• Aplificador operacional

Limitaciones prácticas del OA

El OA real tiene unas limitaciones y especificaciones que pueden ser importantes en algunas aplicaciones. En este apartado se presentan las especificaciones más importantes en dominio DC, transitorio y frecuencia propias de cualquier OA.

Tensiones y corrientes “off-set” de entrada. Un OA debe tener 0V a su salida cuando la entrada vale 0V. Sin embargo, en amplificadores reales no es cierto y aparece indeseables tensiones de salida del orden de decenas a centenas de mV en ausencia de señal de entrada. Este efecto es debido a las corrientes de entrada y disimetrías de la etapa diferencial. El modelo de este comportamiento se realiza a través de los siguientes parámetros: tensión off-set de entrada o VOS (input offset voltage), corriente offset de entrada IB(input offset current) y corriente de polarización de entrada IOS (input bias current). Para el OA 741, estos parámetros valen VOS=1mV, IOS=20nA e IB=80nA. En la figura 8.13 se indica el modelo utilizado para caracterizar estos parámetros. La IOS e IB la se definen a partir de las corrientes de entrada del OA como:

Existen versiones de OA que reducen al mínimo estos parámetros aunque a veces implique degradar otros aspectos de ejecución y encarecer su precio. Por ejemplo, la utilización de transistores uperbeta en la etapa diferencial de entrada permiten obtener lograr que la IOS=1.52nA y la IB=0.2nA en el LM308 y LM312 (National Semiconductor); el OP-08 (Precision Monolithics) consigue una IOS=0.08nA y una IOS=1nA. La técnica de cancelación de IB se aplica al LT1008 (Linear Technology) para lograr que IOS=30pA e IB=±30pA. OAs cuya entrada diferencial esté constituido por transistores JFET tienen valores de IOS=3pA e IB=±30pA como el LF355 (National Semiconductor) y llegar incluso a valores por debajo de 100fA como en AD549 (Analog Devices) y OPA-128 (Burr-Brown). Similares valores se obtienen para tecnologías Bi-MOS y CMOS.

Por ejemplo, el CA3130 de RCA en BiMOS (IOS=0.1pA e IB=±2pA) y la serie ICL761 de Intersil en CMOS (IOS=0.5pA e IB=±1pA) son claros ejemplos. El OP-27 (Precision Monolithics) está diseñado para tener una baja VOS (10μV).

Las técnicas más utilizadas para la cancelación de estos parámetros se basan en aplicar una tensión de entrada determinada y ajustable a través de un potenciómetro externo conectado a la alimentación del OA que permite poner la salida a 0 en ausencia de señal y anular los efectos de offset. En algunos casos, como sucede en el 741, se utilizan dos salidas externas etiquetadas como offset null en donde se conecta un potenciómetro que permite la eliminación del offset (figura 8.14).

Parámetros de frecuencia

Los OA son diseñados para tener alta ganancia con un ancho de banda elevado, características que les hacen ser inestables con tendencia a la oscilación. Para asegurar estabilidad en su operación es preciso utilizar técnicas de compensación internas y/o externas que limitan su operación. El ejemplo más típico se encuentra en el 741 con un condensador interno de 3pF que introduce una frecuencia de corte superior (ƒC) de 5Hz como se observa en la figura 8.14. A la frecuencia en la cual la ganancia toma 1 se denomina ancho de banda de ganancia unidad o ƒ1. Una relación importante que verifica el OA es

Esta ecuación demuestra que a la frecuencia de ganancia unidad también puede ser denominada producto ganancia-ancho de banda del OA. La relación 8.20 indica que el ancho de banda aumenta en la misma proporción que disminuye su ganancia, siendo el producto de ambas una constante que corresponde que la frecuencia ƒ1.En la configuración inversora y no-inversora de las figuras 8.5 y 8.6, se demuestra que la frecuencia de corte superior ƒC de estos amplificadores vale

Slew-Rate

Otro parámetro que refleja la capacidad del OA para manejar señales variables en el tiempo es el slew-rate (SR) definido como la máxima variación de la tensión de salida con el tiempo que puede proporcionar la etapa de salida del OA; se mide en V/μs y se expresa como

El SR del OA 741 vale 0.5V/μs. Al intentar variar la tensión de salida con un valor mayor que el SR se producirá una distorsión o recorte de esa señal y el OA perdería sus características lineales. En la figura 8.15 se indica la distorsión típica que se aparece cuando se ha superado largamente el SR. En vez de obtener una onda sinusoidal se produce una especie de onda triangular cuya pendiente es efectivamente el valor de SR. Es importante determinar las condiciones a las cuales aparece el SR. Para ello, se supone una salida sinusoidal del OA de la forma

La pendiente de Vo se determina derivando la ecuación 8.23

El valor máximo de esta pendiente se producirá cuando el cos(2πft)=1, resultando que

Esta pendiente no solo depende de la frecuencia de la señal sino de la amplitud de la tensión de salida. Solamente habrá distorsión a la salida cuando se verifique que VA2πft>SR. La distorsión aparecerá en primer lugar por el paso por 0 de la señal sinusoidal y es prácticamente imperceptible. Si VA2πft>>> SR, entonces la distorsión es muy grande respondiendo el OA con una señal similar a la indicada en la figura 8.15.

La máxima frecuencia ƒMAX con que puede operar un OA no depende solamente del ancho de banda (ƒc), sino que puede estar limitada por el SR. Para determinar esa frecuencia, se resuelve las siguientes desigualdades