HISTORIA DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Los primeros años del amplificador operacional no fueron los de un circuito integrado de 8 patitas. Este amplificador operacional era un tubo al vacío. El Sr. George Philbrick, que trabajaba en los Huntington Engeneering Labs, y a quien se le atribuye su invención, lo introdujo al mercado en el año 1948. La idea principal de estos "operacionales" originales era la de ser utilizados en computadoras analógicas, para sumar, restar, multiplicar y realizar operaciones más complejas. Fue la empresa Fairchild la que en los años 1964 y 1967 introdujo al mercado los conocidos Amplificadores operacionales 702, 709 y 741. Y la National Semicoductor hizo lo mismo con el 101/301. Estos circuitos integrados son muy versátiles, de bajo precio, tamaño pequeño, con excelentes características y redujeron el diseño de un amplificador a la adición de unos resistores. Con el paso de los años y la mejora en la tecnología de fabricación, los amplificadores operacionales mejoraron notablemente. En su configuración interna se reemplazaron unos transistores bipolares por transistores de efecto de campo (JFET). Estos amplificadores JFET están a las entradas del amplificador operacional incrementándose así la impedancia de entrada de este. El operacional puede ahora amplificar señales que pueden tener la amplitud de la fuente que los alimenta y tomar muy poca corriente de la señal de entrada. Los transistores MOS (semiconductor de óxido metálico) se pusieron en los circuitos de salida. El primer amplificador (BIFET) con transistores de efecto de campo fue en LF356. El amplificador operacional BIMOS BIMOS como el CA3130 CA3130 tiene entradas bipolares y salida MOS (de allí viene el nombre). Estos últimos amplificadores son más rápidos y tiene unas respuesta mejor a las altas frecuencias que el conocido 741. Hay versiones de varios operacionales en un solo integrado como el LM358 con 2 y el LM324 con 4 amplificadores operacionales juntos. En algún momento se tuvo que especializar el amplificador de propósito general que hasta ahora se había utilizado y salieron al mercado una gran variedad del original: - Capacidad de alta corriente, alto voltaje o ambos - Amplificadores múltiples - Amplificadores de ganancia programable - Amplificadores de instrumentación y control automotriz - Circuitos integrados para comunicaciones - Circuitos integrados para radio / audio / video
Los amplificadores operacionales de propósito general no dejarán de usarse debido a su gran demanda e infinidad de posibles aplicaciones, pero los amplificadores operacionales de propósito específico como los de la lista anterior seguirán aumentando con el avance de la tecnología.
SIMBOLO ESQUEMATICO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Una herramienta adicional básica del AO es su símbolo esquemático. Este es fundamental, dado que un esquema correctamente dibujado nos dice mucho sobre las funciones de un circuito. El símbolo más usado se muestra en la figura 9 con algunas aclaraciones anotadas.
El símbolo básico es un triángulo, el cual generalmente presupone amplificación. Las entradas están en la base del triángulo, y la salida en el ápice. De acuerdo con el convenio normal del flujo de señal, el símbolo se dibuja con el ápice (salida) a la derecha, pero puede alterarse si es necesario para clarificar otros detalles del circuito. Usualmente, las dos entradas se dibujan como se indica en la figura; la entrada no inversora (+) es la inferior de las dos. Excepciones a esta regla se producen en circunstancias especiales, en las que podría ser difícil mantener el convenio estándar. Además, las dos entradas están claramente identificadas por los símbolos (+) y (-), los cuales se sitúan adyacentes a sus respectivos terminales dentro del cuerpo del triángulo. Como se ve, los terminales de las tensiones de alimentación se dibujan, preferiblemente, por encima y debajo del triángulo. Estos pueden no ser mostrados en todos los casos (en favor de la simplicidad) pero siempre están implícitos. Generalmente, en croquis, basta con usar el símbolo de tres terminales para dar a entender el significado, sobreentendiendo las conexiones de alimentación. Finalmente, el tipo o número del dispositivo utilizado se sitúa centrado en el interior del triángulo. Si el circuito es uno general, indicativo de un amplificador operacional cualquiera, se usa el símbolo A
EL AMPLIFICADOR OPERACIONA IDEAL Los fundamentos básicos del amplificador operacional ideal son relativamente fáciles. Quizás, lo mejor para entender el amplificador operacional ideal es olvidar todos los pensamientos convencionales sobre los componentes de los amplificadores, transistores, tubos u otros cualesquiera. En lugar de pensar en ellos, piensa en términos generales y considere el amplificador como una caja con sus terminales de entrada y salida. Trataremos, entonces, el amplificador en ese sentido ideal, e ignoraremos qué hay dentro de la caja .
