Centenares de proyectos se basan en los amplificadores operacionales, que pueden encontrarse en forma integrada con diversas denominaciones y características. EI tipo mas populares sin duda el 741, para sus principios da operación y características valen para la mayoría de los otros. Aquí hablamos un poco, de forma didáctica, del amplificador operacional, dando elementos para los proyectos y uso.
Es curioso que la función para la que se creo originalmente el amplificador operacional no es muy común hoy.
Estos dispositivos se proyectaron para realizar operaciones matemáticas en computadoras analógicas.
En cambio, por sus características, los amplificadores operacionales encontraron otros usos, incluso en RF en algunos casos. Como resultado, tenemos su aplicación práctica en fuentes, accionadores de relevadores, sensores, osciladores, amplificados de corriente continua y audio, filtros; etc.
En la figura 1 tenemos el símbolo adoptado para representar un amplificador operacional.
La entrada de este dispositivo consiste en un amplificador diferencial, cuyo circuito básico aparece en la figura 2.
Existen, entonces, dos entradas, denominadas “no inversora” (+) e “inversora” (-), y una salida. El significado de estos términos usados para designar las entradas será explicado más adelante.
Todas las etapas del circuito tienen acoplamiento directo, lo que significa la posibilidad de operación con señales continuas (amplificación DC).
Un amplificador operacional típico presenta ganancias de tensión en la gama de 1.000 a 1.000.000 de veces.
Un amplificador ideal tiene una impedancia de entrada infinita y una impedancia de salida nula.
En la práctica, estas características están bien lejos del ideal. Un amplificador operacional típico con transistores bipolares tiene una impedancia de entrada alrededor de 1 Megaohm y una salida alrededor de los 150 Ω.
Las versiones con transistores de efecto de campo en la entrada llegan a impedancias de entrada mucho mayores, del orden de billones de Ω.
Operación
Cuando aplicamos una señal de entrada no inversora (+), como muestra la figura 3, polarizando convenientemente la otra entrada, esta señal aparece en la salida con la misma fase, después de ampliada.
Si la señal se aplica en la entrada inversora (-), como muestra la figura 4, la señal aparece en la salida con la fase invertida.
La manera normal de emplear un operacional es con una fuente de alimentación simétrica, como muestra la figura 5.
Así, en la condición de ausencia de serial de entrada, tenemos en la salida una tensión nula en relación a la referencia (0V).
Cuando se aplica una señal entre las entradas, la diferencia de tensión (E1 – E2.) resulta amplificada apareciendo en la salida
Si la diferencia fuera positiva (E1 mayor que E2). la salida será de una tensión positiva en relación a la referencia. Si esta diferencia es negativa (E1 menor que E2), la tensión de salida será de valor más bajo que la referencia, o sea también será negativa.
Por supuesto que existe un limite para la máxima tensión que podemos obtener en la salida, que es determinado básicamente por la tensión de alimentación del amplificador operacional.
Un poco por debajo de la tensión de alimentación, el amplificador se “satura” y no hay más amplificación.
En la figura 6 tenemos una curva típica de transferencia de un amplificador operacional, observándose su linealidad en la región normal de operación.
Vea que debemos hacer operar el amplificador en la región lineal de la curva de transferencia si no queremos cortes o deformaciones en la señal trabajada.
Por supuesto existen aplicaciones en las que es deseable el corte, y la polarización se hace de modo que ocurra esto.
En suma, en la aparición normal más común, el amplificador operacional amplia la diferencia de tensiones de la serial de entrada. aplicada entre la entrada inversora y la entrada no inversora.
Podemos utilizar el amplificador operacional de forma simplificada, en cuanto a la polarización, sin necesidad de fuente simétrica, como muestra la figura 7.
Tenemos entonces dos tipos de polarización. En la primera formamos un divisor resistivo (R1 R2) para obtener en su centro la tensión de referencia de 0V.
En la segunda, simplemente consideramos que las señales aplicadas deben siempre tener diferencia positiva para “caer” en la parte superior (primer cuadrante) de la curva de transferencia, no habiendo pues amplificación de las señales negativas.
Está claro que esto no significa que, con polarizaciones de este tipo. quedamos impedidos de trabajar con señales que correspondan a corrientes alternadas.
Colocamos entonces un divisor resistivo en la entrada (inversora o no inversora) como muestra la figura 8, fijando así la tensión alrededor de la cual variará la señal (referencia).
Si la serial de entrada tuviera la misma tensión, no será amplificada, pero las variaciones alrededor del valor de referencia serán amplificadas, apareciendo en la salida del operacional.
Ganancia
No siempre, en las aplicaciones prácticas, se desea obtener la ganancia máxima del operacional, incluso porque el mejor desempeño no se obtiene en estas condiciones.
