1.3. el opamp práctico y compensación

Electrnica Analgica III

Unidad I

1.3. El amplificador operacional prctico Los amplificadores operacionales son dispositivos semiconductores, monolticos (estn formados en un sustrato integrado mediante mtodos de mscara y deposicin), acoplados directamente, y su estructura interna se puede agrupar en tres etapas: Entrada, conformada por un amplificador diferencial que dependiendo de su tecnologa constructiva puede ser BJT, JFET, entre otras. Esta etapa defina todas las caractersticas y parmetros de entrada del amplificador operacional, por ejemplo, alta resistencia de entrada, alta CMRR, Alta ganancia en lazo abierto, entre otras caractersticas. Intermedia, amplificadores de corriente constante, espejos de corriente, corrimiento de nivel CD, amplificadores de voltaje. Salida, configurada por un amplificador en contrafase o simetra complementaria, para proporcionar fundamentalmente una gran variacin a la seal de salida con Ro baja.

El siguiente diagrama esquemtico representa los circuitos internos del amplificador operacional de propsito general LM741.

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El comparador LM339 est configurado internamente como se muestra en el siguiente diagrama, se pueden apreciar algunas diferencias con el opamp Lm741, los transistores PNP en la entrada por el PAPE y las salidas en colector abierto.

El diagrama del amplificador operacional TL082 con entrada FET:

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Los amplificadores operacionales prcticos difieren un poco de los amplificadores operacionales ideales en algunos parmetros importantes, esto debido principalmente a que en los primeros se observan pequeas variaciones en el voltaje de salida, provocados por las corrientes y voltajes de polarizacin y operacin de los dispositivos semiconductores internos. Es importante entender estas diferencias entre los amplificadores operacionales reales e ideales, sobre todo cuando pequeas variaciones en el voltaje de salida afectan de manera considerable el comportamiento del circuito (Ej. en los sistemas de instrumentacin). Un amplificador operacional en su configuracin inversora para una aplicacin en general donde no importa mucho la desviacin en el valor del voltaje de salida esperado, -5V, puede presentar en la salida un voltaje medido de -4.916 como se muestra en el siguiente circuito, un error de 84 mV.

Sin embargo, si se requiere amplificar una seal de 1 V que pudiera provenir de un sensor, el error en la desviacin del voltaje de salida esperado si afecta ms all del 100%, es decir, pareciera que las ecuaciones desarrolladas para las configuraciones bsicas del amplificador operacional ideal en lazo cerrado no son vlidas para el amplificador prctico.

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El error en el voltaje de salida se debe a los parmetros estticos del amplificador operacional, que se refieren a las pequeas diferencias entre los voltajes y corrientes de polarizacin de los transistores acoplados por emisor (PAPE) en la etapa de entrada del amplificador operacional. Estas caractersticas, entre otras, se pueden encontrar la hoja de especificaciones elctricas del dispositivo en particular proporcionada por su fabricante. Parmetros estticos de entrada 1. Input Offset Voltage (Vio). Si el voltaje de entrada de un amplificador operacional ideal es cero, el voltaje de salida tambin es cero, esto no aplica en un amplificador operacional real. El voltaje de offset en la entrada se define como el voltaje de entrada requerido para que la salida sea cero (Vio es cero para un amplificador ideal). Estos pequeos voltajes de desbalance en las entradas del amplificador operacional se deben a pequeas diferencias en los parmetros de fabricacin de la primera etapa (entrada) del amplificador operacional, el amplificador diferencial, es decir, los transistores de esta configuracin no son idnticos, producindose ligeras variaciones en el valor nominal del voltaje de colector cuando ambas entradas son aterrizadas. Este voltaje se puede representar como una fuente de voltaje interna en serie con la terminal inversora o no inversora. Para calcular el cambio de voltaje en la salida provocado por el voltaje de offset en la entrada, este siempre se multiplica por la ganancia no inversora, para cualquier configuracin, es decir (cuando las dos entradas del amplificador operacional estn a tierra), el voltaje de offset en la salida debido a voltajes de offset en la entrada:

2. Input Bias Current (Iib). Es el promedio de las corrientes que circulan entre ambas entradas. Idealmente las dos corrientes de polarizacin de entrada seran iguales. La corriente de polarizacin se puede modelar como dos fuentes de corriente, segn se observa en la siguiente figura. Los valores de estas fuentes son independientes de la impedancia de la fuente. La corriente de polarizacin se define como el valor promedio de las dos fuentes de corriente.