V0 = a Vd a = infinito Ri = infinito Ro = 0 BW (ancho de banda) = infinito V0 = 0 sí Vd = 0 En la fig. se muestra un amplificador idealizado. Es un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida. Con una tensión de entrada diferencial, Vd, la tensión de salida, Vo, será a Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizarán siempre independientemente de la aplicación. La señal de salida es de un sólo terminal y está referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares ( ± ) Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, podemos definir ahora las propiedades del amplificador ideal. Son las siguientes:
1. La ganancia de tensión es infinita: 2. La resistencia de entrada es infinita: 3. La resistencia de salida es cero: Ro = 0 4. El ancho de banda es infinito: 5. La tensión offset de entrada es cero: V0 = 0 sí Vd = 0 A partir de estas características del AO, podemos deducir otras dos importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña.
GANANCIA DE LAZO ABIERTO Esta ganancia es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no existe ningún camino de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas. Ver el diagrama inferior. La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula : AV = Vsal/Vent Donde: AV = ganancia de tensión Vsal = tensión de salida Vent = tensión de entrada
En un amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. Como el operacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000 (en amplificador operacional 741C). Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, en donde lo que se desea es saber cuál de las dos entradas tiene mayor tensión .
TERMINALES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES. En la figura 4.1 se muestra el símbolo de un amplificador operacional que es una punta de flecha que significa la alta ganancia y apunta de la entrada a la salida en dirección del flujo de la señal. Los amplificadores operacionales tienen cinco terminales básicas: dos para alimentación de corriente, dos para las señales de entrada y una para la salida. El amplificador operacional ideal de la figura 4.5 tiene ganancia infinita y respuesta a la frecuencia también infinita. Las terminales de entrada no toman corriente de señal ni de polarización, y presentan una resistencia de entrada infinita. La impedancia de salida es de cero ohms y los voltajes de la fuente de poder no tienen límites.
TERMINALES DE ALIMENTACION DE CORRIENTE. Las terminales del amplificador operacional etiquetadas como +V y −V identifican las terminales del amplificador operacional que deben conectarse a la fuente de alimentación. La fuente de alimentación en la figura 4.6 recibe le nombre de fuente bipolar o dividida y los valores típicos son de −15V y +15V. Algunos amplificadores operacionales de propósito especial pueden usar una fuente de polaridad única como +5 o +15 y tierra. N6tese que la tierra no está conectada al amplificador operacional en la figura 4.6 Las corrientes que retornan a la fuente desde dicho amplificador deben pasar a través de los elementos externos del circuito, como por ejemplo la resistencia de carga RL . El voltaje máximo de la fuente que puede aplicarse entre +V y −V suele ser 36V o bien +18V y −18V
