• Aplificador operacional

Introduccion

El término 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, multiplicación, integración, diferenciación..., importantes dentro de la computación analógica de esa época.

La aparición y desarrollo de la tecnología integrada, que permitía fabricar sobre un único substrato monolítico de silicio gran cantidad de dispositivos, dió lugar al surgimiento de amplificadores operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas. El primer OA fue desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild. En 1968 se introdujo el famoso OA 741 que desbancó a sus rivales de la época con una técnica de compensación interna muy relevante y de interés incluso en nuestros días. Los amplificadores basados en tecnología CMOS han surgido como parte de circuitos VLSI de mayor complejidad, aunque sus características eléctricas no pueden competir con los de la tecnología bipolar. Su campo de aplicación es más restrictivo pero su estructura sencilla y su relativa baja área de ocupación les hacen idóneos en aplicaciones donde no se necesitan altas prestaciones como son los circuitos de capacidades conmutadas (switched-capacitor). Combinando las ventajas de los dispositivos CMOS y bipolares, la tecnología Bi-CMOS permite el diseño de excelentes OAs.

Los OAs integrados están constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que dependen e sus prestaciones y de la habilidad del diseñador a la hora de combinarlas. Tradicionalmente, un OA está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida. Estos bloques están polarizados con fuentes de corrientes, circuitos estabilizadores, adaptadores y desplazadores de nivel. La figura 8.1 muestra a nivel de bloque la configuración de un OA. La etapa diferencial presenta las siguientes características: tiene dos entradas (inversora y no inversora), su relación de rechazo en modo común es muy alto, las señales van directamente acopladas a las entradas y presentan una deriva de tensión de salida muy pequeña. El amplificador intermedio proporciona la ganancia de tensión suplementaria. Suele ser un EC con carga activa y está acoplada al amplificador diferencial a través 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.

El OA es un amplificador de extraordinaria ganancia. Por ejemplo, el μA741 tiene una ganancia de 200.000 y el OP-77 (Precision Monolithics) de 12.000.000. En la figura 8.3 se muestra el símbolo de un OA. Aunque no se indica explícitamente, los OA son alimentados con tensiones simétricas de valor ±Vcc; recientemente han sido puestos en el mercado OA de polarización simple (single supply). Las entradas, identificadas por signos positivos y negativos, son denominadas entradas invertidas y noinvertidas.
Si denominamos Vp y Vn a las tensiones aplicadas a la entrada de un OA, se define la tensión de entrada en modo diferencial (Vd) y modo común (Vc) como

La tensión de salida se expresa como

La Ad, denominada ganancia en modo diferencial, viene reflejada en las hojas de características del OA como Large Signal Voltage Gain o Open Loop Voltage Gain. La Ac, o ganancia en modo común no se indica directamente, sino a través del parámetro de relación de rechazo en modo común o CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) definido como

El μA741 tiene un CMRR típico de 90dB. Fácilmente se demuestra que sustituyendo la ecuación 8.3 en 8.2 resulta

El OA ideal
Un OA ideal, indicado esquemáticamente en la figura 8.4, presenta las siguientes características:
1) Resistencia de entrada ∞.
2) Resistencia de salida 0.
3) Ganancia en tensión en modo diferencial ∞.
4) Ganancia en tensión en modo común 0 (CMRR=∞).
5) Corrientes de entrada nulas (Ip=In=0).
6) Ancho de banda ∞.
7) Ausencia de desviación en las características con la temperatura.

Las características 1) y 2) definen, desde el punto de vista de impedancias, a un amplificador de tensión idea lque no está afectado por el valor de la carga que se conecta a su salida. Por otra parte, las características 4) y 5) aplicadas a la ecuación 8.2 crean una indeterminación ya que al ser Ad=∞ ⇒
Vo=AdVd debería ser infinito.

Sin embargo, esa indeterminación se resuelve cuando Vd=0; el producto AdVd da como resultado un valor finito. Por ello, la entrada del OA ideal tiene corrientes de nulas (Ip=In=0) y verifica que Vp=Vn (en el caso de realimentación negativa); este modelo simplifica mucho el análisis de circuitos basados en el OA. El modelo del OA ideal solo es un concepto idealizado del OA real que sin embargo resulta muy práctico y se acerca con mucha exactitud al comportamiento real de estos circuitos.