Introducci=n Al Amplificador Operacional -Documento Revisado

8/8/2019 Introducci=n Al Amplificador Operacional -Documento Revisado

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OP-AMPConceptos bsicos

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Universidad de Costa RicaEscuela de Ingeniera Elctrica

Electrnica II

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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALCONCEPTOS BSICOS

Elaborado por: Ing. Peter B. Zeledn Mndez

Revisado por: Ing.Victor H. Chacn Prendas

II Semestre, 06

1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL1.1. Historia del amplificador operacionalEl trmino de amplificador operacional (operational amplifier o OA o op-amp) fue asignado

alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de

operaciones tales como suma, resta, multiplicacin, integracin, diferenciacin, etc. importantes dentro de

la computacin analgica de esa poca.

La aparicin y desarrollo de la tecnologa integrada permiti fabricar sobre un nico substrato monoltico

de silicio gran cantidad de dispositivos, lo cual dio lugar al surgimiento de amplificadores operacionales

integrados que desembocaron en una revolucin dentro de las aplicaciones analgicas.

Un amplificador operacional (A.O.) es un circuito electrnico (normalmente se presenta como circuitointegrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada

por un factor (Ad) (ganancia): Vout = Ad(V+ V)

El primer OP AMP, e UA-709 fue desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild en los ao de 1960s, En

1968 se introdujo el famoso OA 741 que desbanc a sus rivales de la poca con una tcnica de

compensacin interna muy relevante y basado en tecnologa bipolar, de inters incluso en nuestros das.

Los amplificadores basados en tecnologa CMOS han surgido como parte de circuitos VLSI de mayor

complejidad, aunque sus caractersticas elctricas no pueden competir con los de la tecnologa bipolar. Su

campo de aplicacin es ms restrictivo pero su estructura sencilla y su relativa baja rea de ocupacin les

hacen idneos en aplicaciones donde no se necesitan altas prestaciones como son los circuitos de

capacidades conmutadas (switched-capacitor). Combinando las ventajas de los dispositivos CMOS ybipolares, la tecnologa Bi-CMOS permite el diseo de excelentes OAs.

Los OAs integrados estn constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que dependen de

sus prestaciones y de la habilidad del diseador a la hora de combinarlas.


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1.2. Estructura del Amplificador OperacionalTradicionalmente, un OP AMP est formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en

cascada:

Amplificador diferencial de entrada, Etapa amplificadora, Adaptador y desplazamiento de nivel Etapa de salida.

Figura N1 Diagramas de bloques funcional de la configuracin de un OA

Estos bloques estn polarizados con fuentes de corrientes, circuitos estabilizadores, adaptadores y

desplazadores de nivel.

La etapa diferencial presenta las siguientes caractersticas: tiene dos (2) entradas, una inversora y otra no

inversora. Su relacin de rechazo en modo comn (CMRR) es muy alto, las seales van directamente

acopladas a las entradas y presentan una derivada de tensin de salida muy pequea.

El amplificador intermedio proporciona la ganancia de tensin suplementaria. Suele ser un EC con carga

activa y est acoplada al amplificador diferencial a travs de un seguidor de emisor de muy alta

impedancia de entrada para minimizar su efecto de carga.

El adaptador permite acoplar la etapa intermedia con la etapa de salida que generalmente es una clase AB.

Figura N2 Esquema de OA 741


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La figura anterior describe el esquema de OA 741. Este OA mantiene la filosofa del diseo de circuitos

integrados: gran nmero de transistores, pocas resistencias y un condensador para compensacin interna.

Esta filosofa es el resultado de la economa de fabricacin de dispositivos integrados donde se combina

rea de silicio, sencillez de fabricacin y calidad de los componentes.

El 741 requiere dos tensiones de alimentacin que normalmente son de 15V. La masa del circuito es elnudo comn a las dos fuentes de alimentacin. La figura describe la versin simplificada con los

elementos circuitales ms importantes. En este circuito se observa la etapa diferencial constituida por los

transistores Q1 y Q2, la etapa amplificadora intermedia por Q16, Q17 y Q23, y la etapa de salida (push-

pull)por Q14 y Q20. El OA es un amplificador de extraordinaria ganancia. Por ejemplo, el A741 tiene

una ganancia de 200.000 y el OP-77 (Precision Monolithics) de 12.000.000.

1.3. El Amplificador Diferencial1.3.1.Definicin del amplificador diferencial

El amplificador diferencial es un circuito verstil que constituye parte fundamentad de la mayora de

los amplificadores operacionales. Existen diferentes tipos amplificadores diferenciales basados endispositivos bipolares y FET. Para su anlisis se abordan tcnicas de polarizacin y anlisis de pequea

seal introduciendo los conceptos en modo diferencial y modo comn que permiten conocer su

comportamiento.

1.3.2.Anlisis del funcionamiento del amplificadores diferencialesEl amplificador operacional debe amplificar la diferencia entre dos (2) seales de entrada, pero

no debe amplificar cuando las dos seales sean iguales (comunes).

A continuacin se muestra la estructura bsica de este amplificador. Uno de sus aspectos ms importantes

es su simetra que le confiere unas caractersticas muy especiales de anlisis y diseo. Por ello, los

transistores Q1 y Q2 deben ser idnticos, aspecto que nicamente se logra cuando el circuito estfabricado en un chip o circuito integrado. De realizar este amplificador con componentes discretos

pierde sus principales propiedades al romperse esa simetra.

Figura N3 Modelo equivalente de un Amplificador Operacional


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.

1.4. Modelo equivalente de un Amplificador OperacionalUn amplificador operacional se puede modelar como un amplificador diferencial, en el cual la

salida es proporcional al producto de la diferencia entre las seales de entrada por una ganancia.

Las caractersticas de los amplificadores operacionales son el poseer una alta ganancia (en elorden de 10

5a 10

6), una alta resistencia de entrada (en el orden de 10

6a 10

12 ), una bajaresistencia de salida (en el orden de 10

0a 10

1 ) y un alta razn de rechazo en modo comn(inmunidad al ruido).

Figura N3 Modelo equivalente de un amplificador operacional

1.4.1.1.Amplificador Operacional de Transconductancia (OTA)

Si bien en un amplificador operacional, la tensin de salida es proporcional a la tensin de

entrada, en un amplificador operacional de transconductancia, es la corriente de salida la que esproporcional a la tensin de entrada: ( ) ddout VsAI = . Esto se consigue con una alta impedanciade salida, a diferencia del amplificador operacional (OA) que presenta una baja impedancia a la

salida. Esto implica que el OTA trabajar con bajas corrientes de salida.

1.4.2.Efecto de las capacitancias parsitas y de unin en el comportamiento en frecuenciaEl amplificador operacional real presenta capacitancias parsitas y de unin que afectan sucomportamiento (ganancia) en frecuencia. Para analizar el OP AMP y su respuesta en frecuencia

se debe realizar algunas modificaciones al modelo equivalente visto hasta el momento, para lo

cual se tiene el siguiente modelo equivalente:


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Figura N4 Modelo equivalente de un amplificador operacional para la respuesta en frecuencia

Se procede entonces a desarrollar una expresin de la ganancia de voltaje para una etapaamplificadora a una frecuencia cualquiera. La ganancia diferencial del amplificador operacional

se puede expresar como:

d

outd

V

VsA =)()1( , Ganancia diferencial de tipo espectral (funcin de la frecuencia)

Analizando la figura N1 se tiene que: dvol

out

out VA

sCR

sCV +

=1

1

)2(

Entonces si sustituimos la ecuacin (2) en (1) se obtiene que:

vol

out

dvol

out

d

d

dvol

out

d A

sCR

sAA

sCR

sCsA

V

VA

sCR

sCsA

+

=

+

=

+

=1

1)(

1

1

)(

1

1

)()3(

De la expresin anterior se puede observar que la ganancia diferencial no es constante en todo el

espectro de frecuencias sino que esta en funcin de la frecuencia de operacin. Para analizar los

efectos de las capacitancias del amplificador operacional en la ganancia y la fase de la seal desalida respecto a la seal de entrada procede a obtener la expresin para Ad pero para el Espectro

de Fourier: ( ) volout

d ACRj

A +

=1

1)(4

De donde se tiene que: ( )( )

vol

out

d A

CR

A +

=1

1)(5

2

y ( ) ( ) )()(6out

dCR

arctAArg

=

Y puesto que f 2)5( = , tambin se puede expresar (4) como:

( )( ) volout

d ACRfj

fA +

=12

1)(7

Graficando la magnitud para la expresin (7) se tiene:


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Figura N5 Ganancia diferencial de un amplificador operacional para la respuesta en frecuencia

De lo anterior se observa que el comportamiento en frecuencia del amplificador operacional no

se ve afectado por la impedancia de entrada del mismo por lo que el modelo equivalente delamplificador operacional para su respuesta en frecuencia se puede expresar como:

Figura N6 Modelo equivalente simplificado de un amplificador operacional para la respuesta en frecuencia

1.4.3.Caracterstica Ganancia-Ancho de BandaAl OP AMP tpico tambin se le conoce como amplificador realimentado en tensin (VFA). En

l hay una importante limitacin respecto a la frecuencia:

- El producto de la ganancia en tensin por el ancho de banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta

configuracin slo tendra un ancho de banda de unos pocos hertz. Al realimentar negativamentese baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable.

Existen modelos de diferentes de amplificadores operacionales para trabajar en frecuencias

superiores, en estos amplificadores prima mantener las caractersticas a frecuencias ms altas queel resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto tcnico.


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1.4.4.Modelo ideal del Amplificador OperacionalEl modelo ideal del AMP OP est defino por las siguientes caractersticas:

1. Ganancia diferencial infinita para todo el rango de frecuencias.2. Ganancia en modo comn nula (inmunidad al ruido).

3. Ancho de banda infinito.4. Impedancia de entrada infinita, por lo que las corrientes de entrada son cero: + i=- i=05. Impedancia de salida nula, o sea que iOUT es independiente VOUT6. Capacitancias parsitas y de unin nulas.

Figura N7 Modelo equivalente de un Amplificador Operacional

1.5. Smbolo de un Amplificador OperacionalA continuacin se muestra el smbolo de un OP AMP:

Figura N8 Smbolo de los amplificadores operacionales

Aunque no se indica explcitamente, los OA son alimentados con tensiones simtricas de valorVcc

(Vcc

y Vee); recientemente han sido puestos en el mercado OA de polarizacin simple (single supply). Lasentradas, identificadas por signos positivos y negativos, son denominadas entradas no invertidas e

invertidas respectivamente. Si denominamos V+y V- a las tensiones aplicadas a la entrada de un OA, sedefine la tensin de entrada en modo diferencial (Vd) y modo comn (Vc).

Actualmente se construyen amplificadores de tipo monopolar, o sea que son alimentados por slo una

fuente de alimentacin.


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1.6. Comportamiento en lazo abiertoUn OP AMP se dice que trabaja en lazo abierto si no existe ningn tipo de lazo de realimentacin.

En este caso en valor de la salida ser la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor, alcual denominamos ganancia diferencial (Ad). Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se

considerar infinito en clculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las

dos tensiones es de 1mV la salida debera ser 100V. Debido a la limitacin fsica que supone nose puede entregar ms tensin de la que hay en la fuente de alimentacin, la salida del OP AMP

estar en un estado saturado si se da este caso.

Figura N9 Curva de relacin voltaje diferencial vs. voltaje de salida en un amplificador operacional

1.6.1.SaturacinUn OP AMP (tpico) no puede suministrar un nivel de tensin o potencial en la salida mayor al

que poseen las fuentes de alimentacin de las cuales toma la energa. Normalmente el voltaje

mximo de salida esta definido como el voltaje de alimentacin menos uno a dos voltios. Cuandose da a la salida este valor se dice que el OP AMP se satura, pues ya no est amplificando, y que

deja de tener un comportamiento lineal.

Figura N10 Ejemplo de seal de salida no saturada y satura de un circuito a base de OP AMP


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La saturacin puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores (respuesta de tipo

binaria si o no).

1.7.

Comportamiento en lazo cerradoCuando un sistema es realimentado en forma negativa o degenerativa se dice que trabaja enlazo cerrado. A continuacin analizaremos las ventajas de la realimentacin degenerativa, para lo cual

observemos el siguiente diagrama de bloques funcional:

Figura N11 Diagrama de bloques de un sistema retroalimentado

Bajo este esquema se observa la importancia del amplificador operacional y su comportamiento

en lazo cerrado, ya que permite tomar las caractersticas propias del amplificador operacional yaprovecharlas para disear bloques funcionales con un comportamiento en lo referente a su la

funcin de transferencia entrada/salidaque es independiente de las caractersticas del elementoamplificador.

Con l se consigue disear circuitos electrnicos muy precisos y estables aun cuando se utilice

tecnologa semiconductora que en s es imprecisa e inestable.

Este anlisis demuestra que cuando el amplificador diferencial tiene una ganancia diferencial

muy grande, la funcin de transferencia entrada/salida del circuito se hace independiente de ella

y solo depende de las caractersticas de los circuitos pasivos y .

Sobre este anlisis es importante hacer las siguientes consideraciones:

1. El circuito realimentado se puede interpretar como un mecanismo que ajustadinmicamente la salida, al valor necesario para que la seal error e(t) se haga cero. A

esta situacin se llama cero virtual, esto es un cero en tensin que se consigue no atravs de una condicin topolgica de circuito (cortocircuito) sino por ajuste dinmico.


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2. El requisito para operar en este modo, es que la ganancia diferencial Ad tienda a infinito,y en a prctica esto equivale a que la ganancia de bucle Ad sea mucho mayor que la

unidad:1 >> dA

3. En el anlisis se ha supuesto que el circuito es estable, y la salida tiende en rgimen

estacionario a un valor finito estable. Para ello, la realimentacin debe ser noregenerativa, y en el caso de que, por actuar un amplificador operacional la ganancia debucle sea infinita, si la realimentacin tiene que ser negativa.

Analicemos el siguiente circuito:

Figura N12 Circuito a base de OP AMP con retroalimentacin negativa

Suponiendo que el amplificador es ideal ( )0, = outind RyRA , se procede acalcular la relacin entrada salida, entonces:

Figura N13 Circuito a base de OP AMP con retroalimentacin negativa aplicando el modelo ideal


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Sea lain

out

V

VRES;)1( , entonces se tienen las siguientes ecuaciones:

+ = VVVd)2( , donde inVV =+)3( y outVRR

RV

12

1)4(+

=

ddout VAV =)5(

Entonces sustituyendo (3) y (4) en (2) se tiene outind VRR

RVV

12

1)6(+

=

Ahora bien sustituyendo (6) en (5) y despejando para Vout se tiene que:

ind

doutind

doutoutindout V

RR

RA

AVVA

RR

RAVV

RR

RVAV

+

+

==

+

+

+=

12

112

1

12

1

1

1)7(

Ahora bien haciendo dA se tiene que:

inin

d

d

din

d

d

d

out V

RR

RV

RR

R

A

AAV

RR

RA

AALimV

+

+

=

+

+

=

+

+

=

12

2

12

2

12

12 0

1

1

1

1

)8(

Entonces se tiene que: inout VR

RRV

+=

1

12 o

+= 1:

1

2

R

R

V

VRES

in

out

Se puede observar que la ganancia del circuito no depende del amplificador operacional sino de

los elementos pasivos que lo rodean, como resultado se obtiene un valor de ganancia finita, se

amplia el rango de operacin lineal y se mejora la estabilidad del circuito.

1.8. Corto circuito virtualPara estudiar el concepto de cortocircuito virtual (CCV), se proceder a analizar el siguiente

circuito retroalimentado degenerativamente (retroalimentacin negativa):

Figura N14 Ejemplo para demostrar el fenmeno de: Corto Circuito Virtual


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Se desea encontrar la expresin para la impedancia de vista desde el terminal negativo delamplificador operacional

1

)1(i

VZth

=

Entonces se tienen las siguientes ecuaciones:

++ === VVentoncesVperoVVV dd ,0,)2(

321)3( iii += (Nodo A)

( )out

d

out

ddoutdd

RR

VAVi

RR

VAViRRiVAV

+

+=

+

=++=

22

2222)4( (Malla A)

inin

d

R

Vi

R

Vi =

= 33)5(

Sustituyendo (4) y (5) en la expresin (3) se tiene que:inout

d

R

V

RR

VAVi +

+

+=

21)6(

Entonces:

( )( ) ( )

( )( ) ( )outdin

out

outdin

out

inout

dth

RRAR

RR

RRAR

RR

V

V

R

V

RR

VAV

VZ

+++

+=

+++

+=

++

+=

2

2

2

2

2

11)7(

Si aplicamos el modelo ideal a la ecuacin obtenida en (7) se tiene que:

( )( ) ( )

( )

( )( )

( )( )d

out

in

outd

out

in

in

outdin

outinth

A

RR

R

RRA

RR

R

R

RRAR

RRR

Rin

LimZ

++=

+++

+=+++

+= 1

11

)8( 2

2

2

2

2

( )( )

( ) ( )( )

( ) 0010

0

11

1

1)8( 2

222 =+=+

+=

+

+=

+

+=

outout

d

out

dd

out

d

th RRRR

A

RR

AA

RR

A

LimZ

Se obtiene que la impedancia vista en el terminal negativa Zth al aplicar el Modelo Ideal alcircuito Retroalimetado Negativamente es cero (0) ohms (Corto Circuito Virtual).

Aunque en la realidad se trata de una muy alta impedancia de entrada el efecto combinado de laretroalimentacin negativa en conjunto con la aplicacin de las caractersticas del modelo ideal

para un OP AMP, produce que se tenga cero en tensin entre los terminales V+ y V- y que se

hable de CCV:

+ =VVCCV :


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1.9. Topologas bsicas

Figura N15 Topologas bsicas


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Clculo de la impedancia de entrada y la impedancia de salida

Para el clculo de la impedancia de entrada o de la impedancia de salida, se procede a calcular la

impedancia de Thevenin vista por la fuente de entrada o vista por el terminal de salida del OP AMP

respectivamente.

Figura N16 Impedancia de entrada e impedancia de salida para un circuito amplificador no inversor

El anlisis se debe realizar sustituyendo el circuito equivalente del amplificador operacional y

procediendo a obtener la impedancia de Thevenin equivalente (recuerde que las fuentesindependientes se deben anular y las fuentes dependientes se mantienen).

En ocasiones y para efectos prcticos se puede obtener el clculo aproximado a travs del

modelo ideal (en caso de que exista retroalimentacin negativa se puede aplicar CCV).

1.10. Modelo ideal vs. modelo realPara muchas de las aplicaciones de baja frecuencia e instrumentacin, los amplificadoresoperacionales que actualmente se fabrican tienen un comportamiento muy cercano al ideal. Sin

embargo, cuando se les aplica a situaciones de mayor precisin o requisitos ms restrictivos se

necesita considerar modelos mas detallados de su comportamiento. En cualquier caso, esnecesario conocer las caractersticas especficas del amplificador operacional que se utiliza para

comprobar si comportamiento ideal es vlido y estimar si puede ser utilizado en la aplicacin que

se est desarrollando o debe ser sustituido por otro.

La forma habitual de analizar un circuito que se basa en un amplificador operacional, es

considerar inicialmente el circuito con un comportamiento ideal, y luego, partiendo de este

estudio, analizar las limitaciones que sobre el mismo introducen las diferentes caractersticasreales especficas del amplificador. El resultado de este anlisis es, bien la validacin del

amplificador operacional a utilizar o la propuesta de su sustitucin por otro tipo de amplificador

operacional con caractersticas ms adecuadas.


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El anlisis de los fenmenos que diferencian el comportamiento de los amplificadores

operacionales reales del comportamiento ideal debe de valorar las caractersticas del circuito deen lo referente a su impedancia de entrada y su impedancia de salida, los parmetros de

transferencia, la generacin de ruido y los efectos trmicos y en algunas aplicaciones la potencia

en aquellos casos en que esta sea un factor relevante.

Para esto el diseador deber basarse en los parmetros que los fabricantes utilizan para describir

ese comportamiento especfico del dispositivo a utilizar.

1.11.Especificaciones tcnicas de fabricante1.11.1. Definiciones bsicasDecibelio (Decibel): Unidad de medida logartmica de la relacin de dos niveles de potencia.

