PROGRAMA INGENIERIA ELECTRONICA

Laboratorios de Electrónica III Noviembre 2011

Práctica No. 1 Características del amplificador operacional

1. Objetivo: Armar un circuito con amplificador operacional y estudiar sus características de operación.

2. Elementos:

Amplificador operacional 741 Resistores según diseño Multímetro digital Fuente de alimentación Osciloscopio Generador de funciones

3. Fundamentación teórica: Para esta práctica se requieren conceptos previos sobre: operación del amplificador

operacional, identificación de los terminales del circuito integrado, conceptos de voltaje,

corriente, disipación de potencia, manejo e interpretación de las hojas de especificaciones y

manejo de herramientas para análisis de circuitos. Además se debe tener conocimiento sobre

el manejo de software de simulación electrónico y manejo de instrumentación electrónica

(osciloscopio, fuente de voltaje, generador de funciones y multímetro).

Además la siguiente fundamentación teórica hasta la terminación de este numeral 3 es tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O. u op-amp), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

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Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

Notación

El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:

V+: entrada no inversora V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O.

basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.

Tabla de Características Ideales y Reales

Parámetro Valor ideal Valor real

Zi ∞ 1 MΩ

Zo 0 100 Ω

Bw ∞ 1 MHz

Av ∞ 100.000

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Ac 0

Nota: Los valores reales dependen del modelo, estos valores son genéricos y son una

referencia. Si van a usarse amplificadores operacionales, es mejor consultar el datasheet o

características del fabricante.

Comportamiento en corriente continua (DC)

Lazo abierto

Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por

un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000(que se considerará infinito en cálculos

con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida

debería ser 100.000 V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la

que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado

para su uso en comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la aplicada

a la patilla + la salida será la que n VS+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - la

salida será la alimentación VS-.

Lazo cerrado o realimentado

Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una

realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las

tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata + sube

y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la

salida y la pata -, la tensión en esta pata también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos

entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se

tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo

valor.

Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el

circuito:

V+ = V- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual). I+ = I- = 0

Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier

circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor

impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de

entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de

las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el

amplificador se comporte como una fuente eléctrica de mejores características. Además, la

señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser

muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser

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mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al

realimentar, aumentando el ancho de banda.

Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no

inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más

aplicado es obtener un oscilador para el generar señales oscilantes.

En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir

de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones)

Análisis

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno

habitual es:

1. Comprobar si tiene realimentación negativa 2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior 3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito 4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida

de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)

5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

Estructura interna del 741

Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características ideales es

importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las

limitaciones que presenta.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen

básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión. 3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria,

tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.

Etapa de entrada

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Diagrama electrónico del operacional 741.

Sistema de corriente constante

Las condiciones de reposo de la etapa de entrada se fijan mediante una red de alimentación

negativa de alta ganancia cuyos bloques principales son los dos espejos de corriente del lado

izquierdo de la figura, delineados con rojo. El propósito principal de la realimentación negativa

(suministrar una corriente estable a la etapa diferencial de entrada) se realiza como sigue.

La corriente a través de la resistencia de 39 kΩ actúa como una referencia de corriente para las

demás corrientes de polarización usadas en el integrado. La tensión sobre esta resistencia es

igual a la tensión entre los bornes de alimentación ( ) menos dos caídas de diodo

de transistor (Q11 y Q12), por lo tanto la corriente es

. El espejo de corriente Widlar formado por

Q10, Q11, y la resistencia de 5Kohm genera una pequeña fracción de Iref en el colector de

Q10. Esta pequeña corriente constante entregada por el colector de Q10 suministra las

corrientes de base de Q3 y Q4, así como la corriente de colector de Q9. El espejo Q8/Q9 fuerza

a la corriente de colector de Q9 a ser igual a la suma de las corrientes de colector de Q3 y Q4.

Por lo tanto las corrientes de base de Q3 y Q4 combinadas (que son del mismo orden que las

corrientes de entrada del integrado) serán una pequeña fracción de la ya pequeña corriente

por Q10.

Entonces, si la etapa de entrada aumenta su corriente por alguna razón, el espejo de corriente

Q8/Q9 tomará corriente de las bases de Q3 y Q4, reduciendo la corriente de la etapa de

entrada, y viceversa. El lazo de realimentación además aísla el resto del circuito de señales de

modo común al forzar la tensión de base de Q3/Q4 a seguir 2Vbe por debajo de la mayor de las

dos tensiones de entrada.

Amplificador diferencial

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El bloque delineado con azul es un amplificador diferencial. Q1 y Q2 son seguidores de emisor

de entrada y junto con el par en base común Q3 y Q4 forman la etapa diferencial de entrada.