TERMINALES DE SALIDA. En la figura 4.6 la terminal de salida del amplificador operacional está conectada a un extremo de la resistencia de carga RL. El otro extremo de RL está conectado a tierra. El voltaje de salida Vo se mide con respecto a tierra. Ya que sólo hay una terminal de salida en un amplificador operacional, se le llama salida de extremo único. Hay un límite a la corriente que pueda tomarse de la terminal de salida de un amplificador operacional, por lo común del orden de 5 a lOmA. También hay límites en los niveles de voltaje en la terminal de salida; estos límites se determinan por los voltajes de alimentación y por los transistores de salida Q14 y Q20 en la figura 4.2. Estos transistores necesitan cerca de 1 a 2 V del colector al emisor para asegurarse de que actúen como amplificadores y no como interruptores. Por tanto , la salida en la terminal puede crecer hasta 1V abajo de +V y caer hasta 2V arriba de −V. El límite superior de Vo se denomina voltaje positivo de saturación, +Vsat, y el límite inferior voltaje negativo de saturación, −Vsat− Por ejemplo, con una fuente de al¡mentaci6n de +15 y −15V, +Vsat = +14V y −Vsat = −13V. Por tanto, Vo e stá restringido a una variación simétrica de pico a pico de +13 y −13V.Ambos límites de corriente y voltaje determinan un valor mínimo en la resistencia de carga RL de 2K. Sin embargo, los amplificadores operacionales de propósito especial como el CA3130 tienen MOS, semiconductores de óxido metálico( metal oxido−semiconductor), en vez de transistores bipolares de salida. Esta salida puede acercarse a pocos milivolts ya sea de + V o −V. La mayor parte de los amplificadores operacionales, entre ellos el 741, tienen circuitos internos que automáticamente limitan la corriente de la terminal de salida. Aún cuando ocurra un cortocircuito en RL, la corriente de salida está limitada a unos 25mA.
TERMINALES DE ENTRADA. En la figura 4.7 hay dos terminales de entrada, etiquetadas − y +. Se denominan terminales de entrada diferencial ya que el voltaje de salida Vo depende de la diferencia de voltaje entre ellas, Ed y la ganancia del amplificador, AOL− Como se muestra en la figura 4.7(a), la terminal de salida es positiva respecto a tierra cuando la entrada (+) es positiva respecto a la entrada(−). Cuando Ed esta invertida como en la figura la entrada (+) es negativa respecto a, o menor, a la entrada (−) y Vo se vuelve negativo respecto a tierra. Se concluye a partir de la figura 4.7 que la polaridad de la terminal de salida es la misma polaridad de la terminal de entrada (+) con respecto a la entrada (−). Es más, la polaridad de la terminal de salida es opuesta o inversa respecto a la polaridad de la terminal de entrada (−). Por estas razones, la entrada (−) se denomina entrada inversora y la entrada (+) se designa entrada no inversora (+). Es importante destacar que la polaridad Vo depende s6lo de la diferencia en voltaje entre las entradas 6 inversora y no inversora. Esta diferencia de voltaje puede encontrarse por:
Ed = voltaje de la entrada (+) − voltaje de la entrada (−) Ambos voltajes de entrada se miden con respecto a tierra. El signo de Ed indica (1) la polaridad de la entrada (+) respecto a la entrada (−) y (2) la polaridad de la terminal de salida con respecto a tierra. Esta ecuación es válida si la entrada inversora está puesta a tierra, si la entrada no inversora está puesta a tierra, e inclusive si ambas entradas están arriba o abajo del potencial tierra.
FUENTE DE PODER Las fuentes de alimentación de los amplificadores operacionales de propósito general son bipolares. Las que se venden en el mercado suelen generar ± 15V. Se les da el nombre de fuente bipolar por que entregan +15 V y -15 V y un punto común de ambas fuentes que se muestra con el símbolo de tierra El común de la fuente de alimentación suele conectarse al tercer conductor del cable de corriente, que conecta con tierra, al chasis en que está contenida la fuente. A continuación se muestra el dibujo esquemático de una fuente portátil para reforzar la idea de que una fuente bipolar contiene dos fuentes de potencia conectadas en serie en el mismo sentido. Las fuentes de poder para los amplificadores operacionales de propósito general son bipolares.