=

in

out

P

PdB log10

Si se tomaR

VP

2

= entonces se tiene que:

=

in

out

V

VdB log20

Ganancia (Gain): El factor por el cual una seal es amplificada, normalmente expresada endecibelios (dB).

Ganancia en un circuito a lazo abierto VOLD AA , (Open Loop Gain): La ganancia del

amplificador sin retroalimentacin. Tambin se le denomina como ganancia de voltaje de seal

grande (Large Signal Voltage Gain).

Razn de rechazo en modo comn (CMRR, Commo Mode Rejection Ratio): Capacidad deun circuito para rechazar la interferencia de tensin o voltaje de modo comn que se produce ensus terminales de entrada con respecto a tierra. El valor de CMRR se expresa normalmente en

decibelios (dB) para una determinada frecuencia.

=

CM

D

A

ACMRR log20

Ruido (Noise): Disturbio indeseado impuesto a una seal que tiende a modificar a la misma

y a su contenido de informacin, son ejemplos de fuentes de ruido externos las lneas dealimentacin de potencia, motores, generadores, equipos trasmisores, el calor, etc. Y de ruido

interno las resistencias, condensadores, semiconductores, etc.

Relacin seal a ruido (SNR, Signal Noise Ratio): El valor de SNR se expresa normalmenteen decibelios (dB) y nos refleja la calidad de la seal.


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=

CM

D

A

ASNR log20

Razn de rechazo de fuente de alimentacin (PSRR): Se define como la razn de cambioen el voltaje de salida respecto a un cambio en el voltaje de la fuente de alimentacin. NOTA:

Recordemos que aunque se trabaja con fuentes de tipo regulada ests no son constantes (poseen

un rizado o variacin en su valor de salida) sino que tienen un margen de error.

=

CC

IO

V

VPSRR log20

Interferencia cruzada (Crosstalk): Seal indeseada que se produce en un canal o entradadebido a la seal ingresada a otro canal de dicho sistema.

Voltaje de desplazamiento de entrada IOSV (Input Offset Voltage): Es un voltaje no deseado

a la entrada del amplificador operacional voltaje da como resultado la aparicin de un voltaje de

salida cuando ambas entradas estn conectadas a cero voltios. Este voltaje se generainternamente en el amplificador operacional debido a la falta de igualacin de los voltajes base

emisor de los transistores de entrada. El voltaje de desplazamiento es por lo general de pocos

milivoltios.

Corriente de polarizacin de entrada BIASI (Input Bias Current): Es la corriente necesaria

para impulsar la etapa de entrada del amplificador operacional, entindase como la corriente de

base que se debe suministrar al transistor interno de entrada del amplificador operacional.

Corriente de desplazamiento de entrada ( Input Offset Current): Es la diferencia en lacorriente de polarizacin requerida por los transistores de entrada del amplificador operacional.Su causa en la igualacin imperfecta de las betas () de los transistores de entrada.

+ = BIASBIASIOS III .

Corriente de alimentacin (Supply Current): La corriente de operacin que toma elamplificador operacional de las fuentes de alimentacin.

Corriente de salida (Output Current): La corriente de salida que puede suministrar(source) o drenar (sink) el amplificador operacional.

Consumo de potencia (Power Consumption): Es la potencia de operacin disipada por elamplificador operacional.

Resistencia de entrada ( Input Resistance): Es la resistencia del amplificador operacional auna seal de entrada. Por lo general de tipo diferencial, entre los dos terminales de entrada INR .

Capacitancia de entrada (Input Capacite):


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Resistencia de salida (Output Resistance): Es la resistencia de salida del amplificadoroperacional OUTR .

Razn de crecimiento o rapidez de respuesta (Slew Rate): Se define como la razn de la

velocidad de respuesta del voltaje de salida respecto a un cambio tipo escaln en el voltaje deentrada.

Figura N17 Respuesta de un amplificador en configuracin de seguidor de voltaje ante una entrada de tipo escaln

Frecuencia mxima de seal: Se define como la frecuencia mxima a la cual se puedetransmitir una seal senoidal a travs de un amplificador operacional sin que sufra distorsin en

la salida.

