Amplificador operacional

Un amplificador operacional (a menudo op amp o opamp) es un amplificador de voltaje electrónico de alta ganancia acoplado a CC con una entrada diferencial y, por lo general, una salida de un solo extremo. En esta configuración, un amplificador operacional produce un potencial de salida (en relación con la tierra del circuito) que suele ser 100 000 veces mayor que la diferencia de potencial entre sus terminales de entrada. El amplificador operacional tiene su origen y nombre en las computadoras analógicas, donde se usaban para realizar operaciones matemáticas en circuitos lineales, no lineales y dependientes de la frecuencia.

La popularidad del amplificador operacional como elemento básico en los circuitos analógicos se debe a su versatilidad. Mediante el uso de retroalimentación negativa, las características de un circuito de amplificador operacional, su ganancia, impedancia de entrada y salida, ancho de banda, etc. están determinadas por componentes externos y tienen poca dependencia de los coeficientes de temperatura o la tolerancia de ingeniería en el propio amplificador operacional.

Los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos en la actualidad, incluida una amplia gama de dispositivos de consumo, industriales y científicos. Muchos amplificadores operacionales de circuito integrado estándar cuestan solo unos pocos centavos; sin embargo, algunos amplificadores operacionales integrados o híbridos con especificaciones de rendimiento especiales pueden costar más de US$100 en pequeñas cantidades. Los amplificadores operacionales pueden empaquetarse como componentes o usarse como elementos de circuitos integrados más complejos.

El amplificador operacional es un tipo de amplificador diferencial. Otros tipos de amplificadores diferenciales incluyen el amplificador totalmente diferencial (un amplificador operacional con una salida diferencial en lugar de un solo extremo), el amplificador de instrumentación (generalmente construido a partir de tres amplificadores operacionales), el amplificador de aislamiento (con aislamiento galvánico entre entrada y salida), y amplificador de retroalimentación negativa (generalmente construido a partir de uno o más amplificadores operacionales y una red de retroalimentación resistiva).

Operación

Un amplificador sin retroalimentación negativa (un comparador)

Las entradas diferenciales del amplificador consisten en una entrada no inversora (+) con voltaje V₊ y una entrada inversora (−) con voltaje V₋; idealmente, el amplificador operacional amplifica solo la diferencia de voltaje entre los dos, que se denomina voltaje de entrada diferencial. El voltaje de salida del amplificador operacional V_out está dado por la ecuación

${displaystyle V_{text{out}=A_{text{OL}(V_{+}-V_{-}),}$

donde A_OL es la ganancia de bucle abierto del amplificador (el término "bucle abierto" se refiere a la ausencia de una retroalimentación externa bucle de la salida a la entrada).

Amplificador de bucle abierto

La magnitud de A_OL suele ser muy grande (100 000 o más para amplificadores operacionales de circuitos integrados) y, por lo tanto, incluso una diferencia bastante pequeña entre V< /i>₊ y V₋ llevan al amplificador a recorte o saturación. La magnitud de A_OL no está bien controlada por el proceso de fabricación, por lo que no es práctico utilizar un amplificador de bucle abierto como amplificador diferencial independiente.

Sin retroalimentación negativa y, opcionalmente, retroalimentación positiva para la regeneración, un amplificador operacional actúa como un comparador. Si la entrada inversora se mantiene a tierra (0 V) y el voltaje de entrada V_in aplicado a la entrada no inversora es positivo, la salida será positiva al máximo; si V_in es negativo, la salida será máxima negativa. Debido a que no hay retroalimentación de la salida a ninguna de las entradas, este es un circuito de bucle abierto que actúa como un comparador.

Amplificador de circuito cerrado

Un amplificador op con retroalimentación negativa (amplificador no invertido)

Si se desea un funcionamiento predecible, se utiliza la retroalimentación negativa aplicando una parte del voltaje de salida a la entrada inversora. La retroalimentación de bucle cerrado reduce en gran medida la ganancia del circuito. Cuando se utiliza la retroalimentación negativa, la ganancia y la respuesta generales del circuito están determinadas principalmente por la red de retroalimentación, en lugar de por las características del amplificador operacional. Si la red de retroalimentación está hecha de componentes con valores pequeños en relación con la impedancia de entrada del amplificador operacional, el valor de la respuesta de bucle abierto del amplificador operacional A_{OL< /sub> no afecta seriamente el rendimiento del circuito. En este contexto, la alta impedancia de entrada en los terminales de entrada y la baja impedancia de salida en los terminales de salida son características particularmente útiles de un amplificador operacional.}

La respuesta del circuito del amplificador operacional con sus circuitos de entrada, salida y retroalimentación a una entrada se caracteriza matemáticamente por una función de transferencia; diseñar un circuito de amplificador operacional para que tenga una función de transferencia deseada está en el ámbito de la ingeniería eléctrica. Las funciones de transferencia son importantes en la mayoría de las aplicaciones de los amplificadores operacionales, como en las computadoras analógicas.

En el amplificador no inversor de la derecha, la presencia de retroalimentación negativa a través del divisor de voltaje R_f, R _g determina la ganancia de bucle cerrado A_CL = V_fuera / V_dentro. El equilibrio se establecerá cuando V_out sea suficiente para llevar la entrada inversora al mismo voltaje que V_in. La ganancia de voltaje de todo el circuito es, por lo tanto, 1 + R_f / R_{g. Como ejemplo simple, si Vin = 1 V y Rf = Rg, Vfuera será 2 V, exactamente la cantidad necesaria para mantener V− en 1 V. Debido a los comentarios proporcionados por la red Rf, Rg, esta es una cerrada- circuito de bucle.}

Otra forma de analizar este circuito consiste en hacer las siguientes suposiciones (normalmente válidas):

1. Cuando un amplificador op opera en modo lineal (es decir, no saturado), la diferencia de tensión entre los pines no invertidos (+) e invertido (−) es insignificante.
2. La impedancia de entrada de los pines (+) y (−) es mucho mayor que otras resistencias en el circuito.

La señal de entrada V_in aparece en los pines (+) y (−) según la suposición 1, lo que da como resultado una corriente i a través de R_g igual a V_en / R_g:

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Dado que la ley de corriente de Kirchhoff establece que la misma corriente debe salir de un nodo que la que entra, y dado que la impedancia en el pin (-) es casi infinita según la suposición 2, podemos suponer que prácticamente toda la corriente es la misma i fluye a través de R_f, creando un voltaje de salida

$${displaystyle V_{text{out}=V_{in}}+iR_{text{f}=V_{in}}+left({frac} [V_{text{in]} {f}}}R_{text{f}right)=V_{text{in}}+{frac} {f} {f} {f}}}=V_{in}}f}}m}mf} {f} {f} {f}} {f}} {f}} {f}}} {f}}} {f}} {f}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\f}}}}}}}} {f}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\f}}} {\\\\\f}}}}}} {f}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { {R_{text{f}} {R_{text{g}}right)} {f}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {f} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {$$

Al combinar términos, determinamos la ganancia de bucle cerrado A_CL:

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Características del amplificador operacional

Amplificadores operacionales ideales

Un circuito equivalente de un amplificador operativo que modela algunos parámetros resistivos no ideales.

Por lo general, se considera que un amplificador operacional ideal tiene las siguientes características:

• Infinita ganancia de apertura G = v_Fuera. / v_dentro
• Infinito impedancia de entrada R_dentro, y así cero corriente de entrada
• Tensión de compensación de entrada cero
• Gama de tensión de salida infinita
• Ancho de banda infinito con cambio de fase cero y velocidad de corte infinito
• Impedancia de producción cero R_Fuera., y tan infinita gama de corriente de salida
• Cero ruido
• Infinito ratio de rechazo de modo común (CMRR)
• Infinito ratio de rechazo de la fuente de alimentación.

