INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA.

INVESTIGACIÓN DE UNIDAD IV

AMPLIFICADORES OPERACIONALES (OPAMP)

Presentado al

Profesor Enrique Huerta López

de la materia

Electrónica Analógica

PRESENTADO POR:

Nájera Coronado, Orson Edibaldo 13211171

TIJUANA BAJA CALIFORNIA, MÉXICO.

Lunes 09, Noviembre, 2015

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN DE LA

UNIDAD IV

AMPLIFICADORES OPERACIONALES COMO

CIRCUITOS INTEGRADOS Y SUS

APLICACIONES

RESUMEN

El amplificador operacional es un circuito complejo integrado por elementos discretos tales como

transistores y resistencias. Son hechos para amplificar, filtrar, comparar o para la conversión de alguna señal.

Dependiendo del tipo de amplificador operacional que esté integrado en un circuito, puede realizar varias

funciones electrónicas diferentes, como suma, resta, multiplicación, división, integración o diferenciación.

Un amplificador operacional es un circuito electrónico que consiste generalmente en una primer etapa tipo

amplificador diferencial, seguida de una o varias etapas que proporcionan alta ganancia de voltaje y un

desplazamiento de nivel adecuado, y una última etapa (configuración push-pull de simetría complementaria)

que presenta baja impedancia de salida, todas acopladas directamente de manera que funciona como un

amplificador de voltaje diferencial de muy alta ganancia capaz de operar desde DC.

ÍNDICE

PORTADA ................................................................................................................................... 1

HOJA TÍTULO ............................................................................................................................. 2

RESUMEN ................................................................................................................................... 2

ÍNDICE ......................................................................................................................................... 3

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 4

OBJETIVOS ................................................................................................................................. 6

AMPLIFICADOR OPERACIONAL (OPAMP) .......................................................................... 7

CONTRUCCION Y TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES ............................. 7

ESTRUCTURA Y OPERACIONES DE LOS OPAMP .............................................................. 9

CONFIGURACIONES BASICAS ............................................................................................. 12

APLICACIONES ....................................................................................................................... 17

CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 19

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................ 19

ANEXOS .................................................................................................................................... 20

INTRODUCCIÓN

El concepto original del OPAMP (amplificador operacional) procede del campo de los computadores

analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como

en los años 40. El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un

amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia

extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de

realimentación utilizados. Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación,

podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales

del circuito estaban determinadas sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo

amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores

operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos.

Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de

vacío. El uso generalizado de los OPAMP no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron

a aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales,

fabricándose módulos que realizaban la circuitería interna del amplificador operacional mediante

diseño discreto de estado sólido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros

amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos años los amplificadores

operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estándar de diseño, abarcando

aplicaciones mucho más allá del ámbito original de los computadores analógicos.

Con la posibilidad de producción en masa que las técnicas de fabricación de circuitos integrados

proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes

cantidades, lo que, a su vez contribuyó a rebajar su coste. Hoy en día el precio de un amplificador

operacional integrado de propósito general, con una ganancia de 100 dB, una tensión offset de entrada

de 1 mV, una corriente de entrada de 100 nA. Y un ancho de banda de 1 MHz. es inferior a 1 euro. El

amplificador, que era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha

evolucionado para convertirse en un componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado por

completo el panorama del diseño de circuitos lineales.

Con componentes de ganancia altamente sofisticados disponibles al precio de los componentes pasivos,

el diseño mediante componentes activos discretos se ha convertido en una pérdida de tiempo y de

dinero para la mayoría de las aplicaciones dc y de baja frecuencia. Claramente, el amplificador

operacional integrado ha redefinido las "reglas básicas" de los circuitos electrónicos acercando el

diseño de circuitos al de sistemas. Lo que ahora debemos de hacer es a conocer bien los OPAMP, cómo

funciona, cuáles son sus principios básicos y estudiar sus aplicaciones

Comportamiento en corriente continua de un OPAMP

Lazo abierto

La salida del Amplificador Operacional será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.

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

ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000 V.

Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el

Amplificador Operacional estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para su uso en

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

no inversora) la salida será VS+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - (entrada inversora)

la salida será la alimentación VS-.

Lazo cerrado o realimentado

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

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

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

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

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

también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para

mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor.

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

circuito:

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

I+ = I- = 0

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

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

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

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

entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente

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

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

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

corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.

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

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

un oscilador para generar señales oscilantes.

Comportamiento en corriente alterna

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

ciertas frecuencias aparecen limitaciones. Ver sección de limitaciones.

Ganancia de lazo abierto

La ganancia de un circuito es su capacidad de aumentar la amplitud o potencia de una señal de entrada.

La ganancia de lazo abierto es la ganancia de un amplificador operacional cuando no se aplica

retroalimentación. En un amplificador operacional ideal, la ganancia de lazo abierto es infinita. En la

realidad, la ganancia de lazo abierta para un amplificador operacional típico es de aproximadamente

10 a la potencia de cinco o 100000.

Rango de voltaje

En un amplificador operacional ideal, el rango de voltajes disponible en la salida se considera infinito.

En la realidad, los voltajes positivos y negativos máximos en la salida están limitados por el suministro

de voltajes disponibles para el amplificador operacional.

Ancho de banda infinito

El ancho de banda disponible de un amplificador operacional es infinito. La respuesta de magnitud de

frecuencia de un amplificador operacional es plana, con un cambio de fase cero. Esto significa que la

frecuencia de la señal de salida será exactamente la misma que la frecuencia de la señal de entrada y

que las formas de ondas estarían exactamente sincronizadas.

Potencia del ancho de banda y velocidad de respuesta

La potencia del ancho de banda es el rango de frecuencias en las que la corriente de salida completa y

el voltaje están disponibles. En un amplificador operacional ideal se asume que es infinita; eso es, la

potencia completa está disponible en todas las frecuencias. La velocidad de respuesta también se asume

infinita. En otras palabras, la velocidad de campo del voltaje de salida se considera que no tiene límites.

Corriente de entrada y ruido

Se asume que no haya pérdidas y ninguna corriente de polarización en un amplificador operacional

ideal. La corriente de entrada se asume que es cero. El ruido (interferencia extraña y no querida con la

señal) también se asume que es cero.

Impedancia de entrada y salida

La impedancia de entrada es la oposición de que el amplificador operacional presenta al flujo de la

corriente cuando se aplica un voltaje en su entrada. En un amplificador operacional ideal, la impedancia

de entrada se asume que es infinita. La impedancia de la salida también.

Relación de rechazo de modo común y relación de rechazo de suministro de energía

La relación de rechazo de modo común (CMRR, siglas en inglés) es la tendencia del amplificador

operacional de rechazar la entrada que es igual en ambas terminales de entrada. La relación de rechazo

de suministro de energía (PSRR, en inglés) es la relación de la velocidad de cambio en el suministro

de voltaje del amplificador operacional con el voltaje de entrada diferencial que el suministro de voltaje

produce en el dispositivo. Ambos se asumen que son infinitos en un amplificador operacional ideal.

General

Dos importantes conceptos básicos pueden derivarse de las variadas características de un amplificador

operacional ideal. Primero, el voltaje de entrada diferencial es cero. Segundo, el flujo de corriente en

cualquier terminal de entrada también es cero. Estas dos propiedades son fundamentales en toda teoría

de amplificadores operacionales y diseño de circuitos.

OBJETIVO

El objetivo de esta investigación es aprender acerca de los amplificadores operacionales como

circuitos integrados, sus aplicaciones, su composición, sus clasificaciones, funciones y utilidades.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL (OPAMP)

El amplificador operacional es un componente electrónico que puede describirse como un circuito

complejo formado por varios transistores y otros componentes (todo en un solo circuito integrado). El

OPAMP, es uno de los circuitos integrados más empleados. Su nombre se debe a que su función resulta

muy útil en el área de la computación e instrumentación, siendo empleados para operaciones

matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras

análogas. Los primeros amplificadores operacionales estaban fabricados con componentes discretos

(válvulas, después transistores y resistencias) y su costo era muy alto, a pesar de esto, los diseñadores

comenzaron a prestarle su atención, incorporando amplificadores operacionales en sus circuitos, la

demanda de nuevos y mejores dispositivos hizo que los fabricantes de componentes electrónicos

resolvieran el problema del costo y la calidad.

