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Amplificador operacional

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Un amplificador operacional 741 en un encapsulamento metálico TE Lo-5

Un amplificador operacional o amp op es un amplificador con ganancia muy elevada. Tiene dos terminales de entrada: una terminal designada por terminal inversor(-) y el otro identificado por terminal no inversor(+). La tensión de salida es la diferencia entre las entradas + y - , multiplicado por la ganancia en malla abierta:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): V_\mathrm{out} = (V_+ - V_-) \cdot G_\mathrm{malhaaberta}


La salida del amplificador puede ser única o diferencial , lo que es menos común. Los circuitos que utilizan amp ops frecuentemente utilizan la realimentação negativa (negative feedback). Porque debido a su ganancia elevada, el comportamiento de estos amplificadores es casi totalmente determinado por los elementos de realimentação (feedback).

Tabla de contenido

Historia

GAP/R's K2-W: AmpOp con válvulas (1953)
GAP/R's plantilla P45: AmpOp con transístores (1961)
GAP/R's plantilla PP65: AmpOp con transístores incrustados en una embalagem común (1962)
ADI's HOS-050: AmpOp en Circuito Integrado híbrido de alta velocidad (1979)

El amplificador operacional recibió este nombre porque fue proyectado inicialmente para realizar operaciones matemáticas utilizando la tensión como una analogía de otra cantidad. Esta es la base de los ordenadores analógicos donde los amp ops eran utilizados para realizar las operaciones matemáticas básicas (adición, subtracción, integración, diferenciação, y otras). En este sentido, un verdadero amplificador operacional es un elemento del circuito ideal. Los amplificadores reales utilizados, hechos de transístores , válvulas, u otros componentes amplificadores, son aproximaciones de esta plantilla ideal.

Los amp ops fueron desarrollados en la era de las válvulas termoiônicas, donde ellos eran usados en ordenadores analógicos. Los amp op modernos son normalmente construidos en circuitos integrados, a pesar de ocasionalmente ser hechos con transistores discretos, y generalmente poseen parâmetros uniformes con encapsulamentos y necesidades de alimentación padronizados, poseyendo muchos usos en la electrónica .

La mayoría de los amp ops simples, dobles o quadruplos disponibles poseen una pinagem padronizada que permite que un tipo sea sustituido por otro sin cambios en la pinagem. Un amp op específico puede ser escogido por su ganancia en malla abierta, anchura de banda, nivel de ruido, impedância de entrada, consumo de la potencia, o una combinación de algunos de estos factores. Históricamente, el primero amp op integrado a hacerse anchamente disponible fue el Fairchild UA-709, a finales de los años 60, sin embargo esto fue rápidamente modificado por la performance superior del 741, que es más fácil de utilizar, y probablemente el más conocido de la eletrónica - todos los principales fabricantes producen una versión de este chip clásico. Lo 741 posee transístores bipolares, y según los patrones modernos posee una performance considerada media. Proyectos mejorados basados en el transístor FET surgieron a finales de los años 70, y las versiones con MOSFET en el inicio de los años 80. Hay aún los llamados amp ops Bi-FET, que combinan transístores bipolares y MOSFETs, y que aprovechan las mejores características de ambos. Bi-FETs típicos son los CA3130 y CA3140 de la RCA.

Los amplificadores operacionales modernos

AmpOp en embalagem DIP (Dual In-Line Package) - presentación actual

La mayoría de los amplificadores de propósito general son vendidos a menos de un euro cada. Los proyectos modernos son hechos considerando una serie de irregularidades de modo que muchos amp ops producidos pueden aguantar corto-circuitos en sus salidas sin ningún daño.

Una de las llaves para la usuabilidade de estos circuitos está en el principio de la ingeniería de realimentação , particularmente la realimentação negativa, que constituyó la fundación de prácticamente todos los control de procesos automáticos. Los principios mostrados aquí ilustran parte del foco de la electrónica. ES importante percibir que el amp-ops patrón usado en los circuitos es mostrado con el idealismo de la caja negra (una caja con sólo entradas y salidas). Los amp-ops reales son circuitos integrados complejos.