Estos ideales se pueden resumir en dos reglas de oro:

1. En un bucle cerrado la salida hace lo necesario para hacer la diferencia de tensión entre las entradas cero.
2. Las entradas dibujan cero corriente.

La primera regla solo se aplica en el caso habitual en el que el amplificador operacional se usa en un diseño de circuito cerrado (retroalimentación negativa, donde hay una ruta de señal de algún tipo que retroalimenta desde la salida a la entrada inversora). Estas reglas se usan comúnmente como una buena primera aproximación para analizar o diseñar circuitos de amplificadores operacionales.

Ninguno de estos ideales se puede realizar perfectamente. Un amplificador operacional real se puede modelar con parámetros no infinitos o distintos de cero utilizando resistencias y condensadores equivalentes en el modelo de amplificador operacional. Luego, el diseñador puede incluir estos efectos en el rendimiento general del circuito final. Algunos parámetros pueden tener un efecto insignificante en el diseño final, mientras que otros representan limitaciones reales del rendimiento final que debe evaluarse.

Amplificadores operacionales reales

Los amplificadores operacionales reales difieren del modelo ideal en varios aspectos.

Ganancia finita

La ganancia abierta es finita en amplificadores operativos reales. Dispositivos típicos exhiben ganancia DC abierta superior a 100.000. Mientras la ganancia de bucle (es decir, el producto de apertura y ganancias de retroalimentación) sea muy grande, la ganancia de cierre cerrado se determinará completamente por la cantidad de retroalimentación negativa (es decir, será independiente de ganancia de apertura). En aplicaciones en las que la ganancia de cierre debe ser muy alta (aproximando la ganancia de apertura), la ganancia de retroalimentación será muy baja y la ganancia de bucle inferior en estos casos causa comportamiento no-ideal del circuito.

Impedancia de producción no cero

La baja impedancia de salida es importante para cargas de bajo impacto; para estas cargas, la caída de tensión a través de la impedancia de salida reduce eficazmente la ganancia de apertura. En configuraciones con una retroalimentación negativa sensor de tensión, la impedancia de salida del amplificador se reduce efectivamente; por lo tanto, en aplicaciones lineales, los circuitos de op-amp generalmente muestran una impedancia de salida muy baja.

Los productos de bajo impacto normalmente requieren alta quiescencia (es decir, idle) corriente en la etapa de salida y disiparán más potencia, por lo que los diseños de baja potencia pueden sacrificar intencionalmente baja impedancia de salida.

Impedancias de entrada finitas

El impedancia de entrada diferencial del amplificador operacional se define como la impedancia entre sus dos insumos; los impedancia de entrada de modo común es la impedancia de cada entrada a tierra. Los amplificadores operativos de entrada MOSFET a menudo tienen circuitos de protección que efectivamente cortan cualquier diferencia de entrada mayor que un pequeño umbral, por lo que la impedancia de entrada puede parecer muy baja en algunas pruebas. Sin embargo, mientras estos amplificadores operativos se utilicen en una típica aplicación negativa de alta ganancia, estos circuitos de protección serán inactivos. El sesgo de entrada y las corrientes de fuga descritas a continuación son un parámetro de diseño más importante para las aplicaciones de amplificador operativo típico.

Condenancia de entrada

La impedancia de entrada adicional debido a la capacitancia parasitaria puede ser un problema crítico para la operación de alta frecuencia donde reduce la impedancia de entrada y puede causar cambios de fase.

Corriente de entrada

Debido a los requisitos de sesgo o fuga, una pequeña cantidad de flujos actuales en los insumos. Cuando se utilizan altas resistencias o fuentes con impedancias de alta potencia en el circuito, estas pequeñas corrientes pueden producir caídas de tensión. Si las corrientes de entrada son coincidentes, y la impedancia mirando Fuera. de ambos Las entradas son igualadas, entonces los voltajes producidos en cada entrada serán iguales. Porque el amplificador operativo funciona en el diferencia entre sus entradas, estos voltajes emparejados no tendrán efecto. Es más común que las corrientes de entrada sean ligeramente desajustadas. La diferencia se llama corriente offset de entrada, e incluso con resistencias a juego un pequeño Tensión offset (distinto del voltaje offset de entrada abajo) se puede producir. Este voltaje offset puede crear offsets o deriva en el amplificador operativo.

Tensión offset de entrada

Este voltaje, que es lo que se requiere a través de las terminales de entrada de op amp para conducir el voltaje de salida a cero. En el amplificador perfecto, no habría tensión offset de entrada. Sin embargo, existe debido a imperfecciones en la fase de entrada de amplificador diferencial de los amplificadores op. Tensión offset de entrada crea dos problemas: En primer lugar, debido a la alta ganancia de voltaje del amplificador, virtualmente asegura que la salida del amplificador entrará en saturación si se opera sin retroalimentación negativa, incluso cuando los terminales de entrada se conectan. En segundo lugar, en un bucle cerrado, la configuración de retroalimentación negativa, la tensión de compensación de entrada se amplifica junto con la señal y esto puede plantear un problema si se requiere una amplificación DC de alta precisión o si la señal de entrada es muy pequeña.

Ganancia de modo común

Un amplificador operativo perfecto amplifica solamente la diferencia de tensión entre sus dos entradas, rechazando completamente todos los voltajes que son comunes a ambos. Sin embargo, la fase de entrada diferencial de un amplificador operativo nunca es perfecta, lo que conduce a la amplificación de estos voltajes comunes en algún grado. La medida estándar de este defecto se llama la relación de rechazo de modo común (CMRR). La minimización de la ganancia de modo común es importante en los amplificadores que no invierten que operan a alta ganancia.

Rechazo Power-supply

La salida de un amplificador operativo perfecto será independiente de las fluctuaciones de tensión de alimentación. Cada amplificador operativo real tiene una relación de rechazo de la fuente de alimentación finita (PSRR) que refleja lo bien que el amplificador op puede rechazar el ruido en su fuente de alimentación de propagar a la salida.

Efectos de temperatura

El rendimiento y las propiedades del amplificador suelen cambiar, en cierta medida, con cambios en la temperatura. La deriva de la temperatura del voltaje offset de entrada es especialmente importante.

Drift

Los parámetros reales de op-amp están sujetos a cambios lentos con el tiempo y con cambios en la temperatura, las condiciones de entrada, etc.

Ancho de banda finito

Todos los amplificadores tienen ancho de banda finito. Para una primera aproximación, el amplificador op tiene la respuesta de frecuencia de un integrador con ganancia. Es decir, la ganancia de un amplificador op típico es inversamente proporcional a la frecuencia y se caracteriza por su producto de ganancia de ancho de banda (GBWP). Por ejemplo, un amplificador con un GBWP de 1 MHz tendría una ganancia de 5 a 200 kHz, y una ganancia de 1 a 1 MHz. Esta respuesta dinámica junto con la muy alta ganancia DC de la op amp le da las características de un filtro de paso bajo de primer orden con ganancia DC muy alta y baja frecuencia de corte dada por el GBWP dividido por la ganancia DC.

El ancho de banda finito de una op amp puede ser la fuente de varios problemas, incluyendo:

Estabilidad

Asociado con la limitación de ancho de banda es una diferencia de fase entre la señal de entrada y la salida de amplificador que puede conducir a la oscilación en algunos circuitos de retroalimentación. Por ejemplo, una señal de salida sinusoidal significa interferir de forma destructiva con una señal de entrada de la misma frecuencia interferirá constructivamente si se retrasa en 180 grados formando retroalimentación positiva. En estos casos, el circuito de retroalimentación se puede estabilizar mediante compensación de frecuencia, lo que aumenta la ganancia o margen de fase del circuito abierto. El diseñador de circuitos puede implementar esta compensación externamente con un componente de circuito separado. Alternativamente, la compensación puede ser implementada dentro del amplificador operativo con la adición de un polo dominante que atenua suficientemente la ganancia de alta frecuencia del amplificador operativo. La ubicación de este poste puede ser fijada internamente por el fabricante o configurada por el diseñador de circuitos utilizando métodos específicos para la op amp. En general, la compensación de frecuencia dominante-pole reduce aún más el ancho de banda de la op amp. Cuando la ganancia de cierre deseada es alta, la compensación de frecuencia de op-amp no es necesaria a menudo porque la ganancia de apertura necesaria es suficientemente baja; por lo tanto, las aplicaciones con una ganancia de alto cierre cerrado pueden hacer uso de amplificadores de op con anchos de banda más altos.

Distorsión y otros efectos

El ancho de banda limitado también resulta en cantidades más bajas de retroalimentación a frecuencias más altas, produciendo mayor distorsión y impedancia de salida a medida que aumenta la frecuencia.

Típicos amplificadores de operaciones de bajo coste y uso general exhiben un GBWP de unos pocos megahercios. Existen especialidades y amplificadores de operaciones de alta velocidad que pueden alcanzar un GBWP de cientos de megahercios. Para circuitos muy de alta frecuencia, a menudo se utiliza un amplificador operativo de alimentación actual.

Noise

Amplificadores intrínsecamente el ruido de salida, incluso cuando no hay señal aplicada. Esto puede deberse al ruido térmico interno y al ruido del dispositivo. Para aplicaciones con alta ganancia o ancho de banda alto, el ruido se convierte en una consideración importante y un amplificador de baja altura, diseñado específicamente para el ruido mínimo intrínseco, puede ser necesario para satisfacer los requisitos de rendimiento.

Rechazo Power-supply

Con frecuencia creciente, el rechazo de la fuente de energía suele empeorar. Así que puede ser importante mantener el suministro limpio de ondas y señales de mayor frecuencia, por ejemplo mediante el uso de condensadores de bypass.

Imperfecciones no lineales

La entrada (amarillo) y la salida (verde) de un amplificador de op saturado en un amplificador de inversión

Saturación

El voltaje de salida se limita a un valor mínimo y máximo cercano a los voltajes de alimentación. La salida de los amplificadores de operaciones antiguos puede llegar a uno o dos voltios de los carriles de suministro. La producción de la llamada ferrocarril a ferrocarril amplificadores de operaciones puede llegar a los milivolts de los carriles de suministro al proporcionar baja corriente de salida.

Limitación de la tasa de rocío

El voltaje de salida del amplificador alcanza su velocidad máxima de cambio, la tasa de flujo, generalmente especificada en voltios por microsegundo (V/μs). Cuando se produce la limitación de la tasa de flujo, los aumentos adicionales en la señal de entrada no tienen ningún efecto en la tasa de cambio de la salida. La limitación de la tasa de flujo es generalmente causada por la fase de entrada saturación; el resultado es una corriente constante i conducir una capacitancia C en el amplificador (especialmente las capacitancias utilizadas para implementar su compensación de frecuencia); la tasa de rotura es limitada por dv/dt = i/C.

Slewing se asocia con el grandes signales rendimiento de un amplificador de operaciones. Considere, por ejemplo, un op amp configurado para una ganancia de 10. Que la entrada sea 1V, 100 kHz ola de sierra. Es decir, la amplitud es 1V y el período es de 10 microsegundos. En consecuencia, la tasa de cambio (es decir, la pendiente) de la entrada es 0.1 V por microsegundo. Después de la amplificación 10×, la salida debe ser un 10V, 100 kHz sawtooth, con una tasa de rocío correspondiente de 1V por microsegundo. Sin embargo, el clásico 741 op amp tiene un 0,5V por microsegundo especificación de la tasa de flujo para que su salida pueda ascender a no más de 5V en el periodo de 10 microsegundos. Así, si uno medira el producto, sería un 5V, 100 kHz sawtooth, en lugar de 10V, 100 kHz.

Siguiente considerar el mismo amplificador y 100 kHz sierra, pero ahora la amplitud de entrada es 100m V en lugar de 1V. Después de 10× amplificación la salida es un 1V, sierra de 100 kHz con una tasa de flujo correspondiente de 0.1V por microsegundo. En este caso, el 741 con su 0,5V por microsecond slew rate amplificará la entrada correctamente.

Los modernos amplificadores de operaciones de alta velocidad pueden tener tasas de rotura superior a 5.000V por microsegundo. Sin embargo, es más común que los amplificadores de operaciones tengan tasas de rocío en el rango 5–100V por microsegundo. Por ejemplo, el propósito general TL081 op amp tiene una tasa de 13V por microsegundo. Como regla general, los amplificadores de baja potencia y ancho de banda pequeños tienen bajos índices. Como ejemplo, el LT1494 micropower op amp consume 1,5 microamp pero tiene un producto de ganancia de 2.7 kHz y un 0.001V por microsecond slew rate.

Relación de entrada y salida no lineal

El voltaje de salida puede no ser exactamente proporcional a la diferencia entre los voltajes de entrada produciendo distorsión. Este efecto será muy pequeño en un circuito práctico donde se utilizan comentarios negativos sustanciales.

Reversión de la fase

En algunos amplificadores de operaciones integrados, cuando se viola el voltaje del modo común publicado (por ejemplo, por una de las entradas que se conducen a uno de los voltajes de suministro), la salida puede deslizarse a la polaridad opuesta de lo que se espera en el funcionamiento normal. En tales condiciones, la retroalimentación negativa se vuelve positiva, probablemente causando que el circuito Cierra la cerradura en ese estado.

Consideraciones de energía

Corriente de producción limitada

La corriente de salida debe ser finita. En la práctica, la mayoría de los amplificadores están diseñados para limitar la corriente de salida para evitar daños en el dispositivo, por lo general alrededor de 25 mA para un tipo 741 IC op amp. Los diseños modernos son electrónicamente más robustos que las implementaciones anteriores y algunos pueden sostener circuitos cortos directos en sus salidas sin daño.

Tensión de salida limitada

El voltaje de salida no puede exceder el voltaje de alimentación suministrado al amplificador de operaciones. La salida máxima de la mayoría de los amplificadores de operaciones se reduce aún más por alguna cantidad debido a limitaciones en el circuito de salida. Amplificadores Rail-to-rail op están diseñados para niveles máximos de salida.

Corriente del sumidero de productos

La corriente de fregadero de salida es la corriente máxima permitida para hundirse en la etapa de salida. Algunos fabricantes proporcionan un voltaje de salida vs. el diagrama de corriente de la huida de salida que da una idea del voltaje de salida cuando está hundiendo la corriente de otra fuente en el pin de salida.

Energía disipada limitada

La corriente de salida fluye a través de la impedancia de salida interna de la op amp, generando calor que debe ser disipado. Si el amplificador de operaciones disipa demasiado poder, entonces su temperatura aumentará por encima de algún límite seguro. El amplificador de operaciones debe cerrarse o arriesgarse a ser dañado.

Los amplificadores operacionales FET o MOSFET integrados modernos se aproximan más al amplificador operacional ideal que los circuitos integrados bipolares en lo que respecta a la impedancia de entrada y las corrientes de polarización de entrada. Los bipolares son generalmente mejores cuando se trata de compensación de voltaje de entrada y, a menudo, tienen menos ruido. En general, a temperatura ambiente, con una señal bastante grande y un ancho de banda limitado, los amplificadores operacionales FET y MOSFET ahora ofrecen un mejor rendimiento.

Circuito interno del amplificador operacional tipo 741

Un diagrama de nivel de componente del amplificador común 741 op. Esbozo de líneas puntuadas: espejos actuales; amplificador diferencial; clase Una etapa de ganancia; cambio de nivel de tensión; etapa de producción.

Obtenido por muchos fabricantes y en múltiples productos similares, un ejemplo de un amplificador operacional de transistor bipolar es el circuito integrado 741 diseñado en 1968 por David Fullagar en Fairchild Semiconductor después del diseño del circuito integrado LM301 de Bob Widlar. En esta discusión, usamos los parámetros del modelo híbrido-pi para caracterizar las características del emisor conectado a tierra de pequeña señal de un transistor. En este modelo, la ganancia de corriente de un transistor se denota h_fe, más comúnmente llamada β.

Arquitectura

Un circuito integrado a pequeña escala, el amplificador operacional 741 comparte con la mayoría de los amplificadores operacionales una estructura interna que consta de tres etapas de ganancia:

1. Amplificador diferencial (azul oscuro sin línea) — proporciona una amplificación diferencial alta (ganada), con rechazo de la señal de movimiento común, ruido bajo, impedancia de entrada alta, y conduce una
2. Amplificador de tensión (extraído magenta) — proporciona una ganancia de alta tensión, un rodillo de frecuencia de una sola capa, y a su vez conduce el
3. Amplificador de salida (cian y verde fuera de línea) — proporciona una alta ganancia de corriente (impedancia de salida baja), junto con la limitación de corriente de salida y protección de cortocircuito de salida.

Además, contiene un circuito de polarización de espejo de corriente (delineado en rojo) y un condensador de compensación (30 pF).

Amplificador diferencial

La etapa de entrada consta de un amplificador diferencial en cascada (delineado en azul oscuro) seguido de una carga activa de espejo de corriente. Esto constituye un amplificador de transconductancia, que convierte una señal de voltaje diferencial en las bases de Q1, Q2 en una señal de corriente en la base de Q15.

Conlleva dos pares de transistores en cascada, que satisfacen requisitos en conflicto. La primera etapa consta del par seguidor de emisor NPN emparejado Q1, Q2 que proporciona una alta impedancia de entrada. El segundo es el par de base común PNP coincidente Q3, Q4 que elimina el indeseable efecto Miller; impulsa una carga activa Q7 más un par emparejado Q5, Q6.

Esa carga activa se implementa como un espejo de corriente Wilson modificado; su función es convertir la señal de corriente de entrada (diferencial) en una señal de un solo extremo sin las pérdidas correspondientes del 50 % (aumentando la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional en 3 dB). Por lo tanto, una corriente diferencial de pequeña señal en Q3 frente a Q4 aparece sumada (duplicada) en la base de Q15, la entrada de la etapa de ganancia de voltaje.

Amplificador de tensión

La etapa de ganancia de voltaje (clase A) (delineada en magenta) consta de los dos transistores NPN Q15/Q19 conectados en una configuración Darlington y utiliza el lado de salida del espejo de corriente Q12/Q13 como su carga colectora (dinámica) para lograr su alta ganancia de voltaje. El transistor sumidero de salida Q20 recibe su excitación base de los colectores comunes de Q15 y Q19; el cambiador de nivel Q16 proporciona un impulso base para el transistor de fuente de salida Q14.

El transistor Q22 evita que esta etapa entregue una corriente excesiva a Q20 y, por lo tanto, limita la corriente disipadora de salida.

Amplificador de salida

La etapa de salida (Q14, Q20, delineada en cian) es un amplificador de simetría complementaria Clase AB. Proporciona una unidad de salida con una impedancia de ~50 Ω, en esencia, ganancia de corriente. El transistor Q16 (delineado en verde) proporciona la corriente de reposo para los transistores de salida y Q17 limita la corriente de la fuente de salida.

Circuitos de polarización

Proporcione la corriente de reposo adecuada para cada etapa del amplificador operacional.

La resistencia (39 kΩ) que conecta el Q11 y el Q12 (conectados por diodo), y el voltaje de suministro dado (V_S+ − V_S−), determine la corriente en los espejos de corriente, (pares emparejados) Q10/Q11 y Q12/Q13. La corriente de colector de Q11, i₁₁ × 39 kΩ = V_S+ − V_S− − 2V_BE. Para el típico V_S = ±20 V, la corriente permanente en Q11/Q12 (así como en Q13) sería ~1 mA. Una corriente de suministro para un 741 típico de aproximadamente 2 mA está de acuerdo con la idea de que estas dos corrientes de polarización dominan la corriente de suministro en reposo.

Los transistores Q11 y Q10 forman un espejo de corriente Widlar, con corriente de reposo en Q10 i₁₀ tal que ln(i₁₁ / i₁₀) = i₁₀ × 5 kΩ / 28 mV, donde 5 kΩ representa la resistencia del emisor de Q10, y 28 mV es V_T, el voltaje térmico a temperatura ambiente. En este caso i₁₀ ≈ 20 μA.

Amplificador diferencial

El circuito de polarización de esta etapa se establece mediante un circuito de retroalimentación que obliga a las corrientes de colector de Q10 y Q9 a (casi) coincidir. La pequeña diferencia en estas corrientes proporciona el impulso para la base común de Q3/Q4 (tenga en cuenta que el impulso base para los transistores de entrada Q1/Q2 es la corriente de polarización de entrada y debe tener una fuente externa). Las corrientes de reposo sumadas de Q1/Q3 más Q2/Q4 se reflejan de Q8 a Q9, donde se suman con la corriente de colector en Q10, y el resultado se aplica a las bases de Q3/Q4.

Las corrientes de reposo de Q1/Q3 (resp., Q2/Q4) i₁ serán así la mitad de i ₁₀, del orden ~10 μA. La corriente de polarización de entrada para la base de Q1 (resp. Q2) ascenderá a i₁ / β; típicamente ~50 nA, lo que implica una ganancia de corriente h_fe ≈ 200 para Q1(Q2).

Este circuito de retroalimentación tiende a llevar el nodo base común de Q3/Q4 a un voltaje V_com − 2V_BE , donde V_com es el voltaje de modo común de entrada. Al mismo tiempo, la magnitud de la corriente de reposo es relativamente insensible a las características de los componentes Q1–Q4, como h_fe, que de lo contrario causarían dependencia de la temperatura o Variaciones de parte a parte.

El transistor Q7 conduce a Q5 y Q6 hasta que sus corrientes de colector (iguales) coincidan con las de Q1/Q3 y Q2/Q4. La corriente de reposo en Q7 es V_BE / 50 kΩ, aproximadamente 35 μA, al igual que la corriente de reposo en Q15, con su punto de operación coincidente. Por lo tanto, las corrientes de reposo se emparejan por pares en Q1/Q2, Q3/Q4, Q5/Q6 y Q7/Q15.

Amplificador de tensión

Las corrientes de reposo en Q16 y Q19 las establece el espejo de corriente Q12/Q13, que funciona a ~1 mA. A través de algún mecanismo, la corriente del colector en Q19 rastrea esa corriente permanente.