Además, Q3 y Q4 actúan como desplazadores de nivel y proporcionan ganancia de tensión

para controlar el amplificador clase A. También ayudan a mejorar la máxima tensión Vbe

inversa de los transistores de entrada (la tensión de ruptura de las junturas base-emisor de los

transistores NPN Q1 y Q2 es de 7 V aproximadamente, mientras que los transistores PNP Q3 y

Q4 tienen rupturas del orden de 50 V).

El amplificador diferencial formado por los cuatro transistores Q1-Q4 controlan un espejo de

corriente como carga activa formada por los tres transistores Q5-Q7 (Q6 es la verdadera carga

activa). Q7 aumenta la precisión del espejo al disminuir la fracción de corriente de señal

tomada de Q3 para controlar las bases de Q5 y Q6. Esta configuración ofrece una conversión

de diferencial a asimétrica de la siguiente forma:

La señal de corriente por Q3 es la entrada del espejo de corriente mientras que su salida (el

colector de Q6) se conecta al colector de Q4. Aquí las señales de corriente de Q3 y Q4 se

suman. Para señales de entrada diferenciales, las señales de corriente de Q3 y Q4 son iguales y

opuestas. Por tanto, la suma es el doble de las señales de corriente individuales. Así se

completa la conversión de diferencial a modo asimétrico.

La tensión en vacío en este punto está dada por el producto de la suma de las señales de

corriente y el paralelo de las resistencias de colector de Q4 y Q6. Como los colectores de Q4 y

Q6 presentan resistencias dinámicas altas a la señal de corriente, la ganancia de tensión a

circuito abierto de esta etapa es muy alta.

Nótese que la corriente de base de las entradas no es cero y la impedancia de entrada efectiva

(diferencial) de un 741 es del orden de 2 MΩ. Las patas "offset null" pueden usarse para

conectar resistencias externas en paralelo con las dos resistencias internas de 1 kΩ

(generalmente los extremos de un potenciómetro) para balancear el espejo Q5/Q6 y así

controlar indirectamente la salida del operacional cuando se aplica una señal igual a cero a las

entradas.

Etapa de ganancia clase A

El bloque delineado con magenta es la etapa de ganancia clase A. El espejo superior derecho

Q12/Q13 carga esta etapa con una corriente constante, desde el colector de Q13, que es

prácticamente independiente de la tensión de salida. La etapa consiste en dos transistores

NPN en configuración Darlington y utiliza la salida del espejo de corriente como carga activa de

alta impedancia para obtener una elevada ganancia de tensión. El condensador de 30 pF

ofrece una realimentación negativa selectiva en frecuencia a la etapa clase A como una forma

de compensación en frecuencia para estabilizar el amplificador en configuraciones con

relimentación. Esta técnica se llama compensación Miller y funciona de manera similar a un

circuito integrador con amplificador operacional. También se la conoce como "compensación

por polo dominante" porque introduce un polo dominante (uno que enmascara los efectos de

otros polos) en la respuesta en frecuencia a lazo abierto. Este polo puede ser tan bajo como 10

Hz en un amplificador 741 e introduce una atenuación de -3 dB a esa frecuencia. Esta

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compensación interna se usa para garantizar la estabilidad incondicional del amplificador en

configuraciones con realimantación negativa, en aquellos casos en que el lazo de

realimentación no es reactivo y la ganancia de lazo cerrado es igual o mayor a uno. De esta

manera se simplifica el uso del amplificador operacional ya que no se requiere compensación

externa para garantizar la estabilidad cuando la ganancia sea unitaria; los amplificadores sin

red de compensación interna pueden necesitar compensación externa o ganancias de lazo

significativamente mayores que uno.

Circuito de polarización de salida

El bloque delineado con verde (basado en Q16) es un desplazador de nivel de tensión (o

multiplicador de Vbe); un tipo de fuente de tensión. En el circuito se puede ver que Q16

suministra una caída de tensión constante entre colector y emisor independientemente de la

corriente que lo atraviesa. Si la corriente de base del transistor es despreciable, y la tensión

entre base y emisor (y a través de la resistencia de 7.5 kΩ) es 0.625 V (un valor típico para un

BJT en la región activa), entonces la corriente que atraviesa la resistencia de 4.5 kΩ será la

misma que atraviesa 7.5 kΩ, y generará una tensión de 0.375 V. Esto mantiene la caída de

tensión en el transistor, y las dos resistencias en 0.625 + 0.375 = 1 V. Esto sirve para polarizar

los dos transistores de salida ligeramente en condicción reduciendo la distorsión "crossover".

En algunos amplificadores con componentes discretos esta función se logra con (generalmente

dos en serie) diodos de silicio.

Etapa de salida

La etapa de salida (delineada con cian) es un amplificador seguidor de emisor push-pull Clase

AB (Q14, Q20) cuya polarización está fijada por el multiplicador de Vbe Q16 y sus dos

resistencias de base. Esta etapa está controlada por los colectores de Q13 y Q19. Las

variaciones en la polarización por temperatura, o entre componentes del mismo tipo son

comunes, por lo tanto la distorsión "crossover" y la corriente de reposo puede sufrir

variaciones. El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menos que la

tensión de alimentación, debido en parte a la tensión Vbe de los transistores de salida Q14 y

Q20.