Como podemos ver por la curva de la figura 9, la frecuencia máxima en que el mismo puede operar cae a medida que aumenta su ganancia.
Así, Si por medio de una conexión de retroalimentación negativa externo, como muestra la figura 10, reducimos la ganancia de la operación podemos mejorar otras características importantes, como por ejemplo la gama de frecuencias de operación (banda pasante), o sea la banda de frecuencias que puede amplificar, el rechazo en modo común (CMRR, que será explicado posteriormente) , y hasta incluso se puede elevar la impedancia de entrada.
La ganancia y la impedancia de entrada dependen justamente de los componentes usados en la conexión de la retroalimentación. Así para la ganancia de tensión (G), con buena aproximación, podemos aplicar la fórmula:
GA = (R1 +R2)IR1
La impedancia de entrada Ze será dada aproximadamente por el valor de R1.
Una aplicación interesante para el amplificador operacional es la denominada “seguidor de tensión” cuya configuración aparece en la figura 11.
Se trata de un amplificador con ganancia de tensión unitaria, o sea, las variaciones de tensión de salida corresponden a las variaciones de tensión en la entrada.
La principal característica de este circuito es tener una impedancia de entrada muy alta y de salida muy baja, lo que significa que existe una ganancia real de potencia.
El circuito en cuestión puede ser usado en instrumentación para aislar la fuente de señal del circuito de medida, no cargándolo, o bien como un eficiente adaptador de impedancias.
Especificaciones
Además de la ganancia sin retroalimentación, impedancia de entrada y de salida, existen algunas otras especificaciones importantes que deben observarse en un proyecto con amplificadores operacionales.
Tensión de alimentación o gama de tensiones de alimentación: tenemos entonces una tensión máxima que puede existir entre las terminales de alimentación, pudiendo darse en función del uso de una fuente simétrica o no.
Así. podemos dar este valor como 15-0-15V ó :+/-15V en un caso, o bien directamente como 30V. En el caso de la gama, damos los valores mínimos y máximos de tensión de alimentación en que sus características funcionales se mantienen.
Tensiones de entrada: no debemos aplicar en las entradas del amplificador operacional señales cuya amplitud sea mayor que la alimentación. Normalmente, debe observarse una tole rancia de 1 ó 6 2 volts para esta tensión.
Gama de tensiones de salida: el amplificador operacional ideal debe proporcionar una salida de tensión del mismo orden que la de alimentación en su punto de máximo (excursión máxima).
Mientras tanto, en la práctica, la tensión máxima oscila entre valores que están un poco por debajo o encima (para las tensiones negativas) de la tensión de la fuente de alimentación.
Rechazo en modo común (abreviada CMRR, del inglés “Common Mode Rejection Rate”): esta especificación es importante pues se refiere a la capacidad del amplificador para rechazar señales de la misma fase.
El amplificador operacional debe producir una salida que sea proporcional a la diferencia entre las tensiones aplicadas en las entradas (inversora y no inversora).
Si la diferencia fuera nula, la tensión de salida debe ser nula. En la práctica, sin embargo. cuando la diferencia entre las tensiones de entrada es cero, la salida puede presentar una pequeña oscilación.
Este valor se expresa en términos de ganancia. dada en dB, situándose típicamente en la gama de los 90 dB. para los tipos comunes.
Operacionales Comunes
741 - Este operacional puede aparecer con prefijos como µA741, LM741. etc. y es de uso general y uno de los más populares. presentando las siguientes
Características:
- Ganancia sin realimentaciôn: 100 dB
- lmpedancia de entrada (tip): 1 M
- Impedancia de salida (tip) 150 ohmo
- Tensión máxima de alimentación: 18-0-18V
- CMRR.............................90 dB
- Frecuencia de transición: 1 MHz
TL071 - Es un amplificador operacional de Texas Instruments con transistores de efecto de campo en la entrada, presentando pues una impedancia de entrada elevada. Los tipos TL072 y TL1074 son equivalentes, con la diferencia que el primero es el doble y el segundo cuádruple.
Tensión de alimentación: 18-0-18Vmáxima 180-18V
Banda de frecuencias: 3MHz
Impedancia de entrada 1012Ω
Corriente de alimentación (tip) 1,4mA
Distorsión armónica total: 0,003%
Obs.: posee protección contra cortocircuitos en la salida.
LM101/LM301 - Estos amplificadores operacionales de uso general puede obtenerse de diversos fabricantes, presentando las siguientes características:
Tensión de alimentación: 101A: 22-0-22V
301A: 18-0-18V
Resistencia de entrada: 101A(tip) ; 4 M
301A (tip) 2 M
Corriente de alimentación: 1,8 mA
Obs.: poseen protección contra cortocircuitos en la salida.
En la figura 12 tenemos las cubiertas de estos integrados.
