EL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
(OPAM)
Introducción OPAM´S
En 1934, Harry Black, un trabajador de los laboratorios
Bell en Nueva Jersey, se encontró con que las líneas de
teléfono que conectaban largas distancias entre
ciudades, necesitaban amplificadores para mejorar sus
transmisiones. Esa es la primera conceptualización del
Amplificador. Se realizaron muchos intentos para
construir un amplificador estable, pero los cambios de
temperatura y las fuentes alimentación variables
causaban ganancias incontrolables en los dispositivos.
La solución fue construir amplificadores con
componentes activos y que tuvieran mayores ganancias
de lo que requirieran las aplicaciones.
El primer amplificador operacional en circuito integrado
fue creado por Bob Wildar en la empresa Fairchaild en
1965.
Introducción OPAM´S
El
amplificador
operacional
está
diseñado
originalmente con componentes discretos, y fueron
concebidos para resolver ecuaciones matemáticas
electrónicamente. Puede realizar operaciones como
la suma, resta, multiplicación y la división. En la
actualidad son producidos como circuitos integrados.
Los amplificadores operacionales tienen bastantes
usos, entre los cuales se encuentran los
amplificadores de voltaje de corriente directa (cd), y
los de corriente alterna (ca).
Encapsulado y
Terminales
El OPAM se fabrica en un microcircuito
de Silicio y se encapsula en un
recipiente adecuado. Mediante finos
alambres se conecta al microcircuito
con terminales externas que salen de
un encapsulado de metal, plástico o
cerámica.
Diagrama del OPAM
(LM741)
Partes de un OPAM
(LM741)
V+: Entrada no inversora
V- : Entrada Inversora
Vs+ : Voltaje de la fuente positiva
(usualmente +15 V)
Vs- : Voltaje de la fuente negativa
(usualmente -15V)
Vo : Voltaje de Salida
Diagrama del LM741
Cómo identificar a un
OPAM
Cada tipo de amplificador operacional tiene
un código de identificación o matrícula en
letra o número. Los fabricantes utilizan el
siguiente código:
z
Prefijo de letras: Consta de dos o tres letras
mediante las que se identifica el fabricante.
z
Ej: AD – Analog Devices
MC – Motorola
LM – National Semiconductors
TL – Texas Instruments
Cómo identificar a un
OPAM
Número del circuito: Consta de tres a siete
números y letras que identifican el tipo de
OPAM y su intervalo de temperatura.
z Ej: 324C : 324-Número de parte
C- Comercial
Los tres códigos de intervalo de temperatura
son:
C: Comercial = 0 a 70°C
I: Industrial = -25 a 85°C
M: Militar = -55 a 125°C
z
Cómo identificar a un
OPAM
Sufijo de letras: El sufijo de una o más
letras identifica el tipo de encapsulado
que contiene al microcircuito del
OPAM.
z
z
z
D – De plástico, doble en línea para
montaje superficial.
J – De cerámica, doble de línea
N,P – De plástico, doble en línea para
montarse en una base.
Tipos de encapsulado
OPAM LM741
AMPLIFICADOR DE
VOLTAJE DIFERENCIAL
Un amplificador operacional es básicamente
un amplificador de voltaje diferencial, es
decir, amplifica la diferencia que encuentra
en ambas entradas.
Vd = (V+ - V-); Vo= G*Vd
Con lo anterior, existen tres posibilidades:
z
z
z
Si V2>V1 , entonces el voltaje de salida
es
positivo.
Si V2<V1 , entonces el voltaje de salida
es
negativo.
Si V2 =V1 , entonces el voltaje de salida es cero.
PROPIEDADES DE LOS
OPAM´S
Una ganancia de voltaje en lazo abierto muy alta
(infinita, idealmente) para cd y para frecuencias bajas
de ca, la cual decrece cuando la frecuencia
incrementa (este efecto no se aplica para
amplificadores ideales).
