Amplificador operacional

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 14 de marzo de 2020; las comprobaciones requieren 9 ediciones .

El amplificador operacional ( op - amp ; amplificador operacional inglés , OpAmp ) es un amplificador de CC con una entrada diferencial y, por regla general, una sola salida, que tiene una alta ganancia . Los amplificadores operacionales casi siempre se usan en circuitos con retroalimentación negativa profunda que, debido a la alta ganancia del amplificador operacional, determina completamente la ganancia/transferencia del circuito resultante.

Actualmente, los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente, tanto en forma de chips separados como en forma de bloques funcionales como parte de circuitos integrados más complejos . Tal popularidad se debe al hecho de que el amplificador operacional es una unidad universal con características casi ideales, sobre la base de la cual se pueden construir muchos componentes electrónicos diferentes .

Historia

El amplificador operacional se diseñó originalmente para realizar operaciones matemáticas (de ahí su nombre) utilizando el voltaje como un valor analógico. Este enfoque es la base de las computadoras analógicas , en las que se utilizaron amplificadores operacionales para modelar operaciones matemáticas básicas ( suma , resta , integración , diferenciación , etc.). Sin embargo, el amplificador operacional ideal es una solución de circuito multifuncional, tiene muchas aplicaciones además de las operaciones matemáticas. Los amplificadores operacionales reales basados en transistores , tubos de vacío u otros componentes activos , fabricados en forma de circuitos discretos o integrados , son una aproximación a los ideales.

Los primeros amplificadores operacionales de válvulas industriales ( década de 1940 ) se fabricaron en un par de triodos dobles , incluso en forma de ensamblajes estructurales separados en cajas con una base octal . En 1963, Robert Widlar (ingeniero de Fairchild Semiconductor ) diseñó el primer amplificador operacional de circuito integrado, el amplificador operacional integrado. Este amplificador operacional se convirtió en μA702. Con un precio de $300, el dispositivo, que contenía 9 transistores , se usó solo en electrónica militar. El primer amplificador operacional integrado disponible públicamente, el μA709, también diseñado por Widlar, se lanzó en 1965 . Poco después de su lanzamiento, su precio cayó por debajo de los 10 dólares, lo que seguía siendo demasiado caro para uso doméstico, pero bastante asequible para la automatización industrial masiva y otras aplicaciones civiles.

En 1967, National Semiconductor , donde Widlar se trasladó a trabajar, lanzó el amplificador operacional integrado LM101, y en 1968 Fairchild lanzó un amplificador operacional, casi idéntico al μA741 , el primer amplificador operacional con corrección de frecuencia incorporada. El amplificador operacional LM101/μA741 era más estable y fácil de usar que sus predecesores. Muchos fabricantes todavía producen versiones de este chip clásico (puede reconocerlos por el número "741" en los índices de modelos). Más tarde, los amplificadores operacionales también se desarrollaron sobre una base de elementos diferente: transistores de efecto de campo con una unión pn (finales de la década de 1970) y con una puerta aislada (principios de la década de 1980), lo que permitió mejorar significativamente una serie de características. Muchos de los amplificadores operacionales más modernos se pueden instalar en circuitos diseñados para el 741 sin ninguna modificación, y el rendimiento del circuito solo mejorará.

El uso de amplificadores operacionales en electrónica es extremadamente amplio. Un amplificador operacional es probablemente el elemento más común en los circuitos analógicos. La adición de solo unos pocos componentes externos hace que el amplificador operacional sea un circuito de procesamiento de señal analógica concreto . Muchos amplificadores operacionales estándar cuestan solo unos pocos centavos en grandes cantidades ( 1000 piezas ), pero los amplificadores personalizados (integrados o discretos) pueden costar $100 o más.

Notación

La figura muestra una representación esquemática de un amplificador operacional. Las conclusiones tienen los siguientes significados:

$V_{\mathrm {+} }$ - entrada no invertida;
V - - entrada inversora;
V fuera - salida;
V S + - más de la fuente de alimentación (también puede denominarse , o ); $V_{\mathrm {DD} }$ $V_{\mathrm {CC} }$ $V_{\mathrm {CC+} }$
V S− - menos la fuente de alimentación (también se puede indicar como , o ). $V_{\mathrm {SS} }$ $V_{\matemáticas {EE} }$ $V_{\mathrm {CC-} }$

Estas cinco conclusiones están presentes en cualquier SO y son necesarias para su funcionamiento. Sin embargo, existen amplificadores operacionales que no tienen una entrada no inversora [1] . En particular, tