar ]

Un amplificador operacional conectado en la configuración del amplificador inversor

En un amplificador inversor, la tensión de salida cambia en dirección opuesta a la tensión de entrada.

Al igual que con el amplificador no inversor, comenzamos con la ecuación de ganancia del amplificador operacional:

Esta vez, V - es una función tanto de V out como de V in debido al divisor de voltaje formado por R f y R in . Nuevamente, la entrada del amplificador operacional no aplica una carga apreciable, por lo que

Sustituyendo esto en la ecuación de ganancia y resolviendo :

Si es muy grande, esto se simplifica a

A menudo se inserta una resistencia entre la entrada no inversora y tierra (por lo que ambas entradas "ven" resistencias similares), lo que reduce el voltaje de compensación de entrada debido a diferentes caídas de voltaje debido a la corriente de polarización y puede reducir la distorsión en algunos amplificadores operacionales.

Se puede insertar un condensador de bloqueo de CC en serie con la resistencia de entrada cuando no se necesita una respuesta de frecuencia hasta CC y no se desea ningún voltaje de CC en la entrada. Es decir, el componente capacitivo de la impedancia de entrada inserta un cero CC y un polo de baja frecuencia que le da al circuito una característica de paso de banda o de paso alto .

Los potenciales en las entradas del amplificador operacional permanecen prácticamente constantes (cerca de tierra) en la configuración inversora. El potencial de operación constante normalmente da como resultado niveles de distorsión que son más bajos que los alcanzables con la topología no inversora.

Otras aplicaciones [ editar ]

  • preamplificadores y búferes de frecuencia de audio y video
  • amplificadores diferenciales
  • diferenciadores e integradores
  • filtros
  • rectificadores de precisión
  • detectores de picos de precisión
  • reguladores de voltaje y corriente
  • calculadoras analógicas
  • Convertidores de analógico a digital
  • Convertidores de digital a analógico
  • Sujeción de tensión
  • osciladores y generadores de formas de onda
  • clíper
  • clamper (insertador de cc o restaurador)
  • Amplificadores LOG y ANTILOG

La mayoría de los amplificadores operacionales simples, duales y cuádruples disponibles tienen un pin-out estandarizado que permite que un tipo sea sustituido por otro sin cambios de cableado. Se puede elegir un amplificador operacional específico por su ganancia de bucle abierto, ancho de banda, rendimiento de ruido, impedancia de entrada, consumo de energía o un compromiso entre cualquiera de estos factores.

Cronología histórica [ editar ]

1941: Un amplificador operacional de tubo de vacío. Un amplificador operacional, definido como un amplificador de retroalimentación inversora de alta ganancia, acoplado a CC, de propósito general , se encuentra por primera vez en la patente estadounidense 2.401.779 "Amplificador sumador " presentada por Karl D. Swartzel Jr. de Bell Labs en 1941. Este diseño se utilizó tres tubos de vacío para lograr una ganancia de 90 dB y operados en los carriles de tensión de ± 350 V . Tenía una sola entrada inversora en lugar de entradas diferenciales inversoras y no inversoras, como son comunes en los amplificadores operacionales de hoy. A lo largo de la Segunda Guerra Mundial , el diseño de Swartzel demostró su valor al ser utilizado generosamente en el director de artillería M9.diseñado en Bell Labs. Este director de artillería trabajó con el sistema de radar SCR584 para lograr tasas de acierto extraordinarias (cercanas al 90%) que no hubieran sido posibles de otra manera. [dieciséis]

K2-W de GAP / R: un amplificador operacional de válvulas de vacío (1953)

1947: un amplificador operacional con una entrada explícita no inversora. En 1947, el amplificador operacional fue definido formalmente por primera vez y nombrado en un artículo [17] por John R. Ragazzini de la Universidad de Columbia. En este mismo artículo, una nota a pie de página mencionaba un diseño de amplificador operacional de un estudiante que resultaría ser bastante significativo. Este amplificador operacional, diseñado por Loebe Julie , fue superior en una variedad de formas. Tenía dos innovaciones importantes. Su etapa de entrada utilizó un triodo de cola largaemparejar con cargas emparejadas para reducir la deriva en la salida y, lo que es mucho más importante, fue el primer diseño de amplificador operacional en tener dos entradas (una invertida y la otra no inversora). La entrada diferencial hizo posible toda una gama de nuevas funciones, pero no se utilizaría durante mucho tiempo debido al aumento del amplificador estabilizado por chopper. [dieciséis]

1949: Un amplificador operacional estabilizado por helicóptero. En 1949, Edwin A. Goldberg diseñó un amplificador operacional estabilizado con chopper . [18] Esta configuración utiliza un amplificador operacional normal con un amplificador de CA adicional que va junto al amplificador operacional. El helicóptero recibe una señal de CA de CC.cambiando entre el voltaje de CC y tierra a una velocidad rápida (60 Hz o 400 Hz). Esta señal luego se amplifica, rectifica, filtra y alimenta a la entrada no inversora del amplificador operacional. Esto mejoró enormemente la ganancia del amplificador operacional al tiempo que redujo significativamente la deriva de salida y la compensación de CC. Desafortunadamente, cualquier diseño que usara un helicóptero no podía usar su entrada no inversora para ningún otro propósito. Sin embargo, las características mucho mejoradas del amplificador operacional estabilizado con chopper lo convirtieron en la forma dominante de usar amplificadores operacionales. Las técnicas que utilizaban la entrada no inversora con regularidad no serían muy populares hasta la década de 1960, cuando los circuitos integrados de amplificadores operacionales comenzaron a aparecer en el campo.

1953: Un amplificador operacional disponible comercialmente. En 1953, los amplificadores operacionales de válvulas de vacío estuvieron disponibles comercialmente con el lanzamiento del modelo K2-W de George A. Philbrick Researches, Incorporated. La designación de los dispositivos mostrados, GAP / R, es un acrónimo del nombre completo de la empresa. Se montaron dos tubos de vacío 12AX7 de nueve clavijas en un paquete octal y tenían un accesorio de chopper modelo K2-P disponible que "consumiría" efectivamente la entrada no inversora. Este amplificador operacional se basó en un descendiente del diseño de Loebe Julie de 1947 y, junto con sus sucesores, iniciaría el uso generalizado de amplificadores operacionales en la industria.

Modelo P45 de GAP / R: un amplificador operacional discreto de estado sólido (1961).

1961: Un amplificador operacional IC discreto. Con el nacimiento del transistor en 1947 y el transistor de silicio en 1954, el concepto de circuitos integrados se hizo realidad. La introducción del proceso plano en 1959 hizo que los transistores y los circuitos integrados fueran lo suficientemente estables como para ser útiles comercialmente. En 1961, se estaban produciendo amplificadores operacionales discretos de estado sólido. Estos amplificadores operacionales eran efectivamente pequeñas placas de circuito con paquetes como conectores de borde . Por lo general, tenían resistencias seleccionadas a mano para mejorar cosas como la compensación y la deriva de voltaje. El P45 (1961) tenía una ganancia de 94 dB y corría sobre rieles de ± 15 V. Se tenía la intención de tratar señales en el rango de ± 10 V .

1961: Un amplificador operacional de puente varactor. Se han tomado muchas direcciones diferentes en el diseño de amplificadores operacionales. Los amplificadores operacionales de puente Varactor comenzaron a producirse a principios de la década de 1960. [19] [20] Fueron diseñados para tener una corriente de entrada extremadamente pequeña y todavía se encuentran entre los mejores amplificadores operacionales disponibles en términos de rechazo de modo común con la capacidad de manejar correctamente cientos de voltios en sus entradas.

Modelo PP65 de GAP / R: un amplificador operacional de estado sólido en un módulo encapsulado (1962)

1962: Un amplificador operacional en un módulo en maceta. Para 1962, varias empresas estaban produciendo paquetes modulares en macetas que se podían conectar a placas de circuito impreso . [ cita requerida ] Estos paquetes fueron de vital importancia ya que convirtieron el amplificador operacional en una sola caja negra que podría tratarse fácilmente como un componente en un circuito más grande.

