CAPÍTULO 1

EL AMP-OP BÁSICO

Para utilizar los amplificadores operacionales (amp-op) se debe saber qué son. En este capítulo se estudian la construcción, las características y algunas especificaciones importantes de los amp-ops y las configuraciones más importantes en las cuales se usan los amp-op.

OBJETIVOS

Al terminar este capítulo y contestar el examen, el alumno podrá hacer lo siguiente:

1. Indicar las partes principales de un amp-op y describir su funcionamiento.
2. Indicar el nombre y la finalidad de las terminales del amp-op.
3. Nombrar y definir las especificaciones siguientes del amp-op: A_ol, V_os, I_B, I_os, R_ent, R_sal.
4. Calcular los componentes del circuito de retroalimentación, para determinar ganancias en lazo cerrado; dibujar de memoria un seguidor de voltaje, un amplificador no inversor, un amplificador inversor y un amplificador de entrada diferencial.
5. Dados los componentes de retroalimentación, calcular la ganancia en lazo cerrado de los circuitos mencionados en el objetivo 4.
6. Realizar el ejercicio de laboratorio del capítulo 1.

1. ¿QUÉ ES UN AMP-OP?

1. Ganancia infinita de voltaje.
2. Impedancia infinita de entrada.
3. Impedancia de salida igual a cero.
4. Voltaje de salida  cuando los voltajes de entrada.
5. Ancho de banda infinito (no hay retraso de la señal a través del amplificador).

Por ejemplo, si se recurre a la retroalimentación para limitar a 10 la ganancia del circuito amplificador, una ganancia del amplificador (sin retroalimentación) de 1000 se acerca al infinito lo suficiente, para fines prácticos.

La primera etapa de un amplificador operacional es un amplificador diferencial. El amplificador diferencial proporciona una alta ganancia a señales diferenciales (por ejemplo,  en las figuras 1.1 y 1.2) y baja ganancia con señales aplicadas simultáneamente a ambas entradas (señales de modo común).¹

El amplificador diferencial presenta también una alta impedancia a cualquier señal de entrada que se aplique. La etapa de entrada de un amplificador operacional es la más importante, porque es ahí donde de se establece la impedancia de entrada u se minimizas la respuesta en modo común y los voltajes de desajuste.²

A la etapa de entrada siguen una o más etapas intermedias, como se muestra en la figura 1.3, para cambiar a cero el nivel del voltaje estático del punto de operación a la salida, y proporcionar ganancia tanto de voltaje como de corriente. Se requiere una ganancia de voltaje adicional para obtener una alta ganancia general de voltaje, y la ganancia de corriente es necesaria para suministra corriente impulsora a la etapa de salida, sin cargar la etapa de entrada. En las etapas de amplificación intermedias se usan configuraciones tanto asimétricas como diferenciales.

La etapa de salida debe presentar una baja impedancia de salida y tener también una impedancia de entrada lo suficientemente alta para no cargar la última etapa de amplificación intermedia. La etapa de salida es normalmente un emisor seguidor o una configuración complementaria.

La figura 1.4 es el esquema de un amplificador operacional sencillo. Debemos hacer notar algunas cosas acerca del circuito de entrada. Las resistencias de emisor de  y  aumentan la impedancia de entrada de la etapa de entrada. Por lo general, las corrientes de colector de la etapa de entrada son bajas, de manera que la resistencia ca del diodo emisor-base de los transistores de entrada es alta y el circuito puede sor impulsado con bajas corrientes de entrada. Esto da lugar a una pérdida de ganancia de voltaje en la primera etapa, que se compensa en las etapas intermedias. Se usa una fuente de corriente constante para suministrar corriente de emisor a la primera etapa y reducir la sensibilidad del circuito a las señales en modo común. Debido a que la resistencia interna de una fuente de corriente constante (r_ac) es elevada, la ganancia del amplificador diferencial con señales de modo común (A_cm) es muy baja.³

Para disminuir la cantidad de corriente de entrada, necesaria para impulsar el amplificador diferencial y elevar la resistencia de entrada, la primera etapa  y  puede consistir en pares Darlington o en transistores de efecto de campo. El empleo de TEC (de unión o MOSTEC) para  y permite obtener una resistencia de entrada muy elevada. El voltaje de desajuste de entrada  y la variación de  con la temperatura son mayores con los amplificadores diferenciales TEC que con los transistores bipolares; pero esto se puede minimizar mediante diversas configuraciones de la retroalimentación dentro del amplificador. Existen amplificadores de circuito integrado (CI) que contienen transistores de entrada TEC para una alta impedancia de entrada y transistores bipolares en el resto de los circuitos del amp-op. El empleo de pares Darlington para  y.da lugar también a.  y variaciones del  mayores con la temperatura.

