INTRODUCCIÓN

Un amplificador operacional (AO) es un amplificador diferencial de muy alta ganancia e impedancia de entrada y baja impedancia de salida.  Comenzaron a ser comercializados en la década del '60.  Actualmente, su uso se ha extendido principalmente gracias al avance realizado en la tecnología de los CI (circuitos integrados).  Se encuentran tanto en hornos de microondas como en circuitos controladores de motores.  Son utilizados para proporcionar cambios en la amplitud y polaridad de voltaje, en circuitos de filtros, de instrumentación, osciladores, etc.

Símbolo:

1. CLASIFICACIÓN

Los diseñadores de AO han ido efectuando modificaciones al circuito original presentado en la década del '60, por lo que hoy existen diversas variantes.  Así, los fabricantes clasifican a los AO según una característica especial del producto: alta velocidad, bajo consumo, etc.

Por ejemplo National Semiconductor ofrece distintos modelos de AO, clasificados de la siguiente manera:

En realidad ofrece menos de 314 modelos porque ocurre que varios AO pertenecen a más de una categoría.

2. CODIFICACIÓN

Los AO (y CI en general) se presentan con distintos encapsulados en cuya cara superior se encuentran impresos códigos alfanuméricos.  Para conocer el significado de dichos códigos se recomienda consultar el catálogo o manual del fabricante correspondiente.  Sin embargo, podemos destacar algunas reglas generales:

2.1 Prefijo

El prefijo indica el nombre del fabricante y a veces ciertas características del dispositivo.  Como ciertos prefijos se repiten en más de un fabricante, algunos agregan su logo para distinguirse.

AD OP	Analog Devices (AD)
KA KF L LF LM NE MC RC	Fairchild Semiconductor (FS)
MC	Motorola (Mot)
LF LM LP(1)	National Semiconductor (NS)
MC SA UA	Philips Semiconductor (PS)
LF LM LS MC TL TS UA	SGS-Thomson Microelectronics (ST)
mA	Texas Instruments (TI)

(1) En el caso de National, los prefijos significan: LF=linear-FET, LM=linear-monolithic y LP=linear-low-power.

2.2 Sufijo

El sufijo generalmente indica la versión

• Comercial (más barata) ® C ; E
• Intermedia ® I
• Militar (especificaciones más rigurosas) ® nada ; A ; M

y el encapsulado, por ejemplo:

• CDIP o CerDIP (Ceramic Dual In-Line Package)® J (NS) ; F (PS) ; J, JG (TI) ; ...
• CerPAK o CFP (Ceramic Flat Package) ® U (TI) ; W (NS, TI) ; ...
• CLCC o LCC o LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) ® FK (TI) ; ...
• PDIL o PDIP (Plastic Dual-In-Line Package) ® N (AD, FS, NS, PS, ST, TI) ; P (TI); ...
• SO o SOP (Small-Outline Package) ® M (FS, NS) ; D (FS, PS, ST, TI) ; ...
• TO (Cylindrical Package) ® H (AD, NS) ; ...
• TSSOP (Thin Shrink Small-Outline Package) ® PW (TI) ; ...

Ejemplos:

• LM741CN ® amp-op 741 fabricado por National Semiconductor en versión comercial con encapsulado plástico DIP.
• UA747N ® amp-op 741 dual fabricado por STMicroelectronics en versión militar con encapsulado plástico DIP.

3. AO 741

El 741 es un AO de bajo costo ampliamente utilizado por ser de propósito general.

3.1 Circuito

El AO 741 se consigue en el mercado con diferentes encapsulados.

3.2 Encapsulados

741

8-DIP
8-SOP
8-TSSOP
TO-99 (metálico)
10-CFP
14-DIP
20-LCCC

1458 /1558 (contiene dos 741 en el espacio de uno)

8-DIP
8-SOP

747 (contiene dos 741)

TO-100
14-CFP
14-DIP
14-SOP
20-LCCC

LM148/248/348 / OP11 (contiene cuatro 741)

14-DIP
14-SOP

RC4136 / OP9 (contiene cuatro 741)

14-DIP
14-SOP

4. HOJAS DE DATOS

Las hojas de datos (data sheets) son el conjunto de especificaciones dado por el fabricante respecto a un determinado producto.