1963: Un amplificador operacional IC monolítico. En 1963 , se lanzó el primer amplificador operacional IC monolítico, el μA702 diseñado por Bob Widlar en Fairchild Semiconductor. Los circuitos integrados monolíticos consisten en un solo chip en lugar de un chip y partes discretas (un circuito integrado discreto) o varios chips unidos y conectados en una placa de circuito (un circuito integrado híbrido). Casi todos los amplificadores operacionales modernos son circuitos integrados monolíticos; sin embargo, este primer CI no tuvo mucho éxito. Problemas como un voltaje de suministro desigual, baja ganancia y un pequeño rango dinámico impidieron el dominio de los amplificadores operacionales monolíticos hasta 1965 cuando se lanzó el μA709 [21] (también diseñado por Bob Widlar).

1968: Lanzamiento del μA741. La popularidad de los amplificadores operacionales monolíticos mejoró aún más con el lanzamiento del LM101 en 1967, que resolvió una variedad de problemas, y el posterior lanzamiento del μA741 en 1968. El μA741 era extremadamente similar al LM101 excepto que las instalaciones de Fairchild les permitían incluir un condensador de compensación de 30 pF dentro del chip en lugar de requerir una compensación externa. Esta simple diferencia ha hecho del 741 el amplificador operacional canónico y muchos amplificadores modernos basan sus pines en los 741. El μA741 todavía está en producción y se ha vuelto omnipresente en la electrónica; muchos fabricantes producen una versión de este chip clásico, reconocible por los números de pieza que contienen 741 . La misma pieza es fabricada por varias empresas.

1970: primer diseño FET de alta velocidad y baja corriente de entrada. En la década de 1970, los diseños de corriente de entrada baja y alta velocidad comenzaron a realizarse utilizando FET . Estos serían reemplazados en gran medida por amplificadores operacionales hechos con MOSFET en la década de 1980.

HOS-050 de ADI: un amplificador operacional IC híbrido de alta velocidad (1979)

1972: Se producen amplificadores operacionales de suministro de un solo lado. Un amplificador operacional de suministro de un solo lado es uno en el que los voltajes de entrada y salida pueden ser tan bajos como el voltaje negativo de la fuente de alimentación en lugar de tener que estar al menos dos voltios por encima de él. El resultado es que puede funcionar en muchas aplicaciones con el pin de suministro negativo del amplificador operacional conectado a la tierra de la señal, eliminando así la necesidad de una fuente de alimentación negativa separada.

El LM324 (lanzado en 1972) fue uno de esos amplificadores operacionales que venía en un paquete cuádruple (cuatro amplificadores operacionales separados en un paquete) y se convirtió en un estándar de la industria. Además de empaquetar múltiples amplificadores operacionales en un solo paquete, la década de 1970 también vio el nacimiento de amplificadores operacionales en paquetes híbridos. Estos amplificadores operacionales eran generalmente versiones mejoradas de amplificadores operacionales monolíticos existentes. A medida que mejoraron las propiedades de los amplificadores operacionales monolíticos, los circuitos integrados híbridos más complejos se relegaron rápidamente a sistemas que debían tener una vida útil extremadamente larga u otros sistemas especializados.

Un amplificador operacional en un paquete mini DIP

Tendencias recientes. Recientemente, los voltajes de suministro en circuitos analógicos han disminuido (como lo han hecho en la lógica digital) y se han introducido amplificadores operacionales de bajo voltaje para reflejar esto. Son comunes los suministros de 5 V y cada vez más de 3,3 V (a veces tan bajos como 1,8 V). Para maximizar el rango de señal, los amplificadores operacionales modernos comúnmente tienen salida de riel a riel (la señal de salida puede variar desde el voltaje de suministro más bajo hasta el más alto) y, a veces, entradas de riel a riel.