La versatilidad de los OPAMP, es la razón por la cual han tenido tanto éxito. Un circuito de propósito

general que puede emplearse en una cantidad enorme de aplicaciones, añadiendo a esto que los modelos

necesarios para analizar su comportamiento son muy sencillos, y que en la mayoría de los casos puede

asumirse un comportamiento ideal.

CONSTRUCCION Y TIPOS DE OPAMP

El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica levemente la diferencia

de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que se amplifica el modo diferencial de las

señales, mientras que el modo común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia

intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia

total es muy elevada, típicamente del orden de 105. Finalmente, en la última etapa no se amplifica la

tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades.

Para que este dispositivo pueda funcionar necesitará una fuente de alimentación que polarice sus

transistores internos. Habitualmente se emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra

negativa. De este modo se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de

salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el

operacional está formado por componentes no generadores.

En la mayoría de los casos, es posible conocer el comportamiento de un circuito en el que se inserta un

operacional sin tener en cuenta su estructura interna. Para ello hay que definir, un componente ideal

que nos permita una primera aproximación. Y también, los cálculos rigurosos necesitarán de modelos

más complejos, para los que sí es necesario estudiarlo más profundamente.

El símbolo del amplificador operacional

El operacional tiene cinco terminales:

Entrada no inversora (A)

Entrada inversora (B)

Alimentación positiva (Vcc)

Alimentación negativa (-VCC)

Salida (VS)

A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que no afectan al funcionamiento.

La representación circuital está formada por una resistencia de entrada, que une los dos terminales, y

un generador de tensión de salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las entradas.

Las características más relevantes del amplificador operacional son:

Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M.

Ganancia muy elevada: Mayor que 105.

Las consecuencias que se derivan de estas características son:

La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan elevada, la corriente que

circula por los terminales inversor y no inversor puede despreciarse.

La ganancia puede considerarse infinita.

Con estas dos aproximaciones puede abordarse ya el análisis de algunos circuitos sencillos. Existen

varios tipos de amplificadores operacionales, a continuación se muestran algunos de los más comunes,

acompañados de sus respectivas descripciones.

Amplificador inversor/no inversor

El propósito definitivo de cualquier amplificador es aumentar la señal de un circuito en particular. Lo

que diferencia a los amplificadores operacionales de los otros es que realizan algunos procesos

matemáticos adicionales a la señal mientras la amplifican. Un amplificador operacional no inversor es

esencialmente el tipo "base" que incrementa la ganancia de una señal electrónica sin ningún otro

proceso adicional. Un amplificador operacional inversor aumentará la ganancia de la señal y también

revertirá la polaridad de la señal de salida, de positivo a negativo o viceversa.

Seguidor de voltaje

Un seguidor de voltaje es usado para aumentar la señal de circuitos con voltajes variables. Aplica el

mismo tipo de aumento de ganancia que el amplificador estándar, pero se rastrearán variaciones en la

ganancia de entrada y se emparejarán por la señal de salida. Este tipo de circuitos son a menudo usados

por delante de otros sistemas para prevenir el daño por cambios súbitos de voltaje.

Amplificadores de suma/resta

Estas dos variedades de amplificadores operacionales realizan un proceso aritmético en la señal. Un

amplificador operacional de resta saca una señal que es igual a la resta entre sus dos entradas. Un

amplificador de suma combina diferentes voltajes de un número de entradas, y saca una ganancia

basándose en los voltajes combinados. Cualquiera de estos circuitos puede ser configurado para operar

como sistemas inversores o no inversores.

Integradores/diferenciadores

Las variedades más complejas de amplificadores operacionales son los integradores y diferenciadores.

La suma de un capacitador al circuito significa que el integrador reacciona a cambios en el voltaje con

el tiempo. La magnitud del voltaje de salida cambia, basándose en la cantidad de tiempo que un voltaje

gasta apareciendo en la entrada. El diferenciador es lo opuesto a esto. El voltaje producido en el canal

de salida es proporcional a la tasa de cambio de la entrada. Los cambios más grandes y rápidos en el

voltaje de entrada producirán voltajes de salida más altos.

ESTRUCTURA Y OPERACIONES DE LOS OPAMP

Aunque es usual presentar al Amplificador

Operacional como una caja negra con características

ideales es importante entender la forma en que

funciona, de esta forma se podrá entender mejor las

limitaciones que presenta, pues un componente tan

complejo como para ser empleado en operaciones

matemáticas como las sumas, restas, multiplicaciones,

divisiones, integraciones y diferenciaciones, debe tener

ciertas limitaciones.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada

producto, pero todos los Amplificador Operacional

tienen básicamente la misma estructura interna, que

consiste en tres etapas:

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

gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.

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

impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.

Etapa de entrada

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 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 sigue.

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 ( ) 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 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 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 realimentación. 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 realimentación 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 ); 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 condición reduciendo la distorsión "crossover". En algunos amplificadores con

componentes discretos esta función se logra con diodos de silicio (generalmente dos en serie).

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 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 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), exceptuando que:

Algunos dispositivos (uA748, LM301 y 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 mili voltios).

CONFIGURACIONES BASICAS

Todas las características de los circuitos que se han descrito son importantes, puesto que, son las bases

para la completa fundamentación de la tecnología de los circuitos amplificadores operacionales. Los

cinco criterios básicos que describen al amplificador ideal son fundamentales, y a partir de estos se

desarrollan los tres principales axiomas de la teoría de los amplificadores operacionales, los cuales

repetimos aquí:

1.- La tensión de entrada diferencial es nula

2.- No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada

3.- En bucle cerrado, la entrada (-) será regulada al potencial de entrada (+) o de referencia.

Estos tres axiomas se han ilustrado en todos los circuitos básicos y sus variaciones. En la configuración

inversora, los conceptos de corriente de entrada nula, y tensión de entrada diferencial cero, dan origen

a los conceptos de nudo suma y tierra virtual, donde la entrada inversora se mantiene por realimentación

al mismo potencial que la entrada no inversora a masa. Usando el concepto de la entrada no inversora

como terminal de referencia, el amplificador no inversor y el seguidor de emisor ilustran como una

tensión de entrada es indirectamente multiplicada a través de una realimentación negativa en la entrada

inversora, la cual es forzada a seguir con un potencial idéntico. La configuración diferencial combina

estos conceptos, ilustrando el ideal de la simultaneidad de la amplificación diferencial y del rechazo de

la señal en modo común. Las variaciones del inversor ponen de nuevo de manifiesto los principios

básicos. En todos estos circuitos, hemos visto también cómo el funcionamiento está solamente

determinado por los componentes conectados externamente al amplificador.

Hasta este momento, hemos definido el AO en sentido ideal y hemos examinado sus configuraciones

básicas. Con una definición adicional, la simbología del dispositivo, llegaremos al mundo real de los

dispositivos prácticos, examinaremos sus desviaciones respecto al ideal, y veremos cómo superarlas.

INVERSOR

La configuración más sencilla es la inversora. Dada una señal

analógica (por ejemplo de audio) el amplificador inversor

constituye el modo más simple de amplificar o atenuar la

señal (en el ejemplo propuesto modificar el volumen de la

señal).

Se comenzará por la configuración más adecuada para nuestros propósitos:

El modo amplificador inversor. Hemos afirmado anteriormente que la impedancia de entrada del

dispositivo es infinita, por lo cual no circulará corriente en el interior del amplificador operacional y

las resistencias R1 y R2 estarán dispuestas en serie. Por encontrarse estas resistencias dispuestas en

serie la corriente que atravesará ambas será la misma, podemos afirmar por tanto:

A continuación se va a demostrar cómo Va es nula. Si tenemos en cuenta que la ganancia de tensión

de un amplificador operacional debe atender a la relación salida/entrada:

Al ser una de las características del OPAMP la ganancia en tensión infinita podemos intuir que la única

solución válida es disponer a la entrada del OPAMP de una tensión nula.