Amplificador de salida

En el circuito que involucra Q16 (denominado diodo de goma o multiplicador V_BE), la resistencia de 4,5 kΩ debe conducir alrededor de 100 μA, con el Q16 V_BE aproximadamente 700 mV. Entonces el V_CB debe ser de aproximadamente 0,45 V y V_CE de aproximadamente 1,0 V. Debido a que el colector Q16 es impulsado por una fuente de corriente y el emisor Q16 conduce al sumidero de corriente del colector Q19, el transistor Q16 establece una diferencia de voltaje entre la base Q14 y la base Q20 de ~1 V, independientemente del voltaje de modo común de la base Q14/Q20. La corriente permanente en Q14/Q20 será un factor exp (100 mV / VT) ≈ 36 más pequeño que la corriente de reposo de 1 mA en la parte de clase A del amplificador operacional. Esta corriente permanente (pequeña) en los transistores de salida establece la etapa de salida en operación de clase AB y reduce la distorsión cruzada de esta etapa.

Modo diferencial de pequeña señal

Una pequeña señal de voltaje de entrada diferencial da lugar, a través de múltiples etapas de amplificación de corriente, a una señal de voltaje mucho mayor en la salida.

Impedancia de entrada

La etapa de entrada con Q1 y Q3 es similar a un par acoplado por emisor (par de cola larga), con Q2 y Q4 agregando algo de impedancia degenerada. La impedancia de entrada es relativamente alta debido a la pequeña corriente a través de Q1-Q4. Un amplificador operacional 741 típico tiene una impedancia de entrada diferencial de aproximadamente 2 MΩ. La impedancia de entrada en modo común es aún mayor, ya que la etapa de entrada funciona con una corriente esencialmente constante.

Amplificador diferencial

Un voltaje diferencial V_in en las entradas del amplificador operacional (pines 3 y 2, respectivamente) da lugar a una pequeña corriente diferencial en las bases de Q1 y Q2 < i>i_en ≈ V_en / (2h_ieh_fe). Esta corriente de base diferencial provoca un cambio en la corriente de colector diferencial en cada tramo de i_inh_fe. Presentamos la transconductancia de Q1, g_m = h_fe / h_ie, la corriente (pequeña señal) en la base de Q15 (la entrada de la etapa de ganancia de voltaje) es V_{ingm / 2.}

Esta parte del amplificador operacional cambia inteligentemente una señal diferencial en las entradas del amplificador operacional a una señal de un solo extremo en la base de Q15, y de una manera que evita descartar la señal en cualquiera de las piernas. Para ver cómo, observe que un pequeño cambio negativo en el voltaje en la entrada inversora (Q2 base) lo saca de la conducción, y esta disminución incremental en la corriente pasa directamente del colector Q4 a su emisor, lo que resulta en una disminución en el impulso base para Q15. Por otro lado, un pequeño cambio positivo en el voltaje en la entrada no inversora (base Q1) hace que este transistor entre en conducción, lo que se refleja en un aumento de corriente en el colector de Q3. Esta corriente impulsa a Q7 más hacia la conducción, lo que activa el espejo de corriente Q5/Q6. Por tanto, el aumento de la corriente del emisor Q3 se refleja en un aumento de la corriente del colector Q6; las corrientes de colector aumentadas derivan más del nodo de colector y dan como resultado una disminución en la corriente de excitación base para Q15. Además de evitar desperdiciar 3 dB de ganancia aquí, esta técnica disminuye la ganancia de modo común y el paso del ruido de la fuente de alimentación.

Amplificador de tensión

Una señal de corriente i en la base de Q15's da lugar a una corriente en Q19 de orden iβ² (el producto de la h_fe de cada uno de Q15 y Q19, que están conectados en un par Darlington). Esta señal de corriente desarrolla un voltaje en las bases de los transistores de salida Q14/Q20 proporcional a la h_ie del respectivo transistor.

Amplificador de salida

Los transistores de salida Q14 y Q20 están configurados cada uno como seguidor de emisor, por lo que allí no se produce ganancia de voltaje; en cambio, esta etapa proporciona una ganancia de corriente, igual a la h_fe de Q14 (resp. Q20).

La impedancia de salida no es cero, como lo sería en un amplificador operacional ideal, pero con retroalimentación negativa se aproxima a cero a bajas frecuencias.

Ganancia general de tensión en bucle abierto

La ganancia neta de voltaje de señal pequeña de bucle abierto del amplificador operacional implica el producto de la ganancia de corriente h_fe de unos 4 transistores. En la práctica, la ganancia de voltaje para un amplificador operacional estilo 741 típico es del orden de 200 000, y la ganancia de corriente, la relación entre la impedancia de entrada (~2−6 MΩ) y la impedancia de salida (~50 Ω) proporciona aún más ganancia (de potencia).

Otras características lineales

Ganancia de modo común de pequeña señal

El amplificador operacional ideal tiene una relación de rechazo de modo común infinita o una ganancia de modo común cero.

En el circuito actual, si los voltajes de entrada cambian en la misma dirección, la retroalimentación negativa hace que el voltaje base Q3/Q4 siga (con 2 V_BE debajo) el variaciones de voltaje de entrada. Ahora la parte de salida (Q10) del espejo de corriente Q10-Q11 mantiene constante la corriente común a través de Q9/Q8 a pesar de la variación de voltaje. Las corrientes de colector Q3/Q4 y, en consecuencia, la corriente de salida en la base de Q15 permanecen sin cambios.

En el amplificador operacional 741 típico, la relación de rechazo de modo común es de 90 dB, lo que implica una ganancia de voltaje de modo común de bucle abierto de aproximadamente 6.

Compensación de frecuencia

La innovación del Fairchild μA741 fue la introducción de la compensación de frecuencia a través de un condensador en el chip (monolítico), lo que simplifica la aplicación del amplificador operacional al eliminar la necesidad de componentes externos para esta función. El condensador de 30 pF estabiliza el amplificador a través de la compensación de Miller y funciona de manera similar a un circuito integrador de amplificador operacional. También conocido como 'compensación de polo dominante' porque introduce un polo que enmascara (domina) los efectos de otros polos en la respuesta de frecuencia de bucle abierto; en un amplificador operacional 741, este polo puede ser tan bajo como 10 Hz (donde provoca una pérdida de −3 dB de ganancia de voltaje de bucle abierto).

Esta compensación interna se proporciona para lograr la estabilidad incondicional del amplificador en configuraciones de retroalimentación negativa donde la red de retroalimentación no es reactiva y la ganancia de bucle cerrado es la unidad o superior. Por el contrario, los amplificadores que requieren compensación externa, como el μA748, pueden requerir compensación externa o ganancias de circuito cerrado significativamente más altas que la unidad.

Voltaje de compensación de entrada

El "desplazamiento nulo" Los pines se pueden usar para colocar resistencias externas (generalmente en forma de los dos extremos de un potenciómetro, con el control deslizante conectado a V_S–) en paralelo con las resistencias de emisor de Q5 y Q6, para ajustar el equilibrio del espejo de corriente Q5/Q6. El potenciómetro se ajusta de manera que la salida sea nula (rango medio) cuando las entradas se cortocircuitan entre sí.

Características no lineales

Tensión de ruptura de entrada

Los transistores Q3, Q4 ayudan a aumentar la calificación inversa de V_BE: las uniones base-emisor de los transistores NPN Q1 y Q2 se descomponen alrededor de 7 V, pero los transistores PNP Q3 y Q4 tienen voltajes de ruptura de V_BE alrededor de 50 V.

Oscilación de voltaje de etapa de salida y limitación de corriente

Las variaciones en la corriente de reposo con la temperatura, o entre piezas con el mismo número de tipo, son comunes, por lo que la distorsión cruzada y la corriente de reposo pueden estar sujetas a variaciones significativas.

El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menos que el voltaje de suministro, debido en parte a V_BE de los transistores de salida Q14 y Q20.

La resistencia de 25 Ω en el emisor Q14, junto con Q17, actúa para limitar la corriente de Q14 a aproximadamente 25 mA; de lo contrario, Q17 no conduce corriente.