Ver también [ editar ]

  • Filtro activo
  • Computadora analógica
  • Bob Widlar
  • Transportador actual
  • Amplificador operacional con retroalimentación de corriente
  • Amplificador diferencial
  • George A. Philbrick
  • Amplificador instrumental
  • Amplificador de retroalimentación negativa
  • Intercambio de amplificador operacional
  • Aplicaciones de amplificador operacional
  • Amplificador de transconductancia operacional
  • Topología Sallen-Key

Notas [ editar ]

  1. ^ a b Los pines de la fuente de alimentación ( V S + y V S− ) se pueden etiquetar de diferentes formas ( consulte los pines de la fuente de alimentación IC ). A menudo, estos pines se dejan fuera del diagrama para mayor claridad, y la configuración de energía se describe o se asume del circuito.
  2. ^ Esta definición se ajusta a la convención de medir los parámetros del amplificador operacional con respecto al punto de voltaje cero en el circuito, que generalmente es la mitad del voltaje total entre los rieles de potencia positiva y negativa del amplificador.
  3. ^ Muchos diseños más antiguos de amplificadores operacionales tienen entradas nulas compensadas para permitir que la compensación se ajuste manualmente. Los amplificadores operacionales de precisión modernos pueden tener circuitos internos que cancelen automáticamente esta compensación mediante choppers u otros circuitos que miden la tensión de compensación periódicamente y la restan de la tensión de entrada.
  4. ^ El hecho de que la salida no pueda alcanzar los voltajes de la fuente de alimentación suele ser el resultado de las limitaciones de los transistores de la etapa de salida del amplificador. Ver etapa de salida .
  5. ^ Widlar usó este mismo truco en μA702 y μA709

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Comprensión de las entradas ADC de un solo extremo, seudodiferenciales y completamente diferenciales" . Nota de aplicación de Maxim 1108. Archivado desde el original el 26 de junio de 2007 . Consultado el 10 de noviembre de 2007 .
  2. ^ "Apex OP PA98" . Archivado desde el original el 1 de enero de 2016 . Consultado el 8 de noviembre de 2015 . Módulos de amplificador operacional APEX PA98, precio de venta: $ 207.51
  3. ^ Millman, Jacob (1979). Microelectrónica: Circuitos y sistemas digitales y analógicos . McGraw-Hill. págs.  523–527 . ISBN 0-07-042327-X.
  4. ^ "Comprensión de analógico básico: amplificadores operacionales ideales" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 27 de diciembre de 2016.
  5. ^ "Conferencia 5: El amplificador operacional ideal" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 23 de noviembre de 2016.
  6. ^ a b Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). El arte de la electrónica . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN  0-521-37095-7.
  7. ^ Stout, DF (1976). Manual de diseño de circuitos de amplificadores operacionales . McGraw-Hill. págs. 1-11. ISBN 0-07-061797-X.
  8. ^ "Inversión de fase de salida del amplificador operacional y protección de sobretensión de entrada" (PDF) . Dispositivos analógicos. 2009 . Consultado el 27 de diciembre de 2012 .
  9. ^ Rey, Grayson; Watkins, Tim (13 de mayo de 1999). "Arrancar su amplificador operacional produce grandes cambios de voltaje" (PDF) . Noticias de diseño electrónico . Consultado el 27 de diciembre de 2012 . [ enlace muerto permanente ]
  10. ^ Lee, Thomas H. (18 de noviembre de 2002). "IC Op-Amps a través de las edades" (PDF) . Universidad Stanford. Archivado (PDF) desde el original el 24 de octubre de 2012 Folleto # 18: EE214 Otoño de 2002.
  11. ^ Lu, Liang-Hung. "Electrónica 2, Capítulo 10" (PDF) . Universidad Nacional de Taiwán, Instituto de Posgrado de Ingeniería Electrónica. Archivado desde el original (PDF) el 30 de junio de 2014 . Consultado el 22 de febrero de 2014 .
  12. ^ "Comprensión de los circuitos de silicio: dentro del omnipresente amplificador operacional 741" . www.righto.com . Archivado desde el original el 9 de octubre de 2017 . Consultado el 28 de abril de 2018 .
  13. ^ El amplificador operacional μA741 [ enlace muerto permanente ]
  14. ^ Una corriente de polarización de entrada de 1 μA a través de una resistencia de fuente de CC de 10 kΩ produce una tensión de compensación de 10 mV. Si la otra corriente de polarización de entrada es la misma y ve la misma resistencia de fuente, entonces los dos voltajes de compensación de entrada se cancelarán. Es posible que no sea necesario equilibrar las resistencias de la fuente de CC si la corriente de polarización de entrada y el producto de resistencia de la fuente son pequeños.
  15. ^ Dispositivos analógicos (2009). "Corriente de polarización de entrada del amplificador operacional" (PDF) . Dispositivos analógicos. Tutorial MT-038.
  16. ↑ a b Jung, Walter G. (2004). "Capítulo 8: Historia del amplificador operacional". Manual de aplicaciones de amplificadores operacionales . Newnes. pag. 777. ISBN 978-0-7506-7844-5. Consultado el 15 de noviembre de 2008 .
  17. ^ Ragazzini, John R .; Randall, Robert H .; Russell, Frederick A. (mayo de 1947). "Análisis de problemas en dinámica por circuitos electrónicos". Actas de la IRE . IEEE. 35 (5): 444–452. doi : 10.1109 / JRPROC.1947.232616 . ISSN 0096-8390 . 
  18. ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 7 de octubre de 2012 . Consultado el 27 de diciembre de 2012 . Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
  19. ^ "El archivo Philbrick" . www.philbrickarchive.org . Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2012 . Consultado el 28 de abril de 2018 .
  20. ^ Anuncio de junio de 1961 para Philbrick P2, "El amplificador Philbrick P2 totalmente nuevo y de estado sólido" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 8 de octubre de 2011 . Consultado el 11 de mayo de 2011 .
  21. ^ Malvino, AP (1979). Principios electrónicos (2ª ed.). pag. 476 . ISBN 0-07-039867-4.