Al llegar a este punto se destaca que no debe confundirse la entrada del OPAMP constituida por las

patas inversora y no inversora con la entrada de la etapa amplificadora inversora.

Se llega a la conclusión de que la diferencia de potencial en la entrada del operacional

debe ser nula. Puesto que en el circuito la pata no inversora se halla conectada a tierra el

valor de Va será nulo o de lo contrario la diferencia de tensión en la entrada del OPAMP

no sería nula.

Al analizar a continuación el resultado obtenido se puede ver claramente que la tensión de salida es

proporcional a la tensión de entrada, siendo el factor de proporcionalidad una constante que definimos

con las resistencias R1 y R2. Se acaba de diseñar el primer amplificador, ya que este simple

amplificador operacional puede atenuar o amplificar las señales aplicadas a su entrada. El nombre de

inversor viene dado por el signo negativo presente en la fórmula. Es decir, el montaje invierte la fase

de la señal; este detalle no puede pasarse por alto para señales que requieran cuidar su fase.

Finalmente debemos destacar la presencia de la resistencia R3, cuya misión no es sino la de compensar

los posibles efectos no deseados debidos a imperfecciones en el funcionamiento de los amplificadores

operacionales reales. En concreto busca disminuir el efecto nocivo de unas intensidades de polarización

residuales presentes en las entradas del OPAMP (lo que conlleva una impedancia de entrada elevada

pero no infinita).

Antes de continuar con las siguientes configuraciones es de suma importancia comprender

completamente el amplificador inversor.

NO INVERSOR

Se ha razonado que la diferencia de tensión en las patillas de entrada

del amplificador operacional ha de ser nula, por lo que la tensión

presente en la patilla inversora será la misma que la presente en el

no-inversor. Por hallarse las resistencias R1 y R2 en serie, la

corriente que las atravesará será la misma y conocida, ya que

sabemos el valor de R1 y las tensiones en sus extremos (Vin y 0):

Se puede apreciar cómo no existe signo negativo en la expresión (no se invierte la señal), siendo además

la ganancia siempre superior a la unidad. Este circuito no permite por consiguiente atenuar señales.

Se hará una puntualización con respecto a la conveniencia de uso del inversor / no inversor. La

inversión de fase no resulta significativa en el tratamiento de señales alternas, ya que dichas señales

varían entre semiciclos positivos y negativos. Un amplificador inversor aplicado a una señal alterna

tiene como resultado una simple inversión de fase. Sin embargo en señales de continua el resultado es

bien distinto. Si deseamos duplicar una tensión continua e introducimos a la entrada de un amplificador

inversor 2V a la salida tendremos - 4V (negativos), lo cual puede ser un inconveniente en determinadas

aplicaciones. La elección de una etapa u otra depende por consiguiente de las condiciones concretas de

diseño.

SUMADOR

Esencialmente no es más que un amplificador en configuración inversora.

Difiere de este último en la red resistiva empleada en sustitución de la

resistencia R1 utilizada en el ejemplo de configuración inversora.

El desarrollo matemático es el mismo. Debido a la ganancia de tensión infinita del amplificador para

que la tensión de salida sea un número finito la tensión de entrada debe ser nula. Puesto que una de las

patillas (el no-inversor en este caso) se encuentra conectada a tierra a través de la resistencia Re, la otra

patilla (patilla inversora) debe presentar también este valor.

Debido a la impedancia de entrada infinita del amplificador, la suma de intensidades que atraviesen las

resistencias R1, R2,...Rn será igual a la intensidad que atraviese la resistencia Rs (según la primera ley

de Kirchhoff). Por tanto podemos afirmar que:

Al llegar a este punto se debe particularizar la presente configuración para obtener un sumador. Si se

afirma la igualdad entre las resistencias R1=R2=...=Rn y además se hace que este valor coincida con

el de la resistencia Ro se obtiene una tensión de salida igual a la suma algebraica de tensiones de entrada

(con la correspondiente inversión de fase). Nótese la importancia de esta particularización para la

comprensión de los antiguos calculadores analógicos:

RESTADOR

Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias

iguales

La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2 + Rin, donde Rin representa la

resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada del

amplificador de modo común.

Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con

otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación.

COMPARADOR

Es la única aplicación del amplificador

operacional en lazo abierto. Debido al alto valor

que presenta la ganancia diferencial Ad, al

existir una diferencia entre Va y Vb,

automáticamente el amplificador se satura,

cuando Va es mayor que Vb, Vo es igual a VOH, cuando Vb es mayor que Va, Vo es igual a VOL.

Las variaciones de vo no son instantáneas, sino que están limitadas a la velocidad de respuesta del

Opamp, también conocida como slew rate (tasa de cambio), es decir el tiempo para conmutar de VOL a

VOH, o viceversa está limitada a un tiempo mínimo. Este tiempo de respuesta está dado por la

siguiente ecuación:

INTEGRADOR

Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para

mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a

IIN.

Una modificación del amplificador inversor, el integrador, mostrado en la figura 6, se aprovecha de

esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN.

Como ocurría en el amplificador inversor, V(-) = 0, puesto que V(+) = 0, y por tener impedancia infinita

toda la corriente de entrada Iin pasa hacia el condensador CF, llamaremos a esta corriente IF.

El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente

constante IF, en CF da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral

de la corriente de entrada, que es forzada a cargar CF por el lazo de realimentación.

La variación de tensión en CF es

Como en otras configuraciones del amplificador

inversor, la impedancia de entrada es simplemente RG

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este

circuito

Por supuesto la rampa dependerá de los valores de la

señal de entrada, de la resistencia y del condensador.

DIFERENCIADOR

Una segunda modificación del amplificador inversor, que también

aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador

mostrado en la figura.

En este circuito, la posición de R y C están al revés que en el integrador, estando el elemento

capacitativo en la red de entrada. Luego la corriente de entrada obtenida es proporcional a la tasa de

variación de la tensión de entrada:

De nuevo diremos que la corriente de entrada IIN, circulará por RF, por lo que IF = IIN

Y puesto que VOUT= - IF RF Sustituyendo obtenemos

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

SEGUIDOR DE TENSIÓN

Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de

ganancia unidad mostrada en la figura.

En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta

infinito, y RF es cero, y la realimentación es del 100%. V0 es entonces

exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como "seguidor de emisor" puesto que

la salida es una réplica en fase con ganancia unidad de la tensión de entrada. La impedancia de entrada

de esta etapa es también infinita.

APLICACIONES

Existen numerosas aplicaciones construidas con el OPAMP. La metodología básica de análisis en

aplicaciones lineales considera el OPAMP ideal para la determinación de la relación entrada-salida. El

uso de la relación entrada-salida permite describir las aplicaciones no lineales en lazo abierto y sistemas

realimentados positivamente. El análisis en el caso de los generadores de función y osciladores resulta

más complejo debido al estudio cualitativo y matemático involucrado.

El OPAMP permite diseñar distintas aplicaciones, tanto lineales como no lineales. El análisis es distinto

para cada aplicación, pero es vital para comprender su diseño. En los siguientes apartados se presentas

distintas aplicaciones.

El computador Analógico

Esta es la aplicación más clásica del OPAMP y permite la resolución de ecuaciones diferenciales, mediante una

combinación de integradores y derivadores. En el clásico artículo de Ragazzini et al. (1947) fue definido y

nombrado formalmente el concepto de OPAMP, y se presenta un sistema electrónico para solucionar ecuaciones

integro-diferencial.

Integrador Práctico Diferenciador Práctico Simbología de Computación Analógica

Circuitos comparadores

Son circuitos que permiten comparar y determinar cuál de dos voltajes es mayor. Los comparadores se

construyen mediante OPAMP en lazo abierto o con realimentación positiva.

