Fundamentos De Los Op-Amp: ¿Qué Es Un Amplificador Operacional?

Los circuitos integrados han tenido un gran impacto en la escena de la electrónica: tanto los circuitos analógicos como los digitales han cambiado la cara de la electrónica.

Dentro del ámbito de la electrónica analógica, ninguno ha marcado más la diferencia que el amplificador operacional, o op-amp. El amplificador operacional es un amplificador diferencial y es un bloque de circuitos de amplificación de muy alto rendimiento que permite diseñar muchos circuitos electrónicos de amplificación diferentes con la adición de sólo un puñado de otros componentes.

El amplificador operacional puede constituir la base de una gran cantidad de otros circuitos que van desde filtros hasta temporizadores, pasando por osciladores, comparadores y astables. Como tal, el amplificador operacional es uno de los bloques de construcción más versátiles disponibles para el ingeniero de diseño de circuitos de electrónica analógica y el aficionado.

Una de las ventajas de utilizar circuitos de amplificadores operacionales es que el diseño de los circuitos electrónicos es a menudo muy sencillo y, al mismo tiempo, se obtienen circuitos acabados de alto rendimiento.

Fundamentos De Los Op-Amp: ¿Qué Es Un Amplificador Operacional?

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    ¿Qué es un amplificador operacional?

    Un amplificador operacional (op amp) es un bloque de circuitos analógicos que toma una entrada de tensión diferencial y produce una salida de tensión de un solo extremo.

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    Los amplificadores operacionales suelen tener tres terminales: dos entradas de alta impedancia y un puerto de salida de baja impedancia. La entrada inversora se indica con un signo menos (-), y la entrada no inversora utiliza un signo positivo (+).

    Los amplificadores operacionales trabajan para amplificar el diferencial de voltaje entre las entradas, lo cual es útil para una variedad de funciones analógicas, incluyendo aplicaciones de cadena de señales, de potencia y de control.

    Desarrollo de amplificadores operacionales

    Aunque el término amplificador operacional se ha integrado totalmente en la terminología electrónica actual, quizá no se sepa que se remonta a un artículo publicado en 1947. En él se describía el trabajo realizado con estos amplificadores en los ordenadores analógicos de la época.

    Desarrollo de amplificadores operacionales

    Sin embargo, el concepto de estos amplificadores no se hizo realidad hasta la década de 1960, con la introducción generalizada de la tecnología de circuitos integrados. En 1963, se presentó el primer amplificador de operación de circuito integrado monolítico. Se trataba del µA702 de Fairchild Semiconductor, diseñado por su ingeniero Bob Widlar.

    Más tarde, en 1965, se lanzó un perfeccionamiento del µA709. De nuevo producido por Fairchild, era el µA709 y fue el primer amplificador de operación que se utilizó ampliamente. Funcionaba bien, superando algunos de los problemas del ¶micro;A702, aunque era necesario compensar externamente el amplificador para evitar que entrara en oscilación.

    En 1968 se introdujo el famosísimo µA741. Este amplificador operacional resolvió los problemas de inestabilidad incorporando un pequeño condensador de 30pF en el chip dentro de la matriz.

    Esto significaba que no se necesitaban componentes de compensación externos. Esta diferencia permitió que el 741 se utilizara de forma particularmente amplia y, de hecho, todavía lo fabrican algunas empresas en la actualidad. Además, la configuración de las patillas se ha trasladado a muchos chips de amplificadores operacionales actuales.

    Desde entonces, se han lanzado muchos chips de amplificadores operacionales que ofrecen un rendimiento mejorado en términos de impedancia de entrada, bajas compensaciones, bajo ruido y similares, y se han integrado en el diseño de circuitos electrónicos analógicos.

    En la actualidad, los amplificadores operacionales se han convertido en un bloque fundamental utilizado en toda la industria electrónica. A pesar de que existen desde hace tiempo, no parece que su uso vaya a decaer.

    Clasificaciones de los amplificadores operacionales

    Hay cuatro formas de clasificar los amplificadores operacionales:

    • Los amplificadores de tensión reciben una tensión y producen una tensión a la salida.
    • Los amplificadores de corriente reciben una entrada de corriente y producen una salida de corriente.
    • Los amplificadores de transconductancia convierten una entrada de tensión en una salida de corriente.
    • Los amplificadores de transresistencia convierten una entrada de corriente y producen una salida de tensión.

    Dado que la mayoría de los amplificadores operacionales se utilizan para la amplificación de tensión, este artículo se centrará en los amplificadores de tensión.

    Circuitos básicos de amplificadores operacionales

    Aunque los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente como amplificadores, también pueden ser la base de muchos otros circuitos.

    Como los circuitos de amplificadores operacionales colocan retroalimentación alrededor del amplificador, al cambiar ésta se modifican las propiedades del circuito en general. No sólo puede cambiar la realimentación el nivel de ganancia, sino que puede cambiar la función del circuito - es posible hacer diferenciadores, integradores, filtros, osciladores, astables, multivibradores, y muchos más circuitos simplemente cambiando los niveles de realimentación y la configuración.

    Hay muchos circuitos diferentes basados en los op amps. En general, son fáciles de diseñar y construir.

    Amplificadores operacionales: Características y parámetros clave

    Hay muchas características y parámetros importantes relacionados con los amplificadores operacionales (Miralo en la figura 1). Estas características se describen con más detalle a continuación.

    Amplificadores operacionales: Características y parámetros clave

    Ganancia en bucle abierto

    Ganancia en bucle abierto: La ganancia en bucle abierto ("A" en la Figura 1) de un amplificador operacional es la medida de la ganancia conseguida cuando no hay realimentación implementada en el circuito. Esto significa que la ruta de realimentación, o bucle, está abierta. Una ganancia de bucle abierto a menudo debe ser excesivamente grande (10.000+) para ser útil en sí misma, excepto con los comparadores de tensión.

    Los comparadores de tensión comparan las tensiones de los terminales de entrada. Incluso con pequeños diferenciales de tensión, los comparadores de tensión pueden conducir la salida a los carriles positivos o negativos.

    Las altas ganancias en bucle abierto son beneficiosas en las configuraciones de bucle cerrado, ya que permiten comportamientos de circuito estables a través de variaciones de temperatura, proceso y señal.

    Impedancia de entrada

    Otra característica importante de los amplificadores operacionales es que suelen tener una alta impedancia de entrada (“ZIN” en la figura 1). La impedancia de entrada se mide entre los terminales de entrada negativo y positivo, y su valor ideal es infinito, lo que minimiza la carga de la fuente.

    (En realidad, hay una pequeña fuga de corriente.) La disposición de los circuitos alrededor de un amplificador operacional puede alterar significativamente la impedancia de entrada efectiva para la fuente, por lo que los componentes externos y los bucles de realimentación deben configurarse cuidadosamente.

    Es importante tener en cuenta que la impedancia de entrada no está determinada únicamente por la resistencia DC de entrada. La capacitancia de entrada también puede influir en el comportamiento del circuito, por lo que también debe tenerse en cuenta.

    Impedancia de salida

    Un amplificador operacional tiene idealmente una impedancia de salida nula (ZOUT en la figura 1). Sin embargo, la impedancia de salida suele tener un valor pequeño, que determina la cantidad de corriente que puede conducir, y lo bien que puede funcionar como un buffer de tensión.

    Respuesta en frecuencia y ancho de banda (BW)

    Un amplificador operacional ideal tendría un ancho de banda (BW) infinito, y sería capaz de mantener una alta ganancia independientemente de la frecuencia de la señal. Sin embargo, todos los amplificadores operacionales tienen un ancho de banda finito, generalmente llamado "punto de -3dB", donde la ganancia comienza a rodar a medida que aumenta la frecuencia.

    La ganancia del amplificador disminuye entonces a un ritmo de -20dB/década mientras la frecuencia aumenta. Los amplificadores operacionales con un mayor ancho de banda tienen un mejor rendimiento porque mantienen una mayor ganancia a frecuencias más altas; sin embargo, esta mayor ganancia se traduce en un mayor consumo de energía o un mayor coste.

    Respuesta en frecuencia y ancho de banda (BW)

    Producto del ancho de banda de la ganancia (GBP)

    Como su nombre indica, el GBP es un producto de la ganancia y el ancho de banda del amplificador. El GBP es un valor constante a lo largo de la curva, y puede calcularse con la ecuación (1):

    GBP=GainxBandwidth=AxBW

    La GBP se mide en el punto de frecuencia en el que la ganancia del amplificador operacional alcanza la unidad. Esto es útil porque permite al usuario calcular la ganancia en bucle abierto del dispositivo a diferentes frecuencias. La GBP de un amplificador operacional es generalmente una medida de su utilidad y rendimiento, ya que los op amps con una GBP más alta pueden ser utilizados para lograr un mejor rendimiento a frecuencias más altas.

    Estos son los principales parámetros a tener en cuenta a la hora de seleccionar un amplificador operacional en su diseño, pero hay muchas otras consideraciones que pueden influir en su diseño, dependiendo de la aplicación y las necesidades de rendimiento. Otros parámetros comunes son la tensión de offset de entrada, el ruido, la corriente de reposo y las tensiones de alimentación.

    Variedades de amplificadores operacionales

    Como cualquier otro componente electrónico, los amplificadores operacionales están disponibles en muchas variedades. Los primeros amplificadores operacionales, como el A709, estaban disponibles en latas metálicas circulares de 8 pines, mientras que los amplificadores operacionales posteriores estaban disponibles en paquetes dobles en línea de 8 pines.

    También se disponía de varios op-amps en paquetes DIL de 14 patillas; incluso había op-amps dobles disponibles en paquetes DIL de 8 patillas, aunque no se podía acceder a las capacidades de offset null porque no había suficientes patillas en el paquete.

    A medida que los componentes electrónicos se trasladaban a las páginas de montaje superficial, los amplificadores operacionales estaban disponibles en paquetes de bajo número de pines, lo que facilitaba su incorporación a diferentes circuitos cuando era necesario.

    Los amplificadores operacionales también están disponibles con una amplia variedad de parámetros de rendimiento. Aparte de los que ofrecen características de rendimiento generales, hay otros que proporcionan un rendimiento de bajo ruido, bajo offset, alta impedancia de entrada, rendimiento de alta frecuencia y una variedad de otras áreas mejoradas también.

    Por lo tanto, es posible obtener estos componentes electrónicos en formatos y con prestaciones que se adaptan a casi todas las necesidades.

    El amplificador operacional es un bloque de construcción muy útil para la electrónica analógica. Al ser un circuito de amplificación diferencial, se presta a muchas áreas o al diseño de circuitos de electrónica analógica. Dado su amplio uso, los chips son muy baratos y pueden utilizarse para una gran variedad de funciones.

    En vista de su rendimiento, su facilidad de uso y la variedad de circuitos diferentes en los que se pueden utilizar, los amplificadores operacionales se utilizan en un gran número de circuitos, tanto como circuitos integrados por derecho propio, y también como bloques de circuitos dentro de chips de circuitos integrados que contienen grandes cantidades de funcionalidad analógica.

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