Las hojas de datos correspondientes a distintos fabricantes presentan semejanzas y diferencias.  En general, pueden contener la siguiente información:

4.2 Parámetros máximos absolutos: si se superan, el dispositivo puede dañarse permanentemente.  Bajo ninguna circunstancia deben ser igualados o superados.

• Supply Voltage (voltaje de alimentación)

• Power Dissipation (potencia de disipación)

• Differential Input Voltage (voltaje diferencial de entrada): voltaje límite aplicado entre ambas entradas.

• Input Voltage or Common Mode Voltage (voltaje de entrada en modo común): voltaje límite aplicado simultáneamente a ambas entradas.

• Operating Temperature (temperatura de operación): es el rango de temperatura ambiente para el cual el AO opera dentro de las especificaciones del fabricante.  Notar la diferencia entre distintas versiones.

• Output Short-Circuit Duration (duración del cortocircuito a la salida): tiempo durante el cual la salida del AO puede cortocircuitarse a tierra o a cualquiera de las fuentes de alimentación sin sufrir daños.

4.3 Características eléctricas: son aquellos parámetros que pueden afectar o limitar el desempeño del circuito.  Cotejando hojas de datos de distintos AO, el diseñador puede elegir aquel dispositivo cuyas características cumplan las especificaciones de diseño de su poryecto.

• Input Offset Voltage (voltaje offset de entrada): es el voltaje DC equivalente que debe aplicarse a una de las entradas mientras la otra está conectada a tierra para obtener 0[V] a la salida.

• Input Bias Current (corriente de polarización de entrada): es el promedio de las corrientes que circulan por las terminales de entrada en un AO no ideal. (I_B++I_B-)/2

• Input Offset Current (corriente offset de entrada): es la diferencia entre las corrientes de entrada. I_B+-I_B-

• Input Voltage Range (rango de voltaje de entrada en modo común): es el rango de voltaje de entrada en modo común para el cual la salida no presenta distorsión.

• Input Resistance (resistencia de entrada): es la resistencia interna de entrada vista desde cualquier entrada mientras la otra permanece conectada a tierra.

• Output Resistance (resistencia de salida): es la resistencia interna vista entre la salida y tierra.

• Output Short-Circuit Current (corriente de salida en cortocircuito): máxima corriente de salida que el AO puede entregar a la carga.

• Maximum peak output voltage swing  (voltaje de salida máximo o voltaje de saturación): en el AO ideal el voltaje de salida máximo es igual al voltaje de alimentación.

• Large-Signal Voltage Gain or Open-Loop Voltage Gain (ganancia de voltaje en lazo abierto)

• Slew Rate at unity gain (razón o tasa de cambio para ganancia unitaria): idealmente la salida debe seguir a la entrada sin distorsiones, sin embargo el AO real tiene dificultades para seguir señales que cambian con el tiempo.  Así: SR=DVo/Dt

• Supply Current (corriente de la fuente): corriente que el AO consume de la fuente de alimentación.

• CMRR Common-Mode Rejection Ratio (razón de rechazo en modo común): es una medida de la habilidad del AO para rechazar señales presentes simultáneamente en ambas entradas.  Idealmente las señales comunes no influyen sobre la salida, pero para un AO real se define CMRR = Ad/Acm = ganancia diferencial/ganancia en modo común.  Usualmente se mide en decibeles, donde CMRR(dB)=20logCMRR.  Ejemplo: si un AO presenta CMRR=90dB, podemos decir que las señales comunes son amplificadas alrededor de 30000 veces menos que las señales no comunes.

• Channel Separation (separación de canales): cuando en un encapsulado se encuentran más de un AO, también suele presentarse interferencia entre ellos.  Es decir que en un 747, la/s señales presentes en las entradas de un AO repercuten en la salida del otro.  La medida de qué tan bien las señales presentes a la entrada de un AO son rechazadas o atenuadas a la salida del resto de las secciones se mide en dB y se calcula como 20log(vo1/vo2).  Ejemplo: si la separación de canales de un 747 es de 120 dB, una señal de salida vo1=1V implicará una señal de salida vo2=1mV.