Una impedancia de entrada muy alta, idealmente
infinita, cuando la corriente circula por el dispositivo.
Una impedancia de salida muy baja, 0Ω idealmente,
lo cual hace que la transferencia de voltaje sea muy
eficiente con cualquier carga mayor a algunos kΩ .
Simulación con el OPAM
a lazo abierto
Realiza la
simulación del
siguiente circuito en
lazo abierto.
Observa la señal de
entrada y de salida.
Realízalo para un
OPAM ideal y un
741.
Relación Entrada/Salida
En general, podemos encontrar
la relación entrada-salida del
amplificador operacional ideal,
como se muestra en la
V
AoA== Vo
VVin
−V
ecuación:
Vo = A0(V2-V1)
o expresada como ganancia:
A= Vo/(V2-V1)
o
2
1
A=
Modelo de un OPAM
Un amplificador
operacional ideal es
modelado como una
resistencia de
entrada y una fuente
de voltaje en serie
con una resistencia
de salida.
Característica tipica de
voltaje
El voltaje varía con la entrada. En la gráfica
de la Función de transferencia podemos
observar que la pendiente muestra los
diversos niveles de amplificación hasta llegar
a la saturación, que serán los valores de las
fuentes de voltaje. En esta etapa,
encontramos que el amplificador tiene
mínima distorsión en el voltaje de salida.
Característica de voltaje
Función de
Transferencia
Características del
OPAM
Retroalimentación Negativa,:
z
Es la porción del voltaje de salida
retroalimentada a la entrada negativa del
amplificador operacional, la cual sirve para
modificar sustancialmente el desempeño
de un circuito que emplee amplificadores
operacionales como son su rango de
amplificación, ancho de banda, estabilidad,
velocidad de operación y la atenuación de
no linealidades.
Características del
OPAM
Ancho de Banda:
z
Es la distancia entre la frecuencia de corte
superior e inferior; determina el rango de
frecuencias que permite al amplificador
operacional funcionar linealmente sin
afectar la amplificación. En un amplificador
operacional ideal el ancho de banda se
considera infinito debido a que el modelo
ideal no incluye efectos capacitivos.
Parámetros del OPAM
Corriente bias de entrada:
z
Es un promedio de las corrientes en las dos
terminales de entrada, con una salida en cero
volts.
- Corriente de offset de entrada:
z
Es la diferencia entre las dos corrientes de
entrada con salida en cero volts.
- Voltaje de offset de entrada:
z
En una amplificador operacional ideal, se da
cuando dos entradas están en cero volts y como
resultado, la salida también presenta cero volts.
En amplificadores reales éste valor no se
presenta.
Parámetros del OPAM
Relación de rechazo en modo común
(CMRR):
El voltaje de salida del amplificador operacional es
proporcional a la diferencia entre los voltajes
aplicados en la entrada. Idealmente cuando los
dos voltajes son iguales en la entrada, el voltaje
de salida debe ser cero. Este parámetro es uno
de los más importantes en los amplificadores
operacionales y puede ser calculado por la
siguiente ecuación:
CMRR=20log10(ganancia de voltaje diferencial /
ganancia en modo común) db
z
Parámetros del OPAM
Slew rate. Es el máximo
promedio del cambio del
voltaje de salida con una
entrada de escalón al
amplificador operacional.
La figura muestra el efecto
de esta característica. En
ella podemos observar la
salida ideal y ésta se da,
evidentemente, en un
amplificador operacional
ideal.
OPAM ideal vs.
OPAM Real
Impedancia de salida
Impedancia de entrada
Ganancia de voltaje
Impedancia de entrada común y diferencial
Corriente de desbalance
Voltaje de desbalance (Offset)
Ancho de banda
Corriente de entrada
Corrimiento por voltaje de desbalance
Corriente de entrada
Relación de rechazo en modo común (CMRR)
Frecuencia de operación