La limitación de corriente para Q20 se realiza en la etapa de ganancia de voltaje: Q22 detecta el voltaje en la resistencia del emisor de Q19 (50 Ω); al encender, disminuye la corriente de excitación a base Q15.

Las versiones posteriores de este esquema de amplificador pueden mostrar un método algo diferente de limitación de corriente de salida.

Consideraciones de aplicabilidad

Si bien el 741 se usó históricamente en equipos de audio y otros equipos sensibles, tal uso ahora es raro debido al rendimiento de ruido mejorado de los amplificadores operacionales más modernos. Además de generar un silbido perceptible, los 741 y otros amplificadores operacionales más antiguos pueden tener índices de rechazo de modo común deficientes y, por lo tanto, a menudo introducen zumbidos de red transmitidos por cable y otras interferencias de modo común, como "clics" de interruptores, en equipo sensible.

El "741" ha llegado a significar a menudo un IC de amplificador operacional genérico (como μA741, LM301, 558, LM324, TBA221, o un reemplazo más moderno como el TL071). La descripción de la etapa de salida del 741 es cualitativamente similar para muchos otros diseños (que pueden tener etapas de entrada bastante diferentes), excepto:

• Algunos dispositivos (μA748, LM301, LM308) no son compensados internamente (requiere un condensador externo de salida a algún punto dentro del amplificador operativo, si se utiliza en aplicaciones de ganancia de bajo cierre cerrado).
• Algunos dispositivos modernos ferrocarril a ferrocarril capacidad de salida, lo que significa que la salida puede variar desde dentro de unos pocos milivolts del voltaje de suministro positivo hasta dentro de unos pocos milivolts del voltaje de suministro negativo.

Clasificación

Los amplificadores operacionales se pueden clasificar según su construcción:

• discreto, construido a partir de transistores individuales o tubos/valves,
• híbrido, compuesto por componentes discretos e integrados,
• circuitos integrados completos — lo más común, habiendo desplazado a los dos primeros debido a bajo costo.

Los amplificadores operacionales IC se pueden clasificar de muchas maneras, entre ellas:

• Grado de dispositivo, incluyendo rangos de temperatura de funcionamiento aceptables y otros factores ambientales o de calidad. Por ejemplo: LM101, LM201, y LM301 se refieren a las versiones militares, industriales y comerciales del mismo componente. Los componentes militares e industriales ofrecen un mejor rendimiento en condiciones duras que sus contrapartes comerciales, pero se venden a precios más altos.
• La clasificación por tipo de paquete también puede afectar la resistencia ambiental, así como las opciones de fabricación; DIP y otros paquetes de agujeros están tendiendo a ser reemplazados por dispositivos de montaje superficial.
• Clasificación por compensación interna: los amplificadores de operaciones pueden sufrir inestabilidad de alta frecuencia en algunos circuitos de retroalimentación negativos a menos que un condensador de compensación pequeña modifique las respuestas de fase y frecuencia. Los amplificadores Op con un condensador incorporado se denominan compensado, y permitir circuitos por encima de alguna ganancia de cierre especificado para operar con estabilidad sin condensador externo. En particular, los amplificadores op que están estables incluso con una ganancia de bucle cerrado de 1 se llaman ganancia de unidad compensada.
• Están disponibles versiones únicas, duales y cuádruples de muchos IC comerciales de op-amp, lo que significa que en el mismo paquete se incluyen 2 o 4 amplificadores operativos.
• Los amplificadores de entrada (y/o salida) pueden trabajar con señales de entrada (y/o salida) muy cercanas a los carriles de alimentación.
• Los amplificadores CMOS op (como el CA3140E) proporcionan resistencias de entrada extremadamente altas, superiores a los amplificadores de entrada JFET, que son normalmente superiores a los amplificadores de entrada bipolar.
• otras variedades de op amp incluyen amplificadores de op programables (simplemente significa la corriente quiescente, ancho de banda y así sucesivamente puede ser ajustado por un resistor externo).
• Los fabricantes a menudo tabulan sus amplificadores de op según el propósito, tales como pre-amplificadores de ruido bajo, amplificadores anchos de banda ancha, etc.

Aplicaciones

DIP pinout para amplificador operativo de tipo 741

Uso en el diseño de sistemas electrónicos

El uso de amplificadores operacionales como bloques de circuitos es mucho más fácil y claro que especificar todos sus elementos de circuito individuales (transistores, resistencias, etc.), ya sea que los amplificadores utilizados sean circuitos integrados o discretos. En la primera aproximación, los amplificadores operacionales se pueden usar como si fueran bloques de ganancia diferencial ideales; en una etapa posterior se pueden establecer límites en el rango aceptable de parámetros para cada amplificador operacional.

El diseño de circuitos sigue las mismas líneas para todos los circuitos electrónicos. Se elabora una especificación que rige lo que se requiere que haga el circuito, con límites permisibles. Por ejemplo, se puede requerir que la ganancia sea 100 veces mayor, con una tolerancia del 5 % pero una deriva de menos del 1 % en un rango de temperatura específico; la impedancia de entrada no menos de un megaohmio; etc.

Se diseña un circuito básico, a menudo con la ayuda del modelado de circuitos (en una computadora). A continuación, se eligen amplificadores operacionales y otros componentes específicos disponibles comercialmente que cumplen los criterios de diseño dentro de las tolerancias especificadas a un costo aceptable. Si no se pueden cumplir todos los criterios, es posible que sea necesario modificar la especificación.

Luego se construye y prueba un prototipo; se pueden realizar cambios para cumplir o mejorar la especificación, alterar la funcionalidad o reducir el costo.

Aplicaciones sin usar comentarios

Es decir, el amplificador operacional se usa como comparador de voltaje. Tenga en cuenta que un dispositivo diseñado principalmente como un comparador puede ser mejor si, por ejemplo, la velocidad es importante o se puede encontrar una amplia gama de voltajes de entrada, ya que dichos dispositivos pueden recuperarse rápidamente de un encendido o apagado total ("saturado"). 34;) estados.

Se puede obtener un detector de nivel de voltaje si se aplica un voltaje de referencia V_ref a una de las entradas del amplificador operacional. Esto significa que el amplificador operacional se configura como un comparador para detectar un voltaje positivo. Si el voltaje a detectar, E_i, se aplica a la entrada (+) del amplificador operacional, el resultado es un detector de nivel positivo no inversor: cuando < i>E_i está por encima de V_ref, V_O es igual a +V_sat; cuando E_i está por debajo de V_ref, V_{O es igual a −Vsat. Si se aplica Ei a la entrada inversora, el circuito es un detector inversor de nivel positivo: Cuando Ei está por encima de Vref, VO es igual a −Vsat .}

Un detector de nivel de voltaje cero (E_i = 0) puede convertir, por ejemplo, la salida de una onda sinusoidal de un generador de funciones en una onda cuadrada de frecuencia variable. Si E_i es una onda sinusoidal, una onda triangular o una onda de cualquier otra forma que sea simétrica alrededor de cero, la salida del detector de cruce por cero será cuadrada. La detección de cruce por cero también puede ser útil para activar los TRIAC en el mejor momento para reducir la interferencia de la red eléctrica y los picos de corriente.

Aplicaciones de retroalimentación positiva

Activo de Schmitt aplicado por un comparador que no invierte

Otra configuración típica de amplificadores operacionales es con retroalimentación positiva, que devuelve una fracción de la señal de salida a la entrada no inversora. Una aplicación importante del mismo es el comparador con histéresis, el disparador Schmitt. Algunos circuitos pueden usar retroalimentación positiva y retroalimentación negativa alrededor del mismo amplificador, por ejemplo, osciladores de onda triangular y filtros activos.

Debido al amplio rango de giro y la falta de retroalimentación positiva, la respuesta de todos los detectores de nivel de bucle abierto descritos anteriormente será relativamente lenta. Se puede aplicar una retroalimentación positiva general externa, pero (a diferencia de la retroalimentación positiva interna que se puede aplicar en las últimas etapas de un comparador especialmente diseñado) esto afecta notablemente la precisión del punto de detección de cruce por cero. Usando un amplificador operacional de propósito general, por ejemplo, la frecuencia de E_i para el convertidor de onda sinusoidal a cuadrada probablemente debería estar por debajo de 100 Hz.

Aplicaciones de comentarios negativos

Amplificador no inversor

Un amplificador de op conectado en la configuración de amplificador no invertido

En un amplificador no inversor, el voltaje de salida cambia en la misma dirección que el voltaje de entrada.

La ecuación de ganancia para el amplificador operacional es

${displaystyle V_{text{out}=A_{text{OL}(V_{+}-V_{-}).}$

Sin embargo, en este circuito V₋ es una función de V_out debido a la retroalimentación negativa a través de la red R₁ R₂. R₁ y R₂ forman un divisor de voltaje, y como V₋ es una entrada de alta impedancia, no la carga apreciablemente. Como consecuencia

${displaystyle V_{-}=beta V_{out}}$

dónde

${displaystyle beta ={frac {R_{1} {R_{1}}}} {R_{2}}} {R_}}} {R_{1}}}}} {R_{2}}}}}}} {R_}}}}} {R_}}}}}} {R_}}}}}} {R_}}}}}}} {}}} {R_}}}}}}}}}}}}}} {}}}}} {}} {R_}}}}}}}}} {R_}}}}}}}}} {}} {}} {}} {R_}}}}}}}}}}}}}}}} {R_}}}} {R_}} {}}}}}}}}}}}}}} {R_}}}}} {R_}}} {R_}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

Sustituyendo esto en la ecuación de ganancia, obtenemos

${displaystyle V_{text{out}=A_{text{OL}(V_{text{in}}-beta V_{text{out}}}}$

Solving for ${displaystyle V_{text{out}}$:

${displaystyle V_{out}=V_{text{in}left({frac} {1}{beta - ¿Sí?$

Si ${displaystyle A_{text{OL}}$ es muy grande, esto simplifica

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La entrada no inversora del amplificador operacional necesita una ruta de CC a tierra; si la fuente de señal no proporciona una ruta de CC, o si esa fuente requiere una impedancia de carga dada, entonces el circuito requerirá otra resistencia de la entrada no inversora a tierra. Cuando las corrientes de polarización de entrada del amplificador operacional son significativas, las resistencias de la fuente de CC que impulsan las entradas deben equilibrarse. El valor ideal para las resistencias de retroalimentación (para dar un voltaje de compensación mínimo) será tal que las dos resistencias en paralelo sean aproximadamente iguales a la resistencia a tierra en el pin de entrada no inversor. Ese valor ideal supone que las corrientes de polarización están bien adaptadas, lo que puede no ser cierto para todos los amplificadores operacionales.

Amplificador inversor

Un amplificador de operaciones conectado en la configuración de amplificador de inversión

En un amplificador inversor, el voltaje de salida cambia en dirección opuesta al voltaje de entrada.

Al igual que con el amplificador no inversor, comenzamos con la ecuación de ganancia del amplificador operacional:

${displaystyle V_{text{out}=A_{text{OL}(V_{+}-V_{-}).}$

Esta vez, V₋ es una función tanto de V_out como de V_in debido al divisor de tensión formado por R_f y R_in. Nuevamente, la entrada del amplificador operacional no aplica una carga apreciable, por lo que

${displaystyle V_{-}={frac {1} {R_{text{f}+R_{text{in}}}left(R_{text{f}V_{text{in}}}+R_{in} {text{in}V_{text{out}right).}}}$

Sustituir esto en la ecuación de ganancia y resolver para ${displaystyle V_{text{out}}$:

${displaystyle V_{out}=-V_{in}{in}{frac [A_{text{OL}R_{text{f}} {R_{f}+R_{text{in}}+A_{text{OL}}R_{text{in}}}}}}}$

Si ${displaystyle A_{text{OL}}$ es muy grande, esto simplifica

${displaystyle V_{text{out}approx - ¿Qué? {R_{text{f}} {R_{in}}}} {f}} {f}} {f}} {f}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

A menudo se inserta una resistencia entre la entrada no inversora y tierra (por lo que ambas entradas 'ven' resistencias similares), lo que reduce el voltaje de compensación de entrada debido a las diferentes caídas de voltaje debido a la corriente de polarización, y puede reducir distorsión en algunos amplificadores operacionales.

Se puede insertar un capacitor de bloqueo de CC en serie con la resistencia de entrada cuando no se necesita una respuesta de frecuencia hasta CC y no se desea ningún voltaje de CC en la entrada. Es decir, el componente capacitivo de la impedancia de entrada inserta un cero de CC y un polo de baja frecuencia que le da al circuito una característica de paso de banda o de paso alto.

Los potenciales en las entradas del amplificador operacional permanecen virtualmente constantes (cerca de tierra) en la configuración inversora. El potencial de operación constante generalmente da como resultado niveles de distorsión que son más bajos que los que se pueden lograr con la topología no inversora.

Otras aplicaciones

• pre-amplificadores y amortiguadores de frecuencia de audio y vídeo
• amplificadores diferenciales
• diferenciadores e integradores
• filtros
• rectificadores de precisión
• detectores de pico de precisión
• reguladores de tensión y corriente
• calculadoras analógicas
• Conversores analógicos a digitales
• Conversores digitales a analógicos
• Pinzas de tensión
• osciladores y generadores de onda
• clipper
• clamper (dc inserter o restaurador)
• Amplificadores LOG y ANTILOG

La mayoría de los amplificadores operacionales simples, dobles y cuádruples disponibles tienen un pin-out estandarizado que permite sustituir un tipo por otro sin cambios de cableado. Se puede elegir un amplificador operacional específico por su ganancia de bucle abierto, ancho de banda, rendimiento de ruido, impedancia de entrada, consumo de energía o un compromiso entre cualquiera de estos factores.

Cronología histórica

1941: un amplificador operacional de tubo de vacío. Un amplificador operacional, definido como un amplificador inversor de retroalimentación de propósito general, acoplado a CC, de alta ganancia, se encuentra por primera vez en EE. UU. Patente 2.401.779 "Amplificador sumador" presentado por Karl D. Swartzel Jr. de Bell Labs en 1941. Este diseño utilizó tres tubos de vacío para lograr una ganancia de 90 dB y funcionó en rieles de voltaje de ±350 V. Tenía una única entrada inversora en lugar de entradas diferenciales inversoras y no inversoras, como es común en los amplificadores operacionales actuales. A lo largo de la Segunda Guerra Mundial, el diseño de Swartzel demostró su valor al ser utilizado generosamente en el director de artillería M9 diseñado en Bell Labs. Este director de artillería trabajó con el sistema de radar SCR584 para lograr índices de acierto extraordinarios (cerca del 90%) que de otro modo no habrían sido posibles.

GAP/R K2-W: a vacío-tube op amp (1953)

1947: un amplificador operacional con una entrada no inversora explícita. En 1947, John R. Ragazzini de la Universidad de Columbia definió formalmente y nombró por primera vez el amplificador operacional en un artículo. En este mismo artículo, una nota a pie de página mencionaba un diseño de amplificador operacional realizado por un estudiante que resultaría ser bastante significativo. Este amplificador operacional, diseñado por Loebe Julie, era superior en varios aspectos. Tuvo dos innovaciones importantes. Su etapa de entrada usaba un par de triodos de cola larga con cargas emparejadas para reducir la deriva en la salida y, lo que es más importante, fue el primer diseño de amplificador operacional en tener dos entradas (una inversora y la otra no inversora). La entrada diferencial hizo posible toda una gama de nuevas funciones, pero no se usaría durante mucho tiempo debido al auge del amplificador estabilizado por chopper.