I B = Iib =

Iib1 + Iib 2 I B+ + I B = 2 2

El intervalo de IB comprende desde 1 A o ms para los amplificadores operacionales de propsito general (741); o 1 pA o menos para los amplificadores operacionales con entradas FET. Existen amplificadores operacionales denominados electrmetros, requieren corrientes de polarizacin de entrada ultrabajas (fA). Los dos transistores en el amplificador diferencial del opamp estn polarizados para conducirFAHA_Singapur 2011

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corrientes extremadamente pequeas hacia el interior pues son transistores NPN. Est corriente es tan pequea que no tiene efecto en la ganancia en lazo cerrado, pero bajo ciertas circunstancias estas corrientes pueden provocar cambios considerables en el voltaje de salida del amplificador operacional (Este efecto se puede medir de la misma manera que con Vio, entradas del opamp a tierra), Voltaje de Offset en la Salida debido a corrientes de polarizacin Iib. Para calcular el cambio de voltaje en la salida provocado por las corrientes de polarizacin en la configuracin inversora, el voltaje de offset en la salida debido a corrientes de polarizacin en la entrada:

3. input offset current (Iio). Corriente de offset en la entrada. Es la diferencia entre las dos corrientes de polarizacin de entrada, cuando el voltaje de salida es cero. Iio= Iib1 Iib2 Iio= Iib2 Iib1.

I io = I os = I B + I B La Iio caracterstica es inferior al 25% de IB para una corriente de polarizacin promedio de entrada. Iio=0.25Iib Esto provoca que el cambio en el voltaje de salida (Vos) sea reducido al 10% de su valor debido a las corrientes de polarizacin, si el cambio de voltaje fuera relacionado con la corriente de offset. 4. Average Input Offset Voltage Drift (Vio). Coeficiente trmico del voltaje de compensacin, Deriva. Es la razn de los cambios del voltaje offset de entrada con respecto a la temperatura ambiente; V/C. 5. Input Offset Voltage Adjustment Range. Rango de ajuste para el Vio. 6. Average Input Offset Current Drift (Vio), Deriva. Tanto la corriente de polarizacin de entrada como la corriente de desplazamiento en la entrada son independientes de la temperatura. El coeficiente de temperatura de la corriente de polarizacin de entrada se define como la razn de cambio en la corriente de polarizacin a cambios en la temperatura. Un valor tpico es 10 nA/C. El coeficiente de temperatura de la corriente de desplazamiento en la entrada se define como la razn de cambio en la magnitud de la corriente de desplazamiento al cambio en la temperatura. Un valor tpico 2 nA/C. 7. Input Voltage Range (Vmc). Tolerancia del voltaje de entrada. Es el intervalo del voltaje de entrada de modo comn, es decir, se trata del voltaje comn para ambas entradas con respecto a tierra. 8. Input Resistance (Ri Zi). Resistencia de entrada. Esta es la resistencia vista desde cualquier terminal de entrada hacia adentro, con la otra terminal conectada a tierra. 9. Capacitancia de entrada. Es la capacitancia entre las terminales de entrada, en pF.

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Parmetros estticos de salida 1. Resistencia de salida Ro o Zo. Es la resistencia vista desde la terminal de salida hacia adentro del amplificador. 2. Corriente de salida en cortocircuito Iosc. Es la mxima corriente de salida que puede entregar el amplificador operacional a una carga. 3. Variacin del voltaje de salida Vo mximo (swing). Este es el voltaje mximo de salida que el amplificador puede entregar a la carga, sin distorsin o corte. Depende de la fuente de polarizacin y de la resistencia de carga. Ejemplo: Analizar cada uno de los parmetros estticos definidos anteriormente en la hoja de especificaciones elctricas de diferentes amplificadores operacionales.

Mtodos de compensacin para el error en el voltaje de salida provocado por los parmetros estticos en las entradas del amplificador operacional. Los principales parmetros estticos que provocan cambios en el voltaje de salida del amplificador operacional son: Las corrientes de entrada en las terminales inversora (IB-) y no inversora (IB+) La corriente de polarizacin en la entrada, Input Bias Current (IB) El desbalance en la corriente de entrada, Input Offset Current (Iio) El desbalance en el voltaje de entrada, Input Offset Voltage (Vio)

Si el amplificador operacional se va a aplicar en un diseo de un circuito electrnico para instrumentacin y control, donde se van a procesar seales analgicas con niveles de voltaje de mV, V, nV o seales de corrientes en mA, A, nA; es necesario reducir a cero el error en el voltaje de salida, este procedimiento es lo que se conoce como compensacin. Cualquier mtodo de compensacin utilizado, va a permitir validar todas las ecuaciones aplicadas en el amplificador operacional ideal en lazo cerrado para el amplificador operacional prctico, es decir, que se comporte de manera lineal.

PROCEDIMIENTOS DE COMPENSACIN Y AJUSTES DEL OFFSET Mtodos de ajuste del Offset En aplicaciones que requieran de un alto grado de precisin en rgimen de corriente directa, el voltaje Offset de entrada del amplificador operacional en uso puede ser una fuente significativa de error, especialmente cuando se opera con etapas de alta ganancia. Para un buen funcionamiento, tal situacin exige que el voltaje Offset de entrada se anule. El ajuste a cero se puede efectuar: 1. Mediante tcnicas y circuitos que recomienda el fabricante para cada dispositivo en particular 2. Para cualquier dispositivo, aplicando tcnicas generales de uso externo.

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Formas de compensacin a las variaciones de voltaje en la salida debido a Vio La manera ms prctica de cancelar las variaciones de voltaje en la salida debido a Vio, es mediante las terminales en el CI y la configuracin que el fabricante propone para este fin. En muchos de los casos este ajuste no es suficiente para eliminar a cero las variaciones de voltaje o el amplificador operacional utilizado no cuenta con las terminales para cancelar el Offset (OFFSET NULL), por lo que la configuracin externa que se muestra a continuacin se puede utilizar para eliminar los efectos del voltaje de desplazamiento. Se aplica un voltaje variable en la entrada inversora, una eleccin apropiada de este voltaje puede cancelar el voltaje de desplazamiento en la entrada. De forma similar se ilustra este circuito de balance aplicado a la terminal no inversora.

Formas de compensacin a las variaciones de voltaje en la salida debido a Iio: Es posible reducir las variaciones de voltaje en la salida provocados por los desbalances en las corrientes de polarizacin de entrada conectando el amplificador operacional como se muestra a continuacin.

Este mtodo consiste en conectar una resistencia en serie con la terminal no inversora. El valor de esta resistencia es igual a la resistencia total equivalente conectada a la terminal inversora (RC es igual a RF en paralelo con RA). Esta resistencia es llamada Resistencia de compensacin RC para las corrientes de polarizacin. La corriente de polarizacin IB+ fluye a travs de esta resistencia, produciendo un voltaje negativo en la entrada no inversora que al ser multiplicado por

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la ganancia no inversora cancela el cambio de voltaje debido a la corriente IB- en la entrada inversora. La variacin del voltaje de salida en este caso (entradas del opamp a tierra) ser:

Por lo tanto, cuando existe compensacin a las variaciones de voltaje provocadas por Iio, la variacin del voltaje de salida se calcula:

Conectando RC en serie con la terminal no inversora la tensin de salida es cero. Se concluye de este anlisis que la resistencia en cd de V+ a tierra debera ser igual a la resistencia en cd de V- a tierra. Esta observacin se utiliza a menudo en los diseos. Es importante que tanto la terminal inversora como la no inversora tengan un trayecto de cd hacia tierra para reducir los efectos de la corriente de polarizacin de entrada. Es necesario agregar siempre una resistencia RC para compensar la corriente de polarizacin en serie con la terminal de entrada (+); excepto para los opamp con entrada FET. El valor de RC deber ser igual a la combinacin en paralelo de todas las resistencias conectadas a la terminal (-); cualquier resistencia interna en la fuente de seal tiene que incluirse tambin en los clculos. La resistencia de CD que se mira desde la entrada no inversora (+) a tierra debe ser igual a la resistencia de CD que se mira desde la entrada inversora (-) a tierra; las fuentes de seal se reemplazan por su resistencia interna de CD y la terminal de salida del amplificador operacional se considera conectada a tierra. Anulacin del efecto del voltaje de desvo y de las corrientes de polarizacin: Seleccionar una Resistencia de compensacin de corriente de polarizacin. Seleccionar el circuito de compensacin recomendado por el fabricante. Reducir todas las seales de entrada a cero o reemplazar por sus resistencias internas; si esta resistencia es muy pequea en comparacin con cualquier resistencia conectada en serie e los generadores de entrada, no es necesario. Conectar la carga en la salida del amplificador operacional. Encender la fuente de alimentacin y esperar unos minutos para estabilizacin. Conectar un milivoltmetro en la salida. Variar la resistencia de ajuste hasta obtener una lectura de 0 mV en la salida. Asegurar que estos potencimetros ya no sean desajustados. Encender las fuentes de seales de entrada. Nota: Este procedimiento de calibracin se realiza a una misma temperatura y en una sola vez. La desviacin de la corriente y el voltaje de desvo cambian con el tiempo debido al envejecimiento de los componentes. Adems, si el voltaje de la fuente de alimentacin cambia, las corrientes de polarizacin lo hacen tambin, y en consecuencia se altera la desviacin de la corriente, se recomienda utilizar una fuente de alimentacin bien regulada para evitar esto. Deriva: La desviacin de las corrientes y voltajes de polarizacin tambin cambian por modificaciones de temperatura en el amplificador operacional. Los cambios en los desvos de la corriente y el voltaje debidos a la temperatura se caracterizan con el trmino deriva (nA/ o C V/ Estos cambios se pueden reducir al mnimo si : C). a. Si se mantiene constante la temperatura que rodea al circuito. b. Si se seleccionan amplificadores operacionales con valores de corriente y voltaje de desvo que cambien muy poco con las variaciones de la temperatura.