La resistencia de 25 Ω en la etapa de salida sensa la corriente para limitar la corriente que

entrega el seguidor de emisor Q14 a unos 25 mA aproximadamente para el 741. La limitación

de corriente negativa se obtiene sensando la tensión en la resistencia de emisor de Q19 y

utilizando esta tensión para reducir tirar hacia abajo la base de Q15. Versiones posteriores del

circuito de este amplificador pueden presentar un método de limitación de corriente

ligeramente diferente. La impedancia de salida no es cero, como se esperaría en un

amplificador operacional ideal, sin embargo se aproxima a cero con realimentación negativa a

frecuencias bajas.

Nota: aunque el 741 se ha utilizado históricamente en audio y otros equipos sensibles, hoy en

día es raro debido a las características de ruido mejoradas de los operacionales más modernos.

Además de generar un "siseo" perceptible, el 741 y otros operacionales viejos pueden

presentar relaciones de rechazo al modo común muy pobres por lo que generalmente

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introducirán zumbido a través de los cables de entrada y otras interferencias de modo común,

como chasquidos por conmutación, en equipos sensibles.

El "741" usualmente se utiliza para referirse a un operacional integrado genérico (como el

uA741, LM301, 558, LM342, TBA221 - o un reemplazo más moderno como el TL071). La

descripción de la etapa de salida del 741 es cualitativamente similar a la de muchos otros

diseños (que pueden tener etapas de entrada muy diferentes), excpetuando que:

Algunos dispositivos (uA748, LM301 y LM308) no tienen compensación interna (necesitan un condensador externo entre la salida y algún punto intermedio en el amplificador operacional, si se utilizan en aplicaciones de baja ganancia de lazo cerrado).

Algunos dispositivos modernos tienen excursión completa de salida entre las tensiones de alimentación (menos unos pocos milivoltios).

Parámetros

Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia de realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.

Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas entradas del operacional.

Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través de resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor cero.

Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del operacional que hace que su salida tome el valor cero.

Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones.

Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de señal

Slew rate. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima respecto de la variación del tiempo. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el Slew Rate. Se mide en V/μs, kV/μs o similares. El slew rate está limitado por la compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales. Existen amplificadores no compensados (con mayor slew rate) usados principalmente en comparadores, y en circuitos osciladores, debido de hecho a su alto riesgo de oscilación.

Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en inglés). Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.

Limitaciones

Saturación

Un A.O. típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el

nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor

se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por

ejemplo en circuitos comparadores.

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Un concepto asociado a éste es el Slew rate

Tensión de offset

Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de

salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un

amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de

offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede

variar dependiendo de la temperatura (T) del operacional como sigue:

Donde T0 es una temperatura de referencia.

Un parámetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensión de offset en la

entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al modo común).

Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le

llama PSRR (power supply rejection ratio, relación de rechazo a la fuente de alimentación). La

PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a la variación de los voltajes de

alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:

Corrientes

Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar:

IOFFSET = | I + − I − |

Idealmente ambas deberían ser cero.

Característica tensión-frecuencia

Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él

hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión

por el ancho de banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta

configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios(Hz). Al realimentar

negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de

banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores,

en estos amplificadores prima mantener las características a frecuencias más altas que el

resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico.

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Capacidades

El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de

la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

Deriva térmica

Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los A.O.

también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el

que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si

son bipolares o JFET.

4. Procedimiento: Se debe implementar un circuito con amplificador operacional 741, que permita la medición

de las características de voltaje de entrada-salida, verificando su funcionamiento previamente

en software de simulación y realizando las operaciones matemáticas (diseño) para utilizar

materiales que se ajusten al mismo. Esto permitirá identificar que variables involucra el diseño

y de esta manera establecer las características que deben tener los dispositivos al adquirirlos,

para evitar su destrucción parcial o total dentro del circuito.

El control de la base de tiempo del osciloscopio debe tener una posición x-y para graficar el

voltaje de salida en función del voltaje de entrada. Se debe usar acoplamiento en cd, de lo

contario no se sabrá si la salida está saturada.

5. Preguntas:

1. Un amplificador operacional 741 está conectado a una fuente de ± 15 V. ¿Cuáles son los límites de operación de la terminal de salida en condiciones normales de operación en relación con:

a. El voltaje de salida

b. La corriente de salida

2. Cuando la carga de la resistencia de un amplificador operacional provoca un cortocircuito:

a. ¿cuál es la salida de voltaje del amplificador?

b. ¿cuál es la solución empleada más frecuente?

3. ¿En qué entrada se conectará un voltaje de referencia, para obtener un detector de nivel?

4. Diseñe un voltaje de referencia que varíe entre 0 y -5V. Suponga que el voltaje negativo de la alimentación es de -15V.