• Rise Time (tiempo de crecimiento): tiempo que la salida tarda, en respuesta a un pulso de entrada, en pasar del 10% al 90% de su valor final.

4.4 Curvas típicas: muestran gráficamente cómo varían las características eléctricas en función de distintas variables como la temperatura, la frecuencia, el voltaje de alimentación y el tiempo.

4.5 Configuración de pines, encapsulados disponibles y dimensiones físicas

4.6 Aplicaciones típicas:  esta sección se omite si el fabricante ofrece notas de aplicación en su lugar.

5. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS

5.1 Elección de los valores de los componentes externos

Dado un AO en alguna de las configuraciones básicas, en el cálculo de la ganancia de lazo cerrado interviene el cociente R2/R1.  Teóricamente sólo interesa el valor del cociente y no el de los resistores en sí, así seleccionar R2=100 y R1=10 sería equivalente a elegir R2=330k y R1=33k.  Sin embargo, en la práctica se utilizan resistores con valores mayores a 1k. 

5.2 Alimentación

Al implementar un circuito, las fuentes de alimentación de los AO deben ser las primeras en ser encendidas y las últimas en ser apagadas.

5.3 Saturación

Más allá de lo que indiquen los cálculos teóricos, la salida nunca podrá superar el valor indicado por el fabricante como maximum peak output voltage swing, el cual generalmente es inferior al voltaje de alimentación.

5.4 Compensación del voltaje offset de salida

Vimos que en un AO ideal, si la diferencia de voltaje entre sus entradas es cero, su salida es nula.  En la práctica esto no es así.  El voltaje presente a la salida de un AO ante una entrada diferencial nula se denomina voltaje offset de salida.  Este voltaje, aunque pequeño, es una fuente de error en el desempeño de circuitos con AO.  El valor del voltaje offset de salida no se indica en las hojas de datos porque depende de ciertos factores, pero se puede calcular.  La fuente de este voltaje se encuentra en el voltaje offset de entrada y en las corrientes de entrada al AO.

-Para minimizar el efecto del voltaje offset de entrada, los pasos a seguir son:

1) diseñar un circuito con una ganancia de lazo cerrado lo más pequeña posible (a la vez que cumple con las especificación de diseño).

2) seleccionar un AO con un valor de Vio (Input Offset Voltage) pequeño.

-Para minimizar el efecto de las corrientes de entrada, los pasos a seguir son:

1) seleccionar un AO con un valor de I_B (Input Bias Current) pequeño como los que tienen etapa de entrada con transistores de efecto de campo (prefijo LF) en lugar de los bipolares comunes.

2) colocar un resistor en serie con la entrada no inversora

Si siguiendo los pasos anteriores no se logra anular el offset, se pueden emplear AO que incorporen en su diseño la posibilidad de conectar externamente un potenciómetro para lograr el ajuste a cero.  Estos AO se caracterizan por poseer terminales denominadas offset null.  En la hoja de datos del fabricante correspondiente se indica cómo efectuar las conexiones externas.  Por ejemplo:

Si el AO utilizado no cuenta con las terminales offset null, existe la posibilidad de agregar un circuito compensador externo.  (consultar la bibliografía para mayor información).

6. OTROS AO

6.1 Amplificador Norton

Es un tipo de amplificador operacional diseñado específicamente para operar con una única fuente de alimentación.  También se conoce con el nombre de current-differencing amplifier (CDA) porque en lugar de amplificar la diferencia de voltaje presente entre sus terminales de entrada, como los AO convencionales, el amplificador Norton produce un voltaje de salida que es proporcional a la diferencia de las corrientes que ingresan a sus terminales de entrada.  Ejemplo de CDA comercial: LM359.

6.2 Amplificador Operacional de Transconductancia

El operational transconductance amplifier (OTA) es un tipo de amplificador voltaje-corriente.  Ejemplo de OTA comercial: LM13700.

6.3 Amplificador Operacional Programable

Amplificador diseñado para que su corriente de operación sea controlada por una corriente de polarización suministrada externamente, quien a su vez controla el producto ganancia-ancho de banda, consumo de potencia, razón de cambio y corrientes de entradas.  Ejemplo de AO programable comercial: LM4250.

6.4 Amplificador Operacional BIFET

El término BIFET es una marca registrada por National Seminconductor y es utilizado para designar a un tipo de AO con JFETs en su etapa de entrada.  Esto hace que el AO se caracterice por su elevada impedancia de entrada y ancho de banda y su rápida razón de cambio.  Ejemplos de AO BIFET comerciales: LF411 y LF353.

6.5 Amplificador Operacional CMOS

Es un AO construido con transistores CMOS que posee una impedancia de entrada prácticamente infinita y cuyo voltaje de salida puede llegar a ser igual al de alimentación.  También se caracteriza por su bajo consumo, por lo cual se lo prefiere a la hora de diseñar circuitos portátiles (es decir alimentados con baterías).  Ejemplo de AO CMOS comercial: LMC6482.

Bibliografía:

• Berlin, Howard & Getz, Frank - "Fundamentals of Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits" - Código de Biblioteca Central: 621.381 5/B.19
  • Chapter 1: Introduction
  • Chapter 2: The Operational Amplifier
  • Chapter 3: The Practical Op Amp and Circuit Performance
  • Chapter 5: Single-Supply Biasing and Norton Amplifiers
  • Chapter 6: Different Types of Op Amp
• Bogart, Theodore - "Electronics devices and circuits" - Código de Biblioteca Central: 621.381 5/B.26
  • Section 6-7: Integrated Circuits
  • Chapter 13: Operational Amplifier Theory
• Boylestad, Robert - "Electrónica: teoría de circuitos" - Código de Biblioteca Central: 621.381 5/B.26-1
  • Capítulo 14: Amplificadores operacionales
  • Capítulo 15: Aplicaciones del amplificador operacional
• Catálogo:
  • RS Components - Int. Edition - 1994 (Código K112) - Sección 22
• Manuales:
  • Intersil (Código K190)
  • Motorola - Analog/Interface ICs Device Data Vol I - (Código K266)
  • National Semiconductor - Linear Databook - (Código K3)
  • National Semiconductor - Linear/Mixed-Signal Designer's Guide - February 1999 - (Código K342)
  • Texas Instruments - Linear/Mixed-Signal Designer's Guide - August 2000 - (Código K413)
• Notas de aplicación:
  • NS "Hermetic Packages" (438Kb)
  • NS AN-20 "An Applications Guide for Op Amp" (223Kb)
  • NS AN-31 "Op Amp Circuit Collection" (386Kb)
  • NS AN-116 "Use the LM158/LM258/LM358 Dual, Single Supply Op Amp" (112Kb)
  • NS AN-211 "New Op Amp Ideas" (311Kb)
• Hojas de datos AO741:
  • Analog Devices: AD741 (182Kb) - OP09/OP11 (719Kb)
  • Fairchild Semiconductor: KA741 (117Kb) - LM1458 (64Kb) - LM348 (149Kb) - LM741 (115Kb) - RC4136 (130Kb)
  • National Semiconductor: LM741 (158Kb) - LM747 (163Kb) - LM148/LM248/LM348 (427Kb)
  • Philips Semiconductor: MC1458/MC1558 (60Kb) - UA741 (60Kb) - UA747 (59Kb)
  • SGS-Thomson Microelectronics: LM148/LM248/LM348 (140Kb) - MC1458/MC1558 (103Kb) - UA741 (144Kb)
  • Texas Instruments: UA741 (162Kb) - UA747 (113Kb)
• Hojas de datos de otros AO:
  • CDA: LM359 (721Kb)
  • OTA: LM13700 (640Kb)
  • AO programable: LM4250 (495Kb)
  • AO BIFET: LF411 (237Kb) - LF353 (511Kb)
  • AO CMOS: LMC6482 (1Mb)
  • Amplificador de instrumentación: INA114 (173Kb) - INA163 (165Kb) - AD620 (572Kb)

Nota: los dispositivos semiconductores como diodos, transitores bipolares y FETs se analizan en la asignatura "Circuitos Electrónicos I".  Los OTA se estudian en la asignatura "Teoría de Circuitos II".

Teoría de Circuitos I - Última modificación: Mayo 28, 2002