El amplificador operacional ideal

El amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita en malla abierta, anchura de banda infinita, impedância de entrada infinita, impedância de salida nula y ningún ruido, así como offset de entrada es cero (exactamente 0 V en la salida cuando las dos entradas sean exactamente iguales) y ninguna interferencia térmica. Los circuitos integrados de amp ops utilizando MOSFETs son los que más se aproximan de estos valores ideales en límites de anchura de banda.

El amplificador operacional es probablemente el dispositivo único más bien sucedido en el área de circuitos electrónicos analógicos. Con sólo algunos pocos componentes externos, él puede ser ajustado de modo a hacer una gran variedad de funciones en procesamiento de señal. También posee un precio relativamente bajo.

Notação

Un símbolo eléctrico para el amplificador operacional es mostrado abajo:

op-amp

Sus terminales son:

Los pasadores de alimentación (VS+ y VS−) pueden ser nombrados de diferentes formas. Ver pasadores de alimentación de los CIs. Para amp ops basados en tecnología FET, el positivo, o alimentación de dreno común es llamada de laV DD y el negativo, o alimentación de fuente común es llamado de VSS. Para amp ops basados en TJB (BJT), el pasador VS+ se hace VCC y el pasador VS− se hace VEE. Ellos son muchas veces llamados VCC+ y VCC−, o misma V+ y V, en el caso de las entradas sean nombradas diferentemente, la función permanecerá la misma. Muchas veces estos pasadores son retirados de los esquemas eléctricos para una mayor claridad, y la configuración de alimentación es dada o previsible a través del circuito.

La posición de los pasadores de polaridade puede ser invertida en diagramas para una mayor claridad. En este caso, los pasadores de alimentación continuaron en la misma posición: el pasador de alimentación más positivo es siempre en el tope, y el pasador de alimentación más negativo en la parte inferior. El símbolo entero no es invertido, sólo sus entradas de alimentación.

Uso en el proyecto de sistemas electrónicos

La posibilidad de usar las plantillas en bloques de los amplificadores operacionales durante el proyecto de circuitos hace con que circuitos complicados se hagan más simples para trabajarse y comprender, especialmente en esquemas muy grandes. Los amp ops pueden ser usados como se tuvieran propiedades idealizadas (ganancia infinita, dissipação de calor perfecta, respuesta de frecuencia estable, impedância de entrada infinita, impedância de salida nula, y otras respuestas ideales).

Después del proyecto inicial del circuito haber sido concluido (y muchas veces modelado en ordenador), amp ops específicos son escogidos de modo a ser lo más próximo posible de los criterios de proyecto y de coste. Puede ocurrir que un amp op con todos los parâmetros deseados no pueda ser encontrado y entonces se busca el amplificador operacional que más se aproxime de su función pretendida en su sub-circuito.

El circuito proyectado probablemente necesitará de modificaciones para aceptar las calidades de los amplificadores operacionales reales (performance menos-que-perfecta en muchas áreas). El mismo es hecho para prácticamente todas las partes electrónicas durante del desarrollo del proyecto (donde estas también son utilizadas como perfectas), esto debe ser hecho de modo a hacer con que los componentes reales actúen el más próximo posible de los ideales. Este proceso de desarrollar los circuitos con partes ideales y entonces las ajustas en consonancia con sus versiones reales es comumente verdadero en todos los componentes eletrónicos incluyendo capacitores, indutores, resistencias, transistores, diodos, etc.

Después de las modificaciones necesarias, el resultado es un circuito final utilizando amp ops ideales. El objetivo del proyecto es que cualquier error o discrepancia restante sea insignificante en la práctica.

Comportamiento en Corriente Continua

La ganancia en malla abierta es definido como la amplificação de la entrada para la salida sin ninguna realimentação (feedback) aplicada. Para la mayoría de los cálculos prácticos, la ganancia en malla abierta es definido como infinito; en la realidad, sin embargo, él es limitado por la cantidad de tensión aplicada a la alimentación del amplificador operacional, (terminales Vs+ y Vs- en el diagrama arriba). Los dispositivos típicos poseen una ganancia de malla abierta en Corriente Continua entre 100,000 y 1 millón. Esto permite que la ganancia de la aplicación sea ajustado utilizando la realimentação negativa. Los amp ops poseen límites de performance que el projetista debe mantener en mente y muchas veces trabajar en torno a esto.

Comportamiento en Corriente Alterna

La ganancia del amp op calculado en CC no se aplica la corriente alterna la frecuencias más altas. Esto ocurre debido a la limitaciones del componente, tales como su anchura de banda finita, y a la caracteristas en CA del circuito al cual es colocado. El problema más bien conocido en el desarrollo de proyectos con amp ops es la tendencia de estos ressonarem la Altas frecuencias, en que cambios en la realimentação negativa cambian para realimentação positiva debido al cambio de fase.

Los amp ops típicos, de bajo coste poseen una anchura de banda de algunos MHz. Amp ops específicos y de alta velocidad pueden alcanzar una anchura de banda de centenares de MHz. Para circuitos de frêquência muy alta, un tipo completamente diferente de amp op, llamado amplificador operacional de realimentação de corriente es frecuentemente usado.

El circuito básico del amp op

El amplificador operacional genérico posee dos entradas y una salida. La tensión de salida es un múltiple de la diferencia entre las dos entradas (algunos son hechos con salidas diferenciales flotantes):

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): V_{out} = G\left( V_+ - V_- \right)


G es la ganancia en malla abierta del amp op. Asumimos que las entradas poseen impedância muy alta; una corriente desprezível irá a fluir para dentro y para fuera de las entradas. Las salidas del amp op poseen una impedância muy baja.

Si la salida es conectada a la entrada inversora, después de pasar por un divisor de tensión, entonces:

An op-amp connected in the non-inverting amplifier configuration

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): V_{out} = G\left( V_+ - V_- \right) \;\; , \;\; V_+ = V_{in}


Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): V_- = R_1 \frac{V_{out}}{R_1 + R_2} = \frac{R_1}{R_1 + R_2}V_{oct}


inmediatamente:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): V_{out} = G\left( V_{in} - \frac{R_1}{R_1 + R_2}V_{out} \right)


Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \left(1 + G\frac{R_1}{R_1 + R_2} \right)V_{out} = G V_{in}


Definiendo la ganancia de realimentação de malla cerrada como Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \frac{V_{out}}{V_{in}}

vemos que el resultado es un amplificador lineal con ganancia:
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{G}{1 + G \dfrac{R_1}{R_1 + R_2}}


Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{1 + \dfrac{R_2}{R_1}}{\dfrac{1}{G} + \dfrac{R_2}{G R_1} + 1}


Si Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): G

es muy grande (en general está en la orden de grandeza de 100.000), Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \frac{V_{out}}{V_{in}}
se aproxima de Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.):  \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)

.

Esta conexión de realimentação negativa, también llamada de configuración de amplificador no inversor, es el uso más común de un amp op, porêm muchas configuraciones diferentes son posibles, haciendo de él uno de los más versátiles bloques de construcción en electrónica.

Cuando conectado en una configuración de realimentação negativa, el amp op irá a intentar cambiar la tensión de Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): V_{oct}

de modo a dejar las tensiones de entrada iguales. Esto, aliado al alta impedância de entrada, son muchas veces llamados de "las dos reglas doradas" de los pojetos con amp ops (para circuito que utilizan realimentação):
  1. Ninguna corriente irá a fluir en las entradas.
  2. Las tensiones, o sea los potenciales en relación al tierra, en las dos entradas serán iguales (en los casos en que hay realimentação de la tensión de la salida en la entrada).

Una excepción ocurre si la tensión necesaria para esta situación sea mayor del que la alimentación del amp op, en este caso la tensión de la señal de salida se fija cerca de los extremos de la alimentación, VS+ o VS−.