Lectura adicional [ editar ]

Libros
  • Amplificadores operacionales para todos ; 5th Ed; Bruce Carter, Ron Mancini; Newnes; 484 páginas; 2017; ISBN 978-0128116487 . (2 MB PDF - 1.a edición) 
  • Amplificadores operacionales: teoría y diseño ; 3ª Ed; Johan Huijsing; Saltador; 423 páginas; 2017; ISBN 978-3319281261 . 
  • Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales: teoría y aplicación ; 3ª Ed; James Fiore; Creative Commons; 589 páginas; 2016. (13 MB PDF Texto) (2 MB PDF Lab)
  • Análisis y Diseño de Circuitos Lineales ; 8ª Ed; Roland Thomas, Albert Rosa, Gregory Toussaint; Wiley; 912 páginas; 2016; ISBN 978-1119235385 . 
  • Diseño con amplificadores operacionales y circuitos integrados analógicos ; 4th Ed; Sergio Franco; McGraw Hill; 672 páginas; 2015; ISBN 978-0078028168 . 
  • Diseño de audio de pequeña señal ; 2nd Ed; Douglas Self ; Prensa focal; 780 páginas; 2014; ISBN 978-0415709736 . 
  • Manual de diseño de circuitos lineales ; 1ª Ed; Hank Zumbahlen; Newnes; 960 páginas; 2008; ISBN 978-0750687034 . (35 MB PDF) 
  • Manual de aplicaciones de amplificadores operacionales ; 1ª Ed; Walt Jung ; Dispositivos analógicos y novedades; 896 páginas; 2005; ISBN 978-0750678445 . (17 MB PDF) 
  • Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales ; 6th Ed; Robert Coughlin, Frederick Driscoll; Prentice Hall; 529 páginas; 2001; ISBN 978-0130149916 . 
  • Libro de recetas de filtro activo ; 2nd Ed; Don Lancaster ; Sams; 240 páginas; 1996; ISBN 978-0750629867 . (28 MB PDF - 1.a edición) 
  • Libro de cocina IC Op-Amp ; 3ª Ed; Walt Jung ; Prentice Hall; 433 páginas; 1986; ISBN 978-0138896010 . (18 MB PDF - 1.a edición) 
  • Mini portátil del ingeniero - Circuitos IC OpAmp ; 1ª Ed; Forrest Mims III; Radio Shack; 49 páginas; 1985; ASIN B000DZG196. (4 MB PDF)
  • Amplificadores operacionales IC intuitivos: desde los conceptos básicos hasta las aplicaciones útiles ; 1ª Ed; Thomas Frederiksen; Semiconductor Nacional ; 299 páginas; 1984; ISBN 978-9997796677 . 
  • Diseño con amplificadores operacionales: alternativas de aplicaciones ; 1ª Ed; Jerald Graeme; Burr-Brown y McGraw Hill; 269 ​​páginas; 1976; ISBN 978-0070238916 . 
  • Aplicaciones de amplificadores operacionales - Técnicas de tercera generación ; 1ª Ed; Jerald Graeme; Burr-Brown y McGraw Hill; 233 páginas; 1973; ISBN 978-0070238909 . (37 MB PDF) 
  • Amplificadores operacionales: diseño y aplicaciones ; 1ª Ed; Jerald Graeme, Gene Tobey, Lawrence Huelsman; Burr-Brown y McGraw Hill; 473 páginas; 1971; ISBN 978-0070649170 . 
Libros con capítulos opamp
  • Aprender el arte de la electrónica: un curso práctico de laboratorio ; 1ª Ed; Thomas Hayes, Paul Horowitz ; Cambridge; 1150 páginas; 2016; ISBN 978-0521177238 . (La parte 3 tiene 268 páginas) 
  • El arte de la electrónica ; 3ª Ed; Paul Horowitz , Winfield Hill; Cambridge; 1220 páginas; 2015; ISBN 978-0521809269 . (El capítulo 4 tiene 69 páginas) 
  • Lecciones de Circuitos Eléctricos - Volumen III - Semiconductores ; 5th Ed; Tony Kuphaldt; Proyecto Libro Abierto; 528 página; 2009. (El Capítulo 8 tiene 59 páginas) (4 MB PDF)
  • Solución de problemas de circuitos analógicos ; 1ª Ed; Bob Pease ; Newnes; 217 páginas; 1991; ISBN 978-0750694995 . (El capítulo 8 tiene 19 páginas) 
  • Manual de aplicaciones analógicas ; 1ª Ed; Signetics ; 418 páginas; 1979. (El Capítulo 3 tiene 32 páginas) (32 MB PDF)

