Amplificador operacional
Un amplificador operacional, a menudo conocido op-amp por sus siglas en inglés (operational amplifier), es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida.
[1] A este le siguió el μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial.
Más tarde sería sustituido por el popular μA741 (1968), desarrollado por David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar, el cual se convirtió en estándar de la industria electrónica.
Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas: El dispositivo posee dos entradas: una entrada no inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como
representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como "lazo (o bucle) abierto".
En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180° para algunas aplicaciones especiales.
es, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones
Si la entrada inversora es conectada a tierra (0 V) de manera directa o mediante una resistencia
Como no existe realimentación, desde la salida a la entrada, el amplificador operacional actúa como comparador.
En el amplificador no inversor de la imagen, la red resistiva constituida por
la define la anterior ecuación: Estas características se pueden resumir en dos "reglas de oro": El amplificador real difiere del ideal en varios aspectos: Las aplicaciones más comunes de los amplificadores operacionales son las siguientes:[4] Aplicación sin retroalimentación que compara señales entre las dos entradas y presenta una salida en función de qué entrada sea mayor.
Por consiguiente: Donde Sustituyendo esto en la ecuación de ganancia, se obtiene: Resolviendo para
Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4 la salida se expresa como: La impedancia diferencial entre dos entradas es: donde
son factores de corrección, determinados por la temperatura y los parámetros propios del diodo.
Usado como fuente por muchos fabricantes, y en múltiples productos similares, un ejemplo de un amplificador operacional con transistores bipolares es el circuito integrado μA741 diseñado en 1968 por David Fullagar en Fairchild Semiconductor después del lanzamiento del circuito integrado LM301 creado por el ingeniero Robert John Widlar.
Aunque este dispositivo se ha utilizado históricamente en audio y otros equipos sensibles, hoy en día es raro su uso debido a las características de ruido mejoradas de los operacionales más modernos.
Así se completa la conversión de diferencial a modo asimétrico.
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.
El bloque delineado con magenta es la etapa de ganancia clase A.
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.
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.
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).
Existen modelos de diferentes Aplificador 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.
El amplificador operacional presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.
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.