Limitaciones de los amp ops

A pesar de la mayoría de los circuitos con amplificadores operacionales se basen en las "reglas doradas" descritas arriba, los projetistas también deben estar atentos al hecho de ningún amp op real poder alcanzar estas carecterísticas exactamente. Abajo son listadas algunas de la limitaciones de los amp ops reales, así como el modo como estas afectan el proyecto de los circuitos.

Imperfeições en CC:

Imperfeicões en CA:

Imperfeições no-lineales:

Consideraciones en potencia:

Circuito interno del 741

A pesar de ser fácil y práctico utilizar los amplificadores operacionales como bloques con características de entrada/salida perfectas, es importante conocer las funciones internas, de modo a poder lidar con problemas que pueden surgir debido a limitaciones de proyecto internas.

El circuito varía entre los productores y fabricantes, sin embargo todos los amp ops poseen básicamente la misma estructura interna, que consiste de tres estágios:

  1. Amplificador diferencial
  2. Amplificador de tensión
    • Provê una alta ganancia de tensión,generalmente con una única salida
  3. Amplificador de salida
    • Estágio de salida - provês la capacidad de suministrar alta corriente, baja impedância de salida, límite de corriente y protección contra corto-circuito

Fuentes de corriente

Las secciones tracejadas en rojo son las fuentes de corriente. La corriente primaría, de la cual las otras corrientes estáticas son generadas, es determinada por la alimentación del chip y por el resistor de 39 kΩ tuteando (en conjunto con las dos junções de diodo de los transistores) como una fuente de corriente. La corriente generada es de aproximadamente (VS+ − VS− − 2Vbe) / 39 kΩ.

Las condiciones en CC del estágio de entrada son controladas por las dos fuentes de corriente a la izquierda. La fuente formada por Q8/Q9 permite voltagens de modo-común mayores en las entradas sin exceder el rango activo de ningún transistor en el circuito. La fuente de corriente formada por Q10/Q11 es usada, indirectamente, para determinar la corriente en el estágio de entrada. La corriente es determinada por el resistor de 5 kΩ. A control del estágio de entrada ocurre de la siguiente manera:

Las salidas de las fuentes de corriente Q8/Q9 y Q10/Q11 juntas formar un circuito diferenciador de corriente con alta impedância. Si el estágio de entrada tiende a desviar (cómo detectado por Q8) del valor definido por Q10, es decir reflejado por Q9 y cualquier cambio del circuito es corregida alterando la voltagem en las bases de Q3 y Q4. De esta manera, las condiciones de CC del estágio de entrada son estabalecida por un sistema de realimentação negativa de alta ganancia.

La fuente de corriente en el tope a la derecha, formada por Q12/Q13 provê una carga de corriente constante para el estágio de ganancia clase A, a través del coletor de Q13, que es anchamente independiente de la tensión de salida.

Estágio de entrada diferencial

La sección trecejada en azul es el amplificador diferencial. Q1 y Q2 son seguidores de emisor y junto con el par base común compuesto por Q3 y Q4, forman el estágio de entrada diferencial. Además de eso, Q3 y Q4 funcionan también como registradores de nivel y provêem ganancia de tensión para alimentar el amplificador clase A. Ellos también ayudan a aumentar la tasa de Vbe reverso en los transistores de entrada.

El amplificador diferencial formado por Q1 - Q4 comanda una fuente de corriente de carga activa formadas por los transistores Q5 - Q7. Q7 aumenta la precisión de la fuente de corriente por la reducción de la cuantía de corriente de señal necesaria para Q3 controlar las bases de Q5 y Q6. Esta fuente de corriente provê la conversión de estágio diferencial para salida única, como sigue:

La corriente de señal de Q3 es la entrada para la fuente de corriente, mientras la salida de la fuente (el coletor de la Q6) es conectada al coletor de Q4. Allí, las corrientes de señal de Q3 y Q4 son sumadas. Para señales de entrada diferencial, las señales de corriente de Q3 y Q4 son iguales y opuestos. De ese modo, la suma es el doble de las corrientes individuales. Esto complete la conversión para una salida única.

