En este artículo, trataremos de una nueva categoría de amplificadores operacionales, que siguen los RRO (Rail to Rail Operating) que son los amplificadores operacionales con entradas y salidas Rail to Rail o sea, Rail-to-Rail Input Output, abreviado por RRIO.
Cuando trabajamos con amplificadores operacionales alimentados con tensiones bajas, como ocurre en la mayoría de las aplicaciones modernas en que la alimentación se sitúa en el rango de 1 a 3 V, una pequeña variación en la tensión de salida puede afectar mucho el desempeño de un circuito.
Si alimentamos un circuito con 1,2 V, por ejemplo, y excitamos un operacional de modo que se sature, es de esperar que la salida sea lo más próxima posible de 1,2 V, es decir, próxima a la línea de alimentación o ferroviario.
Así, con una alimentación simétrica de 1,2 V, es importante que la tensión de salida sea capaz de oscilar entre las dos líneas de alimentación (positiva y negativa) o sea, rail-to-rail.
Como hemos visto en ese artículo, hay varios componentes en el mercado que atienden estas características como el TLV2462 de Texas Instruments, mostrado en la figura 1.
El paso de salida de un amplificador que es capaz de tener su salida oscilando entre las líneas de alimentación obedece a una topología específica, como se muestra en la figura 2.
Conforme al Application Note SLOA039a de Texas Instruments que se puede acceder en http://www.ti.com/lit/an/sloa039a/sloa039a.pdf las características de salida de este circuito le permiten alcanzar las tensiones de alimentación, lo que es que se muestra en la figura 3.
Pero no basta con tener un amplificador operacional cuya salida sea capaz de una excursión total entre las tensiones de alimentación. Hay aplicaciones en las que necesitamos una característica rail-to-rail también en la entrada.
Ocurre en los tipos normales que la entrada del operacional no tiene esas características. La saturación o capacidad que el circuito tiene que responder a una señal externa termina antes de que llegue a una amplitud que corresponda a la tensión de alimentación.
Los buenos amplificadores operacionales pueden tener una pequeña banda entre el punto en que se produce su saturación y la tensión de alimentación, por ejemplo, 200 mV por debajo de la tensión de alimentación. Sin embargo, con una alimentación de 1,2 V, este valor corresponde a casi el 20% del rango dinámico de operación del componente.
En los amplificadores operacionales comunes, la etapa de entrada consiste en un par diferencial con una topología como se muestra en la figura 4.
Para obtener una etapa de entrada rail-to-rail, esta tipología debe ser modificada. En la figura 5 tenemos entonces la forma en que esto se puede hacer, tanto utilizando transistores bipolares como CMOS.
En el caso de que se trate de un tipo de entrada y salida que ya hemos visto anteriormente, podemos tener amplificadores operacionales RRIO, es decir, entradas (I) y salidas (O) rail-to-rail (RR).
Texas Instruments en su application note presenta diversos circuitos prácticos para el TLV246x, un amplificador operacional que posee tanto la entrada como la salida rail-to-rail. Veamos algunos de ellos:
a) Seguidor de tensión
El circuito mostrado en la figura 6 es de un amplificador con ganancia unitaria, es decir, un seguidor de tensión que tiene tanto entrada como salida rail-to-rail.
b) Convertidor Corriente x Tensión
El circuito presentado en la figura 7 tiene por finalidad medir la corriente en un circuito de 5 V. El resistor de shunt sobre el cual se mide la tensión es calculada por la fórmula Rs = 0,005 / Imax.
c) Amplificador con salida Rail-to-Rail para instrumentación
Este circuito hace uso de dos amplificadores operacionales y tiene su ganancia determinado por los componentes conforme a la fórmula junto al diagrama. El rechazo en modo común de este circuito es de 100 dB y los resistores deben tener tolerancia de 0,1% o menores.
d) Generador de rectángulos de hasta 600 kHz
Este circuito genera una señal rectangular con amplitud de 5 V a partir de fuente de 5 V, es decir, tiene una salida rail-to-rail con una tasa de crecimiento de 10,5 V / us. La fórmula que permite calcular los componentes para la frecuencia deseada está junto al diagrama.
Conclusión
La utilización de fuentes de alimentación con tensiones cada vez más bajas, la adopción de circuitos de precisión en una variedad cada vez más amplia de aplicaciones, exige una evolución también en los circuitos de apoyo y en ellos incluimos los amplificadores operacionales.
Amplificadores operacionales RRIO son fundamentales en las aplicaciones modernas. Mantente atento al hacer tu nuevo proyecto.
Mouser Electronics posee en su línea de productos una gran cantidad de amplificadores operacionals RRIO destacando los tipos de Texas Instruments como el TLV2771 (https://www.mouser.com/_/?Keyword=TLV2771CD)