Limitaciones prácticas del Amplificador Operacional

El Amplificador Operacional real tiene unas limitaciones prácticas y especificaciones que pueden ser importantes en algunas aplicaciones. En este apartado se representan las especificaciones más importantes en dominio de DC, transitorio y frecuencia propias de cualquier OA.

Tipos de Limitaciones prácticas del Amplificador Operacional

Tensiones y corrientes «off-set» de entrada

Un amplificador Operacional debe tener 0V en su salida cuando la entrada vale 0V. Sin embargo en amplificadores reales no es así del todo y aparecen tensiones indeseables de salida del orden de decenas y centenas de mV en ausencia de señal de entrada. Este defecto es debido a corriente de entrada y disimetrías de la etapa diferencia.

El modelo de este comportamiento se realiza a través de los siguientes parámetros: tensión off-set de entrada o VOS (input offset voltage), corriente offset de entrada IB (input offset current) y corriente de polarización de entrada IOS (Input bias current).

Para el OA 741, estos parámetros valen VOS = 1mV, IOS = 20nA e IB = 80nA. En la figura 8.13 se indica el modelo utilizado para caracterizar estos parámetros. La IOS e IB se definen a partir de las corrientes de entrada del OA como:

Existen versiones de OA que reducen al mínimo estos parámetros aunque a veces implique degradar otros aspectos de ejecución y encarecer su precio. Por ejemplo, la utilización de transistores superbeta en la etapa diferencial de entrada permiten lograr que lo siguiente; la IOS = 1.52nA y la IB = 0.2nA en el LM308 y LM312, todo lo anterior mediante técnicas de cancelación de IB.

Las técnicas más utilizadas para la cancelación de estos parámetros se basan en aplicar una tensión de entrada determinada y ajustable a través de un potenciómetro externo; este estará conectado a la alimentación de Amplificador que permite poner la salida a 0 en ausencia de señal y anular los efectos de offset. En algunos casos, como sucede en el 741; en donde se utilizan dos salidas externas etiquetadas como offset null en donde se conecta el potenciómetro que permite la eliminación del offset.

Parámetros de Frecuencia

Los amplificadores operaciones son diseñados para tener alta ganancia con un ancho de banda elevado, características que les hacen ser inestables con tendencia a la oscilación. Para asegurar estabilidad en su operación es preciso utilizar técnicas de compensación internas y/o externas que limitan su operación.

El ejemplo más típico se encuentra en el 741 con un condensador interno de 3pF que introduce una frecuencia de corte superior (fC) de 5Hz como se observa en la figura 8.14. A la frecuencia en la cual la ganancia toma 1 se denomina ancho de banda de ganancia de unidad o f1. Una relación importante que verifica el Amplificador Operacional.

En la ecuación anterior demuestra que la frecuencia de ganancia unidad también puede ser denominada producto ganancia-ancho de banda del AO. La relación 8.20 indica que el ancho de banda aumenta en la misma proporción que disminuye su ganancia, siendo el producto de ambas una constante que corresponde que la frecuencia f1. En la configuración inversora y no-inversora de las figuras 8.5 y 8.6, se demuestra que la frecuencia de corte superior fC de estos amplificadores vale lo siguiente.

Parámetro Slew-Rate

Otro parámetro que refleja la capacidad del Amplificador Operacional para manejas señales variables en el tiempo es el Slew-Rate (SR) definido como la máxima variación de la tensión de salida con el tiempo que puede proporcionar la etapa de salida del OA; se mide en V/us y se expresa como lo siguiente.

El SR del OA 741 vale 5V/µs; Al intentar variar la tensión de salida con un valor mayor que el SR se producirá una distorsión o recorte de esa señal y el OA perdería sus características lineales. En la figura 8.15 se indica la distorsión típica que se aparece cuando se ha superado largamente el SR.

En vez de obtener una onda sinusoidal se produce una especie de onda triangular cuya pendiente es efectivamente el valor de SR. Es importante determinar las condiciones a las cuales aparece el SR. Para ello, se supone una salida sinusoidal del OA de la siguiente forma.

La pendiente de VO se determina derivando la ecuación 8.23

El valor máximo de esta pendiente se producirá cuando el cos(2πft)=1, resultando que

Esta pendiente no solo depende de la frecuencia de la señal sino de la amplitud de la tensión de salida. Solamente habrá distorsión a la salida cuando se verifique que VA 2πft>SR. La distorsión aparecerá en primer lugar por el paso por 0 de la señal sinusoidal y es prácticamente imperceptible. Si VA 2πft>>> SR. Entonces la distorsión es muy grande respondiendo el OA con una señal similar a la indicada en la figura 8.15.

La máxima frecuencia fMAX con que puede operar un OA no depende solamente del ancho de banda (fc), sino que puede estar limitada por el SR. Para determinar esa frecuencia, se resuelve las siguientes desigualdades.

Otros parámetros de Limitaciones prácticas del Amplificador Operacional

• Rango de tensión de entrada o input voltage range. Máxima diferencia de tensión a la entrada del OA. El OA 741 tiene un rango de entrada de ± 13V.
• Máxima variación de rango de tensión de salida o maximun peak output voltage swing. Indica para una alimentación de ±15V, el valor de tensión más alta que se puede esperar a la salida del OA. El OA 741 es de ±14 V.
• Resistencia y capacidad de entrada o input resistence and capacitance. Resistencia y capacidad equivalente en lazo abierto vista a través de los terminales de entrada. Para el OA 741 es de 2MΩ y 1.4pF, respectivamente.
• Resistencia de salida o output resistence. El OA 741 tiene una resistencia de salida de 75Ω.
• Consumo de potencia o total power dissipation. Consumo de potencia DC en ausencia de señal y para una tensión de alimentación de ±15V. El OA 741 es de 50mW.
• Máxima corriente de salida o output short circuit current. Corriente máxima de salida limitada por el circuito de protección. El OA 741 tiene 25mA.
• Variación máxima de la tensión de salida o output voltage swing. Es la amplitud pico-pico máxima que se puede conseguir sin que se produzca recorte. El OA 741 es de ±13 a ±14 V para VCC=±15 V.