La tensión de señal para un circuito abierto sobre este punto es dada por el producto de las corrientes de señal sumadas por el valor de la asociación paralela entre las resistencias de los coletores de Q4 y Q6. Como los coletores de Q4 y Q6 aparecen como altas resistencias a la corriente de señal, la ganancia de tensión de circuito abierto es muy alto.

Debe notarse que la corriente de base en las entradas no es cero, y que la impedância efectiva de las entradas diferenciales del 741 es de cerca de 2 MΩ Los pasadores de ajuste de offset (offset null) pueden ser usados en conjunto con un potenciômetro para remover cualquier voltagem de offset que iría a existir en la salida del amp op cuando la señal aplicada entre las entradas fuera igual a cero.

Estágio de ganancia clase A

El área tracejada en rosa es el estágio de ganancia clase A .Él consiste de dos transistores NPN en una configuración Darlington y utilizan la salida de fuente de corriente como su carga de coletor para obtener una alta ganancia. El capacitor de 30 pF provê una realimentação negativa variavel con la frecuencia en el estágio de ganancia clase A para estabilizar el amplificador en configuraciones de realimentação. Está técnica es llamada de compensación Miller y funciona de una manera similar al circuito integrador con amp op. Esta es también conocida como compensación de polo dominante, porque introduce un pôlo dominante (que mascara los efectos de los otros polos) en la respuesta de frecuencia en malla abierta. Esto polo puede ser bajo como 10 Hz en un amplificador 741 e introduce una pérdida de −3 dB en la respuesta en malla abierta a esta frecuencia. Es decir hecho para conseguir estabilidad incondicional en el amplificado hasta la ganancia unitaria de malla cerrada y hace esta tipo de amplificador más fácil de utilizarse.

Estágio anterior de la salida

La sección tracejada en verda (basada alrededor de Q16) es un chaveador de nivel de voltagem o un multiplicador de VBE; una especie de fuente de tensión. En el circuito motrado, Q16 provê una constante caída de tensión entre su coletor y emisor independiente de la corriente que pase por el circuito. Si la corriente de base en el transistor sea tenida cómo cero, y la tensión entre base y emisor (y a través del resistor de 7.5 kΩ) sea de 0.625 V (un valor típico en una transistor bipolar en la región activa), entonces la corriente que fluye a través del resistor de 4.5 kΩ irá a ser la misma que a de el resistor de 7.5 kΩ, e irá a producir una tensión de 0.375 V a través de ella. Esto mantiene la voltagem en el transisto, y en los dos resistores en 0.625 + 0.375 = 1 V. Esto sirve para polarizar los dos transistores de salida levemente para prevenir la distorção por crossover. En algunos amplificadores con componentes discretos esta función es obitica con (generalmente 2) diodos de silicio .

Estágio de la salida

El estágio de salida (tracejado en ciano) es un amplificado seguidor de emisor Clase AB push-pull (Q14, Q20) con la entrada definida por la fuente de voltagem VBE de Q16 y sus resistores de base. Este estágio y efectivamente controlado por los coletores de Q13 y Q19. El rango de salida del amplificador es de cerca de 1 voltio a menos del que la tensión de alimentación, definido en parte por el Vce(sat) de los transistores de salida.

El resistor de 25 ohms en el estágio de salida tutéa con un sensor de corriente para prover la función de límite de corriente de hube salido que limida el flujo de corriente en el seguidor de emisor Q14 para cerca de 25 me la en el caso del 741. La limitación de corriente para la salida negativa es hecha sintiéndose la voltagem en el resistor del emisor de la Q19 y utilizando esto para reducir la carga en la base de Q15. Versiones posteriores de este esquema de amplificador pueden mostrar un método levemente diferende de limitar la corriente de salida. Las resistencia de salida no es cero como sería en un amp op ideal, pongan con la realimentação negativa ella se aproxima a cero.

Ver también

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Conexiones externas

Aplicaciones adicionales:

Bibliografia: Electrónica Volumen 2; MALVINO; Editora McGraw-Hill, Ltda; 1987.