Si la ganancia de voltaje de la primera etapa es la de, la de la segunda etapa es de  y la de la tercera etapa es de, la ganancia total  será el producto de las ganancias de las etapas individuales, o sea

que es bastante alta.

En el Apéndice B se explica el funcionamiento del Fairchild, un amp-op (CI) muy popular.

1. TERMINALES DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1. +V, -V: terminales para los voltajes de la fuente de alimentación.
2. Compensación de frecuencia: Estas terminales (llamadas a veces de avance, de retraso o de régimen de atenuación) sirven para impedir la oscilación del amplificador operacional cuando no hay compensación interna en el amplificador. En una sección posterior se dirá más al respecto.
3. Salida: Donde aparece el voltaje amplificado.
4. Entrada inversora: Si la entrada no inversora ésta puesta a tierra y se aplica una señal a la entrada inversora, la salida estará 180^º fuera de fase con respecto a la señal de entrada.
5. Entrada no inversora: Si la entrada está puesta a tierra y se aplica una señal a la entrada no inversora, la salida estará en fase con la señal de entrada.

1. ALGUNAS ESPECIFICACIONES

1. Ganancia en circuito abierto : La ganancia del amplificador sin retroalimentación. Usualmente es de varios miles. Se le llama también ganancia de voltaje de señal grande.
2. Voltaje de desajuste de entrada : Pequeños voltajes no deseados, generados internamente por el amplificador, que dan lugar a que aparezca un voltaje de salida cuando ambas entradas están conectadas a cero volts. Se deben a la falta de igualación de los voltajes emisor-base de los transistores de entrada. El  es, por lo general, de pocos milivolts.
3. Corrientes de polarización : La corriente necesaria para impulsar la etapa de entrada del amplificados operacional; es la corriente de base que se debe suministrar al transistor de entrada.
4. Desajuste de entrada: La diferencia en la corriente de polarización requerida por los dos transistores de entrada del amplificador operacional. Su causa es la igualación imperfecta de las betas de los transistores de entrada. En la figura 1.6, si es la corriente requerida para impulsar el transistor de entrada inversora e es la corriente necesaria para impulsar el transistor de entrada no inversora, . La corriente de polarización en una entrada varía a medida que varía el voltaje de entrada. De manera que el desajuste variará también. laestá normalmente entre pocos y varios centenares de nanoamperes
5. Resistencia de entrada: Es la resistencia del amplificador a una señal de entrada . Por lo general, es de más de un megohm; pero puede llegar a varios centenares de megohm. Puede ser diferencial, entre las dos entradas e tierra. Por lo general, la hoja de especificaciones no indica de cuál se trata. Dice simplemente .
6. Resistencia de salida: es la resistencia interna del amplificador que encontraría un voltaje aplicado a su salida. La  es por lo general inferior a unos cuantos cientos de ohm.
7. Razón de rechazo de modo común: La posibilidad de rechazar (en vez de amplificar) las señales aplicadas simultáneamente a ambas entradas. Este tema se estudiará detalladamente en el capítulo 3.
8. Razón de rechazo de alimentación en la relación con la fuente: La variación del voltaje de salida ante una variación de 1 V en la fuente de alimentación ( y  juntas). Se indica generalmente en microvolts por volt.
9. Capacitancia de entrada : Capacitancia de las terminales de entrada a tierra.
10. Corriente de alimentación: La corriente de operación que toma el amp-op.
11. Consumo de potencia: La potencia de operación disipada por al amp-op.
12. Rapidez de cambio: La pendiente máxima de cambio del voltaje de salida, dada en volts por microsegundo.
13. Respuesta transitoria: La respuesta de un amp-op a un voltaje escalón de entrada. El tiempo de levantamiento y el sobretiro del voltaje de salida se dan para una variación específica del voltaje de entrada.
14. Condiciones máximas absolutas de funcionamiento: incluyen especificaciones como éstas:

1. Disipación máxima de potencia.
2. Límite de la temperatura de operación.
3. Voltaje máximo de alimentación
4. Voltaje máximo diferencial de entrada (entre las terminales inversoras y no inversoras).
5. Voltaje máximo de entrada en modo común.
6. Límites de temperatura de almacenamiento.

Algunos fabricantes de amp-ops incluyen en sus especificaciones varias curvas de muchos parámetros del amplificador. Entre ellas pueden figurar el  (máximo) contra la, el , (máximo) contra el voltaje de alimentación, el contra la temperatura y la contra la temperatura. Es indispensable leer atentamente las especificaciones de un amp-op para utilizarlo debidamente.

Los parámetros críticos tales como el y la se dan por lo general a las temperaturas máxima y mínima de operación y a la temperatura ambiente. En secciones posteriores se examinará más especificaciones, conforme se necesite.

1. RESTRICCIONES EN EL PUNTO DE SUMA