TIERRA VIRTUAL Es un nodo del circuito que se mantiene a un potencial de referencia constante, sin estar conectado directamente al potencial de referencia. En algunos casos, el potencial de referencia se considera que de la superficie de la tierra, y el nodo de referencia se denomina "tierra" o "tierra" como una consecuencia. El concepto de tierra virtual facilita el análisis del circuito de amplificador operacional y otros circuitos y proporciona útiles efectos circuito práctico que sería difícil de lograr por otros medios. Construcción Un divisor de tensión, con dos resistencias, se puede utilizar para crear un nodo de tierra virtual. Si dos fuentes de tensión están conectados en serie con dos resistencias, se puede demostrar que el punto medio se convierte en una tierra virtual si
Un circuito virtual activa del suelo utiliza un amplificador operacional o algún otro elemento de circuito que tiene una ganancia. Desde un amplificador operacional de alta ganancia de bucle ha abierto mucho, la diferencia de potencial entre sus insumos tienden a cero cuando una red de la regeneración se lleva a cabo. Para lograr un voltaje razonable en la salida (y por tanto el equilibrio en el sistema), la salida de los suministros de la entrada que invierte (a través de la red de retroalimentación) con el voltaje suficiente para reducir la diferencia de potencial entre las entradas a microvoltios. La no-que invierte (+) de entrada del amplificador operacional se basa, por lo tanto, su inversión (-) de entrada, pero no conectado a tierra, asumirá un potencial similar, convirtiéndose en una tierra virtual .
DETECTOR NO INVERSOR DE CRUCE POR CERO El amplificador operacional en la fig. opera como un comparador. Su entrada (+) compara el voltaje Ei, con un voltaje de referencia de 0 V (Vref = 0V). Cuando Ei es mayor que el Vref es igual a + Vsat. Esto se debe a que el voltaje en la entrada (+) es más positivo que el voltaje en la entrada (-) Por tanto, el signo de Ed en la ecuación es positivo. En consecuencia, Vo es positivo, por la ecuación La polaridad de Vo indica si Ei está arriba o debajo de Vref. La transición de Vo indica cuando cruza la referencia y en qué dirección.
DETECTOR INVERSOR DE CRUCE POR CERO La entada (-) del amplificador operacional en la figura compara Ei con un voltaje de referencia de 0V (Vref =0V). Este circuito es un detector inversor cruce por cero. Las formas de onda de Vo comparadas con el tiempo y Vo comparado con Ei pueden explicarse con el siguiente resumen: 1.- si Ei está arriba de Vref, Vo es igual a – Vsat 2.- Cuando Ei cruza la referencia y pasa a positivo, Vo realiza una transición hacia lo negativo y pasa de + V sat a – Vsat.
DETECTORES DE NIVEL POSITIVO En la sig. fig. se aplica un voltaje positivo de referencia Vref a una de las terminales del amplificador operacional. Esto significa que el amplificador operacional esta habilitado como un comparador para registrar voltaje positivo. Si el voltaje que sea detectar, Ei, se aplica a la terminal (+) del amplificador operacional, el resultado es un detector no inversor de nivel positivo. Su operación se muestra por las formas de onda en la fig. Cuando Ei está arriba de Vref, Vo es igual a + Vsat. Cuando Ei esta abajo de Vref, Vo es igual a – Vsat. Si Ei se aplica a la entrada inversora como en la figura b), el circuito es un detector inversor de nivel positivo. Su operación puede resumirse en la sig. Afirmación: cuando Ei es mayor que Vref. , Vo es igual a –Vsat. Esta acción del circuito puede verse con más claridad si se observa la gráfica de Ei y Vref contra tiempo en la figura b).
DETECTORES DE NIVEL NEGATIVO La figura 2-6 a) es un detector no inversor de nivel negativo. Este circuito detecta cuando la señal de entrada Ei cruza el voltaje negativo –Vref, Si Ei es mayor que –Vref, Vo es igual a +Vsat .Cuando Ei es menor que –Vref, Vo = Vsat .El circuito de la figura 2-6(b) es un detector inversor del nivel negativo. Cuando Ei es mayor que –Vref, Vo es igual a – Vsat. Y cuando Ei es menor que – Vref Vo es igual a + Vsat.