Enlaces externos [ editar ]

  • Colección de circuitos de amplificador operacional - National Semiconductor Corporation
  • Amplificadores operacionales : capítulo sobre todo sobre circuitos
  • Ganancia de bucle y sus efectos en el rendimiento del circuito analógico : introducción a la ganancia de bucle, ganancia y margen de fase, estabilidad de bucle
  • Medidas simples de amplificador operacional Cómo medir voltaje de compensación, corriente de compensación y polarización, ganancia, CMRR y PSRR.
  • Amplificadores operacionales . Texto introductorio en línea de EJ Mastascusa ( Universidad de Bucknell ).
  • Introducción a las etapas del circuito de amplificador operacional, filtros de segundo orden, filtros de paso de banda de amplificador operacional único y un intercomunicador simple
  • Diseño de amplificador operacional MOS: descripción general del tutorial
  • Predicción de ruido del amplificador operacional (todos los amplificadores operacionales) usando ruido puntual
  • Conceptos básicos del amplificador operacional
  • Historia del amplificador operacional , desde válvulas de vacío hasta aproximadamente 2002
  • Entrevista histórica de OpAmp de Loebe Julie por Bob Pease
  • www.PhilbrickArchive.org  - Un depósito gratuito de materiales de George A Philbrick / Researches - Operational Amplifier Pioneer
  • ¿Cuál es la diferencia entre amplificadores operacionales y amplificadores de instrumentación? , Revista de diseño electrónico
Hojas de datos / Libros de datos
  • LM301, Single BJT OpAmp, Texas Instruments [ enlace muerto permanente ]
  • LM324, amplificador operacional Quad BJT, Texas Instruments
  • LM741, amplificador operacional BJT único, Texas Instruments
  • NE5532, Dual BJT OpAmp, Texas Instruments (NE5534 es sencillo similar)
  • TL072, amplificador operacional JFET doble, Texas Instruments (TL074 es cuádruple)