Sean los siguientes voltajes de entrada y salida:

donde el cambio del voltaje de salida a travs del tiempo est dado por:


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1.11.2. Informacin contenida en las hojas de fabricanteA continuacin se describe la estructura bsica de la informacin que generalmente se indican en

las hojas de fabricante:

1.11.2.1. Nombre del dispositivo (Name)

El nombre del dispositivo o circuito integrado se divide en varias siglas, las cuales se explican a

continuacin: XX-XXX-X

Primeras dos (2) siglas: Corresponde a las iniciales o marca que define el fabricante:LM: National SemiconductorTI: Texas Instrument

MC: Motorola

AD: Analog DevicesBB: Burr BrownMxx: Maxxim

uA: Fairchild

Siglas del medio: Las siguientes siglas, por lo general de tres (3) a cuatro (4) indican qu es o aque familia pertenece, es por lo general una designacin propia del fabricante

ltima sigla Clase a Tipo: A, B, C, E. Este define caractersticas como velocidad y tecnologa.

Ejemplo: LM741E

1.11.2.2. Descripcin general (General Description)

En este se indican aspectos tales como costo, nmero de amplificadores en el circuito integrado,

tipo de tecnologa, versiones de otros fabricantes con las cuales es compatible, si es de tipomonopolar (una sola fuente de alimentacin) o bipolar (dos fuentes de alimentacin), si es de alta

velocidad de respuesta, si es de alto valor de impedancia de entrada, si es de bajo consumo de

energa o de bajo nivel de ruido, si es para uso de instrumentacin, si posee un alto desempeo(high performance), aplicaciones en las cuales puede ser utilizado. Adems se indica si es de

propsito genera (general purpose, -25C a 85C) o si es para uso militar o aeroespacial

(militar, -55C a 125C).

1.11.2.3. Caractersticas generales (Features)

En este punto el fabricante realiza un resumen de las principales caractersticas que describen al

dispositivo, por ejemplo:

- Ganancia-Ancho de Banda (Wide gain bandwitch)


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- Razn de crecimiento (Slew Rate)- Impedancia de entrada (Input impedance)- Distorsin armnica (Harmoic distortion)

1.11.2.4. Diagrama interno esquemtico (Schematic Diagram)

Topologa equivalente diseada a base de transistores, por ejemplo:

Figura N18 Diagrama esquemtico del LF353

1.11.2.5. Diagrama de conexin (Connection Diagram):

Segn el tipo de encapsulado monoltico (la palabra monoltico es proveniente de la combinacinde las palabras griegas monos que significa solo y lithos que significa piedra, lo cual se

puede traducir a estructura nica)

Figura N19 Paquete tipo envase metalico (Metal Can Package )

Figura N20 Paquete tipo DIP/S.O.: D, J, JG, FH, FK, U, o P


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1.11.2.6. Rangos mximo absolutos (Absolute Maximum Ratings)

Los valores mximos absolutos proporcionan informacin sobre cuales son los voltajes mximos

de alimentacin, con que tanta potencia es capaz de operar el dispositivo, el mximo valor devoltaje de entrada, el mximo valor de voltaje diferencial. Estos estn dados a una temperatura

de operacin de al aire libre, Tambiente = 25C (a menos que se indique lo contrario).

A continuacin se citan algunos de estos:

- Potencia de disipacin (Power Dissipation)- Voltaje de alimentacin (Supply Voltage)- Voltaje de entrada (Input Voltage )- Voltaje diferencial de entrada (Differential Input Voltage)- Duracin de corto circuito a la salida (Output Short Circuit Duration)- Efecto de descarga esttica (ESD: Effect Static Descharge Tolerance)- Rangos de temperatura de operacin (Operation Temperature Range)- Temperatura de mxima de juntura -temperatura interna del dispositivo- (Tj max)

- Resistencia trmica (Thermal Resistance)- Rango de temperatura de almacenamiento (Storage Temperature Range)- Temperatura de la soldadura de plomo (Lead Temperature)- Informacin respecto a los tiempos y temperaturas para soldar el dispositivo (Soldering

Information)