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Eliminacin interna del offset para dispositivos en particular En general, las tcnicas que proporcionan los fabricantes de semiconductores para anular los efectos de desviaciones de un dispositivo en particular, son normalmente ptimas para cada caso. Desafortunadamente no existen mtodos generales de compensacin interna, ya que stos dependen del amplificador operacional en cuestin e incluso de las terminales del dispositivo. Por ejemplo, en los amplificadores de precisin, como es el caso de un amplificador de instrumentacin, el amplificador operacional usado debe tener un bajo voltaje offset y un bajo corrimiento trmico a este parmetro. Los dispositivos usados para estas aplicaciones presentan un cambio de caractersticas de voltaje offset de 3.3 V/C/mV. Tal es as, que en teora cuando Vio = 0, el corrimiento obtenido tambin es cero. Fundamental por esta razn (as como por el bajo Vio), es deseable que el amplificador operacional venga ajustado de fbrica, ya que son dos los errores principales que se disminuyen simultneamente. Para un buen funcionamiento y una operacin consistente, es recomendable no comprometer la razn de bajo corrimiento al voltaje offset de entrada, y en lo posible se debe evitar la nulidad offset de un amplificador de precisin. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con la tcnica usada para la compensacin ya que de hecho puede aumentar el corrimiento. Sin embargo, donde es necesario anular los ltimos 50 V a 100 V de offset de un amplificador operacional de precisin, debe usarse uno de los circuitos recomendados por el fabricante (hoja de especificaciones).

Procedimientos generales de compensacin En el siguiente circuito se muestra una tcnica muy generalizada de compensacin del voltaje offset para algn amplificador por medio de un voltaje referido a tierra. Para ello, se conectan a las terminales de compensacin las resistencias de valores altos R1 y R2. El voltaje aplicado por medio de R2 provoca el desequilibrio o desbalance de dos corrientes internas, produciendo cambios en el voltaje de offset. Este esquema acta con un grado de precisin, dependiendo

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mucho de cmo son las especificaciones del amplificador operacional empleado. Circuitalmente y visto desde las terminales de compensacin, esto vara mucho entre amplificadores. Para optimizar en cada caso en particular, se recomienda variar los valores de R1 y R2.

Tcnica externa universal de compensacin Para un amplificador operacional, el mtodo ptimo de ajuste del offset es el mtodo interno proporcionado por el fabricante. Estos mtodos resultan de la condicin de minimizar el corrimiento del voltaje offset de entrada. El corrimiento aparece cuando el voltaje offset de entrada es cero, pero desafortunadamente los mecanismos que acompaan a estos mtodos no son los adecuados para todos los amplificadores operacionales. Bajo estas condiciones se tienen que recurrir a los mtodos externos. El siguiente circuito muestra las tres tcnicas de compensacin: Resistencia de compensacin, Offset Null y Potencimetro externo; esto para poder amplificar una seal de 1V.

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MEDICIN DE LAS CARACTERSTICAS ESTTICAS 1. Corrientes de entrada (PAPE) Corriente en la entrada inversora (IB-) Nota: Los voltmetros estn en escala de milivolt

VF =

IF VI =

I B = I F I IIF = VF 17.556mV = = 175.56nA RF 100K VI 1.031mV = = 103.1nA RI 10K

II

IB-

II =

I B = 175.56nA 103.1nAI B = 72.46nA

Corriente en la entrada no inversora (IB+) Nota: Conectar RC=RF//RI, y medir el voltaje en escala de milivolt

I B+ =

IB+ VRC =

I B+

VRC RC 512.782V = 9.091K

I B + = 56.4nA

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Con las corrientes de entrada, se pueden calcular las dos corrientes caractersticas del amplificador operacional prctico:

Corriente de polarizacin en la entrada (Input Bias Current, IB)

IB =

I B+ + I B 56.4nA + 72.46nA = 2 2

I B = 64.43nA Corriente de desbalance en la entrada (Input Offset Current, Iio)

I io = I B I B + = 72.46nA 56.4nA

I io = 16.06nATambin se pueden medir, pero se requieren nanoampermetros muy precisos, a continuacin se muestran las mediciones en el simulador. Observe que las corrientes de entrada en el amplificador operacional son independientes de la configuracin utilizada, es decir, no cambian; estas solo pueden variar de un amplificador operacional a otro en trminos de fabricantes.

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2. Voltaje de desbalance en la entrada (Input Offset Voltage, Vio) Con un seguidor de voltaje se puede medir el Voltaje de Offset en la entrada, esto debido a que en un seguidor Vo=Vi y al no existir RF, a corriente de polarizacin IB- no tiene efecto, por lo tanto el error en el voltaje de salida (Vos) es el Voltaje de Offset en la entrada (Vio)

Vos = Vio

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Para compensar el error en el voltaje de salida (Vos) provocado por el Voltaje de Offset en al entrada en el seguidor de voltaje, se conecta una fuente del valor de Vio medido pero con polaridad contraria, el voltaje de salida es muy cercano a 0 V.

CLCULO DEL VOLTAJE DE SALIDA EN FUNCIN NICAMENTE DE LOS PARMETROS ESTTICOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL: 1. Seguidor de voltaje sin RC

IB-

Vos = Vio + (I B )R F Vos = 1.031mV + 72.46nA (33K ) Vos = 3.422mV

La desviacin del voltaje de salida (Vos) est en funcin directa de RF, a mayor RF mayor error y viceversa.

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2. Seguidor de Voltaje con RC

Vos = Vio + (I B )R F (I B + )R C Vos = 1.031mV + 72.46nA(33K ) 56.4nA(33K ) Vos = 1.561mVSi RF=RC:

Vos = Vio + I io ( R F ) Vos = 1.031mV + 16.06nA( 33K ) Vos = 1.56mV

3. Inversor/No inversor sin RC

R Vos = 1 + F Vio + (I B )R F RI 100K Vos = 1 + 1.031m + 72.46n(100K ) 10K Vos = 18.587mV

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4. Inversor/No inversor con RC, (RC=RF // RI)

R Vos = 1 + F Vio + (I B )R F (I B + )R C RI 100K 100K Vos = 1 + 1.031m + 72.46n(100K ) 1 + (56.4n )(9.09K ) 10K 10K Vos = 12.947mVSi RC es el paralelo de RF con RI, entonces tambin es vlido:

R Vos = 1 + F Vio + I io (R F ) RI 100K Vos = 1 + 1.031m + 16.06n(100K ) 10K Vos = 12.947mV

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Ejemplos: 1. Utilizando el procedimiento descrito anteriormente, calcular los parmetros estticos de los amplificadores operacionales LM339 y TL082. Observe las corrientes negativas en las entradas del opamp LM339 y las corrientes de entrada casi nulas del opamp TL082, utilice el diagrama interno proporcionado por el fabricante y explique. 2. Compare los datos calculados con los datos del fabricante: Caracterstica estticaInput Offset Voltage (Vio) Input Offset Current (Iio) Input Bias Current (IB)

LM741Min Tip Max Min

LM339Tip Max Min Tip Max

Unidad

1 20 80

5 200 500

1 2.3 57

2 50 250

3 0.005 0.02

10 0.01 0.2

mV nA nA

3. Calcular el voltaje de Offset en la salida (Vos) para distintas configuraciones. 4. Otros ejercicios: Nota: Agregar a la carpeta con hoja de datos: LM301A, LM308, LF355 Parmetros dinmicos 1. Ganancia de voltaje en lazo abierto Ao. Es la razn del voltaje de salida al voltaje de entrada del amplificador operacional de lazo abierto, cuando no hay retroalimentacin externa. 2. Ganancia de voltaje para seales grandes. Esta definida como la razn de la variacin mxima del voltaje de salida, al cambio del voltaje de entrada necesario para producir en la salida un voltaje que vare de cero a un valor especfico. Por ejemplo 10 V. 3. Rapidez de respuesta o velocidad de cambio Sr (Slew rate). Se define como la razn de cambio del voltaje mximo de salida con respecto al tiempo (dVo/dt).