Comparadores de lazo abierto Comparador de ventana

Circuitos generadores de señal

Los circuitos generadores de señal permiten proveer una señal arbitraria mediante un circuito que no necesita

excitación. Todos estos circuitos presentan realimentación positiva, es por esto que los más básicos están

basados en un disparador de Schmitt

Generador de onda cuadrada Generador de onda triangular

Circuitos Osciladores senoidales

Oscilador de Wien Oscilador seno-coseno (oscilador de cuadratura) Oscilador sinusoidal

Twin-T

Amplificadores de Instrumentación

El Amplificador de Instrumentación (AI) es uno de los circuitos electrónicos más versátiles usados en los

sistemas de instrumentación moderna. Básicamente, es un amplificador con entrada diferencial de muy alta

impedancia y muy alto CMRR, normalmente de ganancia ajustable y baja impedancia de salida, usado con

señales continuas y alternas. En los sistemas de instrumentación se requiere un amplificador que responda a la

diferencia de dos señales, las cuales son referenciadas sobre un punto común, debe tener un alto CMRR (para

atenuar al máximo las señales en modo común). Como el transductor es una fuente de alta impedancia, esto

implica que el amplificador debe tener una alta resistencia de entrada para obtener una mejor prestación.

Amplificador diferencial Amplificador de instrumentación

Rectificadores de precisión

Rectificadores de media onda Rectificador de onda completa

Amplificador logarítmico y anti logarítmico

Los amplificadores logarítmicos y anti logarítmicos son usados para implementar la multiplicación y división

de señales analógicas o para obtener la función indicada sobre la señal. El amplificador, se debe usar un

dispositivo que tenga dicha característica, tal como el diodo semiconductor.

Multiplicación de señales analógicas División de señales analógicas

CONCLUSIONES

El amplificador operacional es un circuito integrado de bajo coste capaz de realizar una gran cantidad

de funciones con algunos pocos componentes discretos.

Los amplificadores operacionales son uno de los componentes claves de los circuitos electrónicos

análogos. Originalmente usados para realizar operaciones matemáticas (sumador, restador,

integrador, diferenciador, amplificador de instrumentación, adaptador de nivel, etc.), también se usan

en muchas otras aplicaciones, como filtrado y acondicionamiento de señal. La teoría de

amplificadores operacionales se basa en el concepto de un amplificador operacional ideal con ciertas

características; en el mundo real, éstos operan ligeramente distinto, aun así resulta ser muy útil.

El amplificador operacional se comportara de forma lineal si la circulación de corriente entre salida y

entrada es negativa, y si la tensión de salida no supera los límites de la tensión de alimentación.

BIBLIOGRAFÍA Circuitos y señales. Introducción a los sistemas lineales y de acoplamiento. Autor: Thomas Rosa. Editorial Reverté.

Microelectronic Circuits. Autores: Sedra/Smith. Editorial Oxford University Press.

http://www.ehowenespanol.com/tipos-amplificadores-operacionales-info_266195/

http://www.ehowenespanol.com/teoria-amplificadores-operacionales-info_281741/

http://html.rincondelvago.com/amplificadores-operacionales_4.html

http://es.slideshare.net/Huugeex/clases-amplificadores-operacionales

http://html.rincondelvago.com/amplificadores-operacionales_2.html

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http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/ampli_oper.htm

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https://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.asp

http://quegrande.org/apuntes/grado/1G/TEG/teoria/10-11/tema_12_-_amplificador_operacional._aplicaciones.pdf

http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/apaoieee.pdf

ANEXOS

LIMITACIONES DE LOS OPAMS

Saturación. Un Amplificador Operacional típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores. Un concepto asociado a éste es el Slew rate.

Tensión de offset. Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de la temperatura (T) del operacional como sigue:

Donde T0 es una temperatura de referencia.

Un parámetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensión de offset en la entrada de un operacional es el CMRR

(Rechazo al modo común).

Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio,

relación de rechazo a la fuente de alimentación). La PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a la variación de los voltajes de

alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:

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

Idealmente ambas deberían ser cero.

Característica tensión-frecuencia. Al Amplificador Operacional típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante.

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

pocos Hercios (Hz). Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda

aceptable. Existen modelos de diferentes Amplificador Operacional para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima

mantener las características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

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

Deriva térmica. Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los Amplificadores Operacionales también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.