1.11.2.7. Caractersticas elctricas corriente continua (DC Electrical Characteristics)

Las caractersticas elctricas a corriente continua (donde la corriente siempre tiene el mismosentido o sea NO se alterna-) incluyen los parmetros que para el fabricante considera son de

mayor utilidad para el usuario. Es comn que se describan en forma de una tabla donde se

indique el smbolo (Symbol), el nombre del parmetro (Parameter), las condiciones a lascuales se dan (Conditions), los valores mnimo (MIN), tpico (TYP) y mximo (MAX),

en algunos se da el valor lmite de prueba (Tested Limit) y el valor mximo de diseo

(Design Limit) y las unidades (Units). Estos valores se dan a menos que se indique lo

contrario a una temperatura ambiente Tambiente=25C y a los valores de las fuentes dealimentacin indicadas. A continuacin se presenta una tabla con las caractersticas elctricas en

corriente continua ms comunes:


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Tabla N1 Caractersticas en corriente continua ms comunes

1.11.2.8. Caractersticas elctricas corriente alterna (AC Electrical Characteristics)

Las caractersticas elctricas a corriente alterna (donde la corriente NO siempre tiene el mismo

sentido o sea SI se alterna-) incluyen los parmetros que para el fabricante considera son de

mayor utilidad para el usuario. Al igual que las caractersticas de corriente continua es comnque se describan en forma de una tabla donde se indique el smbolo (Symbol), el nombre del

parmetro (Parameter), las condiciones a las cuales se dan (Conditions), los valores mnimo

(MIN), tpico (TYP) y mximo (MAX), en algunos se da el valor lmite de prueba(Tested Limit) y el valor mximo de diseo (Design Limit) y las unidades (Units). Estos

valores se dan a menos que se indique lo contrario a una temperatura ambiente Tambiente=25C

y a los valores de las fuentes de alimentacin indicadas. A continuacin se presenta una tabla con

las caractersticas elctricas en corriente alterna ms comunes:

Tabla N2 Caractersticas en corriente alterna ms comunes


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1.11.2.9. Curvas caractersticas

El fabricante aporta una serie de curvas de las cuales tambin es posible obtener los valores antes

descritos en condiciones diferentes o a las mostradas o relacionadas con otra variable, entre las

curvas mas importantes estn:

Respuesta en frecuencia a lazo abierto

(Open Loop Frecuency Response):

Grafica de bode ganancia vs frecuencia

(Bode Plot: Gain vs Frecuency):

Variacin del voltaje de salida sin distorsin

vs frecuencia (Undistortion Output Voltage

Swing):

Lmite de corriente positiva o de mxima

corriente posible que puede suministrar(Positive Current Limit):

Lmite de corriente negativa o de mxima

corriente posible que puede drenar(Negative Current Limit):

Corriente de polarizacin (Input BiasCurrent):


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Razn de rechazo en modo comn vsfrecuencia (CMRR vs Frecuency)

Razn de rechazo de fuente de alimentacin

vs frecuencia (PSRR vs Frecuency)

Respuesta al impulso (Pulse Response)

1.11.2.10. Aplicaciones

Algunos fabricantes integran en las especificaciones tcnicas algunas topologas de aplicacionesdesarrolladas en las cuales el dispositivo forma parte.

1.12. Uso de la herramienta de simulacin ORCAD (ver documento en Cursos IE-Virtual de laEscuela de Ingeniera Elctrica, Curso de Electrnica II)


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Bibliografa:

Zeledn Mndez, Peter: Apuntes de clase del curso IE-0413 Electrnica II impartido por el

Ing. Geovanny Delgado MSc. y Ing. Victor H. Chacn Prendas MSc., Facultad de Ingeniera,

Universidad de Costa Rica, San Jos, Costa Rica 1997.

M. Faulkenberry, Luces M. Introduccin a los Amplificadores Operacionales, Primera

Edicin, Editorial LIMUSA S.A. Mxico D.F., Mxico, 1990

Chicala, Carlos Adquisicin de Datos Primera Edicin. Editorial Soluciones en Control S.R.L.

Buenos Aires, Argentina, 2004

Jung. Walter G. HandBook: OP AMP APPLICATIONS, desarrollado por ADI CentralAplications Departament Analog Devices Inc. United States of America, 2002

Fuentes electrnicas

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


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1.13.Ejemplos desarrollados clase(Apuntes propios del estudiante de los ejercicios desarrollados en clase)

Introducci=n Al Amplificador Operacional -Documento Revisado

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