Anexo V: Amplificadores operacionales

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1 Anexo V: Amplificadores operacionales 1. Introducción Cada vez más, el procesado de la información y la toma de decisiones se realiza con circuitos digitales. Sin embargo, las señales eléctricas analógicas requieren de circuitos analógicos para realizar etapas de amplificación, adaptación de señales... donde el amplificador operacional juega un papel fundamental. Los primeros amplificadores operacionales se construyeron partiendo de componentes discretos, hasta la mitad de la década de 1960, cuando se produjo el primer amplificador operacional integrado, el μa702 por FairChild. Aunque sus características eran pobres (en comparación con los amplificadores actuales) y su precio bastante alto, su aparición señaló una nueva era en el diseño de circuitos electrónicos. Una de las razones de la popularidad del amplificador operacional es su versatilidad. A partir de entonces los fabricantes de semiconductores comenzaron a desarrollar nuevos operaciones, con mejores características y precios cada vez más bajos. El amplificador operacional presenta 2 terminales de entrada, uno de los cuales invierte la fase de la señal, y el otro la preserva, además de un terminal de salida, tal como se observa en el símbolo que representa este dispositivo: Figura 200: Amplificador operacional Algunos integrados presentan otros terminales para propósitos específicos, como el ajuste de offset, compensación de frecuencia. También es necesario terminales para la alimentación, que se suelen ignorar. El amplificador operacional ideal presenta las siguientes características: Impedancia de entrada infinita Ancho de banda infinito Página 181 de 245

2 Ganancia infinita Impedancia de salida nula Ninguna de esas características se pueden realizar físicamente. Cuanto más se parezcan los parámetros de un operacional respecto las características ideales, mayor será su calidad. La salida del operacional es directamente proporcional a la diferencia de potencial a la entrada. V0=A(V+ - V-)=AVD Donde A es la ganancia en lazo abierto. En la mayoría de aplicaciones se utilizan los amplificadores operacionales con realimentación negativa, de forma que la salida se realimenta por el terminal negativo. La realimentación negativa permite, entre otras ventajas, controlar la ganancia. 2. Características 2.1. Características estáticas Ganancia lazo abierto. Idealmente debe ser infinita, y en la práctica es muy grande, del orden de 160 db. A partir de una cierta frecuencia (desde los 10 Hz para operacionales de alta precisión o del orden de KHz para operacionales de alta velocidad) comienza a disminuir. La ganancia en lazo abierto puede ser no linear, y varía dependiendo del nivel de tensión a la salida y la corriente de salida. Tensión de desplazamiento (offset). Si las dos entradas de un operacional amplificador presentan exactamente la misma tensión, la salida debería ser cero voltios. En la práctica, sin embargo, en la salida tenemos una determinada tensión, que se conoce como tensión de offset. Se deben a que los elementos que constituyen el par diferencial de entrada presenta pequeñas diferencias de simetría. Figura 201: Tensión de offset Página 182 de 245

3 Normalmente se especifica como la tensión necesaria entre los terminales de entrada para forzar una salida de tensión nula. La tensión de offset varía además con la temperatura y el envejecimiento. Por tanto no solo produce un error a la salido, sino que no es constante. La tensión de offset produce importantes errores si la amplitud de las señales es pequeña y la ganancia en lazo cerrado es grande. Ya adelantamos que existen operacionales con terminales a los que conectar un potenciómetro y pode anular la tensión de offset. Sin embargo, los operacionales de alta precisión que podemos encontrar actualmente en el mercado se encuentran calibrados para anular la tensión de offset, consiguiendo muchos mejores resultados que usando un potenciómetro externo Figura 202: Ajuste del offset Corrientes de polarización. En un modelo ideal, los terminales de entrada presentan impedancia infinita y no fluye corriente. Sin embargo, la etapa de entrada de estos dispositivos están formados por un par diferencial construido mediante transistores que requieren corriente para polarizarse y entrar en conducción. La corriente de polarización varía desde los pa a los ua, dependiendo del dispositivo. Por ejemplo, emplear transistores JFET disminuye la corriente de entrada frente a transistores bipolares. Figura 203: Corrientes de polarización Página 183 de 245

4 Debido a que los componentes que forma el par diferencial de entrada no son exactamente simétricos, la corriente de polarizacion de cada terminal no son exactamente iguales. Se define entonces la intensidad de offset como: Ioffset=IB+ - IBEstas corrientes pueden atravesar cargas externas agravando las tienes de offset, que aumentan los errores del sistema Características dinámicas Ruido. En la práctica, los numerosos elementos que forman el operacional son fuentes de ruido e introducen problemas de linealidad. Para caracterizar este parámetro se suele emplear relación señal- ruido (SNR), el margen que hay entre la potencia de la señal que se transmite y la potencia del ruido que la corrompe. El ruido en amplificadores bipolares suele menor que en amplificadores JFET. Slew rate. Es la capacidad de un operacional para variar la tensión de salida. Se mide en unidades SR V/us, siendo del orden de 1 V/us en amplificadores normales. Para amplificadores rápidos alcanza los 30 o 40 V/us. Figura 204: Slew Rate Rechazo modo común CMRR. En el siguiente caso la salida de tensión debería ser nula. Página 184 de 245

5 Figura 205: CMRR Sin embargo se observa como V0 no es cero, y además al aumentar VCM, aumenta también el valor de V0. La salida del amplificador operacional sigue la expresión: V0=Ad Vd + ACMM VCM Se produce una amplificación de la tensión en modo común debido fallos de simetría en el circuito. A partir de aquí definimos la relación de rechazo al modo comun como: CMRR= Ad/ACMM Suele tener valores del orden de 100db. 3. Alimentación y saturación La mayoría de amplificadores operacionales requieren alimentación dual y simétrica para su funcionamiento, VCC positiva y VEE negativa. Además existen operacionales diseñados para trabajar con una única una fuente de alimentación positiva. La salida no puede superar la tensión de alimentación VCC ni ser inferior a VEE. Es más, se observa como hay una pequeña perdida de tensión, de forma que esta puede variar entre Vomax y Vomin (del orden del 90% de los límites de alimentación), debido a que los transistores internos saturan.del mismo modo, también ocurre con las señales de entrada. Además en el caso de los terminales de entrada hay que evitar que superen los límites de alimentación para no destruir el dispositivo. En los últimos años han aparecido los amplificadores rail-to-rail, cuyas señales pueden hasta unos 100mV de los límites de la alimentación. Sin embargo, en la práctica hay que tomar precauciones, ya que por ejemplo en el caso de la señal de salida depende mucho de la corriente que se debe suministrar, y muchas veces no se especifica si rail-to-rail es en la salida, en la entrada o en ambas. Página 185 de 245

6 Figura 206: Rangos de salida en función de la alimentación 4. Selección de amplificadores operacionales La búsqueda de amplificadores operacionales adecuados para nuestro proyecto no es una tarea fácil, debido a que en el mercado local no encontramos dispositivos con unas características suficientes y acordes con la precisión que buscamos alcanzar. Todos los operacionales que empleamos en este proyecto corresponden a OP27 y OP270, por sus buena relación características-precio así como la posibilidad de ser adquiridos en el mercado local. Al igual que las referencias, los encapsulados son compatibles pin a pin, y se pueden intercambiar por otros circuitos de mejores características. Página 186 de 245