1949: un amplificador operacional estabilizado por chopper. En 1949, Edwin A. Goldberg diseñó un amplificador operacional estabilizado por chopper. Esta configuración utiliza un amplificador operacional normal con un amplificador de CA adicional que acompaña al amplificador operacional. El helicóptero obtiene una señal de CA de CC cambiando entre el voltaje de CC y tierra a una velocidad rápida (60 Hz o 400 Hz). Luego, esta señal se amplifica, rectifica, filtra y alimenta a la entrada no inversora del amplificador operacional. Esto mejoró enormemente la ganancia del amplificador operacional al tiempo que redujo significativamente la deriva de salida y la compensación de CC. Desafortunadamente, cualquier diseño que usara un helicóptero no podría usar su entrada no inversora para ningún otro propósito. Sin embargo, las características muy mejoradas del amplificador operacional estabilizado por chopper lo convirtieron en la forma dominante de usar amplificadores operacionales. Las técnicas que usaban la entrada no inversora regularmente no serían muy populares hasta la década de 1960, cuando los circuitos integrados de amplificadores operacionales comenzaron a aparecer en el campo.

1953: un amplificador operacional disponible comercialmente. En 1953, los amplificadores operacionales de válvulas estuvieron disponibles comercialmente con el lanzamiento del modelo K2-W de George A. Philbrick Researches, Incorporated. La designación de los dispositivos que se muestran, GAP/R, es un acrónimo del nombre completo de la empresa. Se montaron dos tubos de vacío 12AX7 de nueve pines en un paquete octal y se disponía de un complemento de chopper modelo K2-P que se 'agotaría' efectivamente. la entrada no inversora. Este amplificador operacional se basó en un descendiente del diseño de 1947 de Loebe Julie y, junto con sus sucesores, iniciaría el uso generalizado de amplificadores operacionales en la industria.

GAP/R modelo P45: un sello de estado sólido y discreto (1961).

1961: un amplificador operacional IC discreto. Con el nacimiento del transistor en 1947 y el transistor de silicio en 1954, el concepto de IC se hizo realidad. La introducción del proceso planar en 1959 hizo que los transistores y los circuitos integrados fueran lo suficientemente estables como para ser comercialmente útiles. En 1961, se estaban produciendo amplificadores operacionales discretos de estado sólido. Estos amplificadores operacionales eran efectivamente pequeñas placas de circuito con paquetes como conectores de borde. Por lo general, tenían resistencias seleccionadas a mano para mejorar cosas como la compensación de voltaje y la deriva. El P45 (1961) tenía una ganancia de 94 dB y funcionaba en rieles de ±15 V. Estaba destinado a manejar señales en el rango de ±10 V.

1961: un amplificador operacional de puente varactor. Se han tomado muchas direcciones diferentes en el diseño de amplificadores operacionales. Los amplificadores operacionales de puente Varactor comenzaron a producirse a principios de la década de 1960. Fueron diseñados para tener una corriente de entrada extremadamente pequeña y todavía se encuentran entre los mejores amplificadores operacionales disponibles en términos de rechazo de modo común con la capacidad de manejar correctamente cientos de voltios en sus entradas.

GAP/R modelo PP65: un amplificador de operación de estado sólido en un módulo enfartado (1962)

1962: un amplificador operacional en un módulo encapsulado. En 1962, varias empresas producían paquetes encapsulados modulares que podían conectarse a placas de circuito impreso. Estos paquetes fueron de vital importancia ya que convirtieron el amplificador operacional en una sola caja negra que podía tratarse fácilmente como un componente en un circuito más grande.

1963: un amplificador operacional IC monolítico. En 1963, se lanzó el primer amplificador operacional IC monolítico, el μA702 diseñado por Bob Widlar en Fairchild Semiconductor. Los circuitos integrados monolíticos consisten en un solo chip en lugar de un chip y partes discretas (un circuito integrado discreto) o múltiples chips unidos y conectados en una placa de circuito (un circuito integrado híbrido). Casi todos los amplificadores operacionales modernos son circuitos integrados monolíticos; sin embargo, este primer CI no tuvo mucho éxito. Problemas como un voltaje de suministro desigual, baja ganancia y un rango dinámico pequeño impidieron el dominio de los amplificadores operacionales monolíticos hasta 1965, cuando se lanzó el μA709 (también diseñado por Bob Widlar).

1968: Lanzamiento del μA741. La popularidad de los amplificadores operacionales monolíticos mejoró aún más con el lanzamiento del LM101 en 1967, que resolvió una variedad de problemas, y el posterior lanzamiento del μA741 en 1968. El μA741 era extremadamente similar al LM101 excepto que las instalaciones de Fairchild les permitieron incluir un condensador de compensación de 30 pF dentro del chip en lugar de requerir una compensación externa. Esta simple diferencia ha hecho que el 741 el amplificador operacional canónico y muchos amplificadores modernos basen su configuración de pines en los 741. El μA741 todavía está en producción y se ha vuelto omnipresente en la electrónica: muchos fabricantes producen una versión de este chip clásico, reconocible por los números de pieza que contienen 741. La misma pieza es fabricada por varias empresas.

1970: primer diseño FET de corriente de entrada baja y alta velocidad. En la década de 1970, se comenzaron a realizar diseños de corriente de entrada baja y alta velocidad mediante el uso de FET. Estos serían reemplazados en gran medida por amplificadores operacionales fabricados con MOSFET en la década de 1980.

LH0033CG: un amplificador IC híbrido de alta velocidad

1972: se producen amplificadores operacionales de suministro de un solo lado. Un amplificador operacional de suministro de un solo lado es aquel en el que los voltajes de entrada y salida pueden ser tan bajos como el voltaje negativo de la fuente de alimentación en lugar de tener que estar en menos dos voltios por encima de él. El resultado es que puede operar en muchas aplicaciones con el pin de suministro negativo en el amplificador operacional conectado a la señal de tierra, eliminando así la necesidad de una fuente de alimentación negativa separada.

El LM324 (lanzado en 1972) fue uno de esos amplificadores operacionales que venía en un paquete cuádruple (cuatro amplificadores operacionales separados en un paquete) y se convirtió en un estándar de la industria. Además de empaquetar múltiples amplificadores operacionales en un solo paquete, la década de 1970 también vio el nacimiento de los amplificadores operacionales en paquetes híbridos. Estos amplificadores operacionales eran generalmente versiones mejoradas de amplificadores operacionales monolíticos existentes. A medida que mejoraron las propiedades de los amplificadores operacionales monolíticos, los circuitos integrados híbridos más complejos se relegaron rápidamente a sistemas que deben tener una vida útil extremadamente larga u otros sistemas especializados.

Una amplificación en un mini paquete DIP

Tendencias recientes. Recientemente, los voltajes de suministro en los circuitos analógicos han disminuido (al igual que en la lógica digital) y se han introducido amplificadores operacionales de bajo voltaje que reflejan esto. Los suministros de 5 V y cada vez más de 3,3 V (a veces tan bajos como 1,8 V) son comunes. Para maximizar el rango de la señal, los amplificadores operacionales modernos suelen tener una salida de riel a riel (la señal de salida puede variar desde el voltaje de suministro más bajo hasta el más alto) y, a veces, entradas de riel a riel.