El amplificador operacional prctico: Caractersticas en ca Los desvos de las corrientes de polarizacin y de voltaje afectan el funcionamiento en CD; por lo general no es necesario tomarlos en cuenta cuando se trata del funcionamiento en ca. Cuando se emplea el amplificador operacional en circuitos que amplifican nicamente seales de caes necesario tomar en consideracin: Si los voltajes de salida son de pequea seal (menores de 1Vp). Las caractersticas importantes del amplificador operacional que limitan el funcionamiento son el ruido y la respuesta en frecuencia. Si los voltajes de salida son de gran seal (mayores a 1Vp), entonces existe una caracterstica denominada velocidad de respuesta lmite (distorsin).

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Respuesta en frecuencia del amplificador operacional Todos los amplificadores operacionales estn compensados internamente, de fbrica traen instalado un pequeo capacitor de compensacin interna de frecuencia (generalmente de 30 pF). Esto impide que el amplificador operacional oscile en altas frecuencias: existe ganancia y corrimiento de fase suficientes como para que en alguna frecuencia alta la seal de salida pudiera retroalimentarse a la entrada y causar oscilaciones. Las oscilaciones se evitan disminuyendo la ganancia del amplificador conforme aumenta la frecuencia. Ganancia de voltaje en lazo abierto en funcin de la frecuencia: Respuesta a seal pequea AOL, dBFrecuencia de -3 dB -20dB/dec -6 dB/octava

A OL =

Vo Vd

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B 0 1 MHz Ancho de banda de ganancia unitaria (B)

Cuando se disean amplificadores de seal con opamp y resistencias nicamente, la respuesta en frecuencia va a depender solo del amplificador operacional utilizado. Para calcular la respuesta en frecuencia del amplificador operacional a partir de la hoja de daos del fabricante, se calcula el parmetro B, que es el ancho de banda de ganancia unitaria para pequea seal. Existen tres formas para hacerlo: 1. 2. Grfica del fabricante de la Ganancia en lazo abierto en funcin de la frecuencia. Localizar la frecuencia donde AOL=1. Tiempo de subida de respuesta transitoria (ganancia unitaria), Transient Response, Rise Time, Unit Gain, 25 Esta caracterstica la proporciona el fabricante en la hoja C. de datos del amplificador operacional y puede servir para calcular el parmetro B:

B=3.

0.35 Tiempo de subida

Si se conoce la ganancia en lazo abierto (AOL) del amplificador operacional correspondiente a la frecuencia de la seal (dentro de la regin de corte), basta multiplicar los dos valores para obtener B:

B = (A OL , f )(Frecuencia de la seal de entrada, f )

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-

Tiempo de subida. Se define como el lapso de tiempo requerido para que el voltaje de salida se eleve del 10 al 90 % de su valor final. Ganancia en lazo abierto y Ganancia en lazo cerrado de CD La Ganancia real en lazo cerrado de un amplificador no inversor, est en funcin de la Ganancia en lazo abierto (Amplificador operacional prctico):

A CL ,real

R 1 + F Ri = 1 RF 1+ A 1 + R i OL

est en funcin de la

-

La Ganancia real en lazo cerrado de un amplificador inversor, Ganancia en lazo abierto (Amplificador operacional prctico) :

A CL ,real

RF Ri = 1 RF 1+ A 1 + R i OL

Consideraciones importantes: a. Las ganancias reales para ambas configuraciones (Inversor y No inversor) tienen aproximadamente la misma magnitud para el mismo valor de ganancia en lazo abierto b. Si la ganancia en lazo abierto (AOL) es muy grande con respecto a la ganancia en lazo cerrado ideal (al menos en 100 veces), esta ltima es igual a la ganancia ideal en lazo cerrado. Con esto, las resistencias externas de precisin y no la ganancia en lazo abierto del opamp, son las que determinan la ganancia real con un error al 1%. Ancho de banda. Definir el mtodo experimental para medir el ancho de banda.

BW = f H f LLa frecuencia de corte para los amplificadores inversores y no inversores se puede calcular con:

fH =

B R 1 + f Ri

Producto Ganancia-Ancho de banda, GBW. Si se desea una mayor ganancia en lazo cerrado, es necesario sacrificar el ancho de banda. Considerando que BWfH, el nuevo ancho de banda en el amplificador inversor y no inversor a una ganancia especfica se puede calcular como:

BW =

B R 1 + f Ri

B = GBW

Donde G = 1 +

Rf para cualquier configuracin Ri

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Ejemplo: Para el amplificador operacional LM741, calcular: a. b. c. d. e. f. g. Ancho de banda de ganancia unitaria fH para el amplificador inversor con RF=RI=10K fH para el amplificador no inversor con RF=RI=10K fH para el seguidor de voltaje BW para el amplificador inversor si RF=5RI, RI=10K BW para el amplificador no inversor si RF=5RI, RI=10K Interpretar estos datos en la grfica de respuesta a la frecuencia en lazo abierto

Ejemplo: Seleccionar otro amplificador operacional de propsito general y repetir los clculos del ejemplo anterior

Velocidad de respuesta (Slew Rate) y voltaje de salida La velocidad de respuesta de un amplificador operacional indica lo rpido que puede cambiar su voltaje de salida, al velocidad ms lenta se presenta cuando la ganancia es unitaria (especificaciones del fabricante)

velocidad de respuesta =

cambio en el voltaje de salida Vo I V = = , tiempo C s t

I es la corriente mxima que puede suministrar el opamp al capacitor de compensacin C es el capacitor de compensacin interna A mayor suministro de corriente mxima o un capacitor de compensacin ms pequeo, le corresponde mayor velocidad de respuesta. A los Amplificadores operacionales que tienen velocidad de respuesta mayor a 100 V/s se les conoce como amplificadores operacionales de alta velocidad. Existen amplificadores operacionales cuyas velocidades de respuesta son mayores a 1000 V/s utilizados en aplicaciones especiales como los sistemas de video.

Lmite de la velocidad de respuesta para ondas senoidales La razn mxima de cambio en el voltaje de entrada senoidal depende tanto de la frecuencia como de la amplitud, definida por 2fVp; si esta razn de cambio es mayor que la velocidad de respuesta del amplificador operacional, el Vo de salida estar distorsionado, es decir, el voltaje de salida trata de seguir al voltaje de entrada (amplificador seguidor) pero no puede hacerlo debido a su lmite de velocidad de respuesta, el resultado es una distorsin (forma triangular en la cresta). L frecuencia mxima para la cual es posible obtener un voltaje de salida sin distorsin se puede calcular con:

f max =

velocidad de respuesta 2(Vo ,max )

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Ejemplo: Si se aplica un cambio instantneo de 5V en la entrada de un amplificador inversor con LM741 de ganancia unitaria, Qu tiempo transcurrir para que el voltaje de salida cambie a 5V? A qu frecuencia mxima podr obtenerse un voltaje de salida sin distorsin con u n valor de: (a) 10 VP; (b) 1 VP?

Ruido en el voltaje de salida A las seales elctricas indeseables que estn presentes en el voltaje de salida se les considera como ruido. La deriva y los desvos del voltaje de polarizacin pueden considerarse como un ruido de frecuencia muy baja. Si se observa el voltaje de salida de un amplificador operacional con un osciloscopio sensible (1 mV/cm), se podr observar la presencia aleatoria de voltajes de ruido conocidos como esttica. La frecuencia de estos voltajes varan entre 0.01 Hz y los MHz. Cualquier material cuya temperatura sea superior al cero absoluto (-273 genera ruido; C) tambin producen ruido todos los dispositivos elctricos y sus controles, por ejemplo, en el caso de un automvil, generan ruido las bujas de encendido, el regulador de voltaje, el motor del ventilador, el aire acondicionador de aire y el generador. Aun cuando se enciendan o apaguen los faros, hay un cambio repentino en la corriente que genera ruido; ste es un ruido generado fuera del amplificador operacional. Los efectos de ruido externo se pueden reducir al mnimo mediante tcnicas adecuadas de construccin y seleccin de circuitos. De no haber ruido externo, an quedara el ruido en el voltaje de salida causado por el amplificador operacional. En los datos del fabricante del dispositivo, el voltaje de ruido se especifica en V (rms) correspondiente a diferentes valores de resistencia de la fuente a travs de un rango particular de frecuencia. Por ejemplo, el opamp 741 tiene 2 V de ruido total para frecuencias de 10 Hz a 10 KHz, este voltaje de ruido es vlido para una resistencia de fuente (Ri) cuyos valores estn entre 100 y 20 K. El voltaje de ruido aumenta en forma directa con Ri, una vez que Ri excede los 20 K, en consecuencia Ri debe mantenerse por debajo de los 20 K para minimizar el ruido en la salida del amplificador operacional. El voltaje de ruido se amplifica de igual manera que el voltaje de desvo Vio, es decir, la ganancia del voltaje de ruido es la misma que la del amplificador no inversor. En el sumador inversor los voltajes de entrada de la seal tienen una ganancia de 1, sin embargo, la ganancia de ruido ser 1 ms el nmero de entradas. Poe ejemplo, un sumador de cuatro entradas tendr una ganancia de ruido de 5. Por lo tanto, el voltaje de ruido contar con cinco veces la ganancia de cada seal de entrada. En consecuencia, las seales de baja amplitud deben preamplificarse antes de conectarlas a un sumador. Para reducir los efectos de ruido en el amplificador operacional: Nunca conectar un capacitor en paralelo con la resistencia de entrada (Ri) o de la entrada inversora a tierra. Siempre habr algunos picofaradios (pF) de capacitancia parsita de la entrada inversora a tierra ocasionada por el cableado, por lo tanto: Conectar siempre un capacitor (3 pF) en paralelo con la resistencia de retroalimentacin, esto reducir la ganancia de ruido a altas frecuencias. Evitar el uso de resistencias con valores grandes en RF, Ri cerca de 10 K o menor, utilizar siempre la resistencia de compensacin RC.

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Otros parmetros 1. Consumo de corriente. Es la corriente que el amplificador operacional tomar de la(s) fuente(s) de alimentacin o polarizacin. 2. Razn de rechazo de modo comn CMRR (Common Mode Rejection Ratio). Es la medida de la capacidad que tiene el amplificador operacional para rechazar seales que estn simultneamente presentes en ambas entradas. Se define como la razn de la ganancia de voltaje diferencial (Ad), a la ganancia de voltaje de modo comn (Ac). Generalmente expresada en decibeles (dB) y se da por:

CMRR = 20 log

Ad Ac

3. Separacin de canal (amplificadores de audio). En general, hay ms de un amplificador operacional en una sola pastilla (chip). En este caso se podra presentar diafona o cruce de informacin, lo que significa que al aplicar una seal a uno de los amplificadores del mltiple amplificador operacional, en la salida de otro aparecer una seal finita. No importa que en la entrada de este ltimo amplificador operacional no haya seal aplicada. En otras palabras, esto se refiere a la interaccin de la informacin o seal en otro amplificador de la misma pastilla. Especificaciones del amplificador operacional Una buena forma de entender las caractersticas de un amplificador operacional, es analizar las hojas de especificaciones que el fabricante proporcione. Estas se presentan en los manuales de circuitos integrados lineales.

Tolerancias mximas Las tolerancias mximas dadas en las hojas de especificaciones son los valores mximos que el amplificador operacional puede soportar con seguridad, sin llegar a la posible destruccin del dispositivo. 1. Voltaje de alimentacin +Vcc / -Vcc. Este es el voltaje mximo positivo y negativo que puede usarse para alimentar o polarizar el amplificador operacional. 2. Potencia interna de disipacin Pd. Esta es la potencia mxima que el amplificador operacional es capaz de disipar, bajo condiciones de temperatura ambiente. 3. Voltaje diferencial de entrada Vd. Este es el voltaje mximo que puede aplicarse a travs de las entradas (+) y (-). 4. Voltaje de entrada. Este es el voltaje mximo de entrada que puede aplicarse simultneamente entre ambas entradas y tierra. Tambin se refiere al voltaje de modo comn. En general, este voltaje mximo es igual al voltaje de la fuente de alimentacin. 5. Temperatura de operacin Ta. Esta es la tolerancia de la temperatura ambiente en la que operara el amplificador conforme a las especificaciones del fabricante. Lamentablemente,

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se observa que los amplificadores con fines militares tienen una tolerancia de temperatura mayor que los de uso industrial y comercial. 6. Temperatura de almacenamiento. Es la tolerancia de la temperatura ambiental slo de almacenamiento. Comparada con la temperatura de operacin, siempre van a llegar a lmites ms extremos. Por ejemplo, de 65C a 150C. 7. Duracin del cortocircuito a la salida. Este es el tiempo que la salida puede estar en cortocircuito. En este caso se entiende por cortocircuito a la conexin directa de la salida a tierra, o la conexin de la salida a cualquiera de las fuentes de alimentacin. 8. Temperatura en terminales. Se refiere a la temperatura de soldadura, que en general es de 300C. Para algunos amplificadores se especfica el tiempo mximo de soldadura, que por lo general es de 10 segundos.

Caractersticas elctricas Por lo general las caractersticas elctricas se especifican para algunas condiciones, por ejemplo: voltaje de la fuente de alimentacin, temperatura ambiente, una resistencia de carga en particular, voltaje de salida, resistencia del generador o de la etapa anterior, etc. Normalmente, cada parmetro tendr un valor mnimo, caracterstico y/o un mximo.

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1.3. el opamp práctico y compensación

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