Amplificador Operacional

El término de amplificador operacional (operational amplifier o OA o op amp) fue asignado alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores; los cuales permiten realizar una serie de operaciones tales como: suma, resta, multiplicación. integración, diferenciación entre otras; importantes dentro de la computación analógica de esa época.

El primer amplificador operacional lo desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild. En 1968 se introdujo el famoso OA 741 que desbocó a sus rivales de la época con una técnica de compensación muy relevante y de interés incluso en nuestros días. Los amplificadores basados en tecnología CMOS han surgido como parte de circuitos VLSI de mayor complejidad; aunque sus características eléctricas no pueden competir con los de la tecnología bipolar.

Su campo de aplicación es más restrictivo pero su estructura sencilla y relativa baja área de ocupación les hacen idóneos en aplicaciones donde no se necesitan altas prestaciones como son los circuitos de capacidades conmutadas (switched-capacitor). Combinando las ventajas de los dispositivos CMOS y bipolares, la tecnología Bi-CMOS permite el diseño de excelentes OA’s.

Los OA’s integrados están constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que dependen de sus prestaciones y de la habilidad del diseñador a la hora de combinarlas.

Tradicionalmente, un amplificador operacional está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada; estos son el amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida.

Estos bloques están polarizados con fuentes de corrientes, circuitos estabilizadores, adaptadores y desplazadores de nivel. La figura 8.1 muestra a un nivel de bloque la configuración de un OA.

Etapas del Amplificador Operacional

La etapa diferencial presenta las siguientes características: tiene dos entradas (inversora y no inversora); su relación de rechazo en modo común es muy alto, las señales van directamente acopladas a las entradas y presentan una deriva de tensión de salida muy pequeña.

El amplificador intermedio proporciona la ganancia de tensión suplementaria. Suele ser un EC con carga activa y está acoplada al amplificador diferencia a través de un seguidor de emisor de alta impedancia de entrada para minimizar su efecto de carga. El adaptador permite acoplar la etapa intermedia con la etapa de salida que generalmente es una clase AB.

La figura 8.2.a describe el esquema de OA 741. Este OA mantiene la filosofía del diseño de circuitos integrados: gran número de transistores, pocas resistencias y un condensador para compensación interna.

Esta filosofía es el resultado de la economía de fabricación de dispositivos integrados donde se combina área de silicio, sencillez de fabricación y calidad de los componentes. El 741 requiere dos tensiones de alimentación que normalmente son de ±15V.

La masa del circuito es el nudo común a las dos fuentes de alimentación. La figura 8.2.b describe la versión simplificada con los elementos circuitales más importantes.

En este circuito se observa la etapa diferencial constituida por los transistores Q1 y Q2; la etapa amplificadora intermedia por Q16, Q17 y Q23, y la etapa de salida push-pull por Q14 y Q20.

Explicación de las ecuaciones del amplificador

El OA es un amplificador de extraordinaria ganancia. Por ejemplo, el
µA741 tiene una ganancia de 200.000 y el OP-77 (Precision Monolithics)
de 12.000.000. En la figura 8.3 se muestra el símbolo de un OA.

Aunque no se indica explícitamente, los OA son alimentados con tensiones simétricas de valor ±Vcc; recientemente han sido puestos en el mercado OA
de polarización simple (single supply).

Las entradas, identificadas por signos positivos y negativos, son denominadas entradas invertidas y no-invertidas. Si denominamos Vp y Vn las tensiones aplicadas a la entrada de un OA; se define la tensión de entrada en modo diferencias (Vd) y modo común (Vc) como:

La tensión de salida se expresa como:

La Ad, denominada ganancia en modo diferencial, viene reflejada en las hojas de características del OA como Large Signal Voltage Gain o Open Loop Voltage Gain. La Ac, o ganancia en modo común no se indica directamente, sino a través del parámetro de relación de rechazo en modo común o CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) definido como

El µA741 tiene un CMRR típico de 90dB. Fácilmente se demuestra que sustituyendo la ecuación 8.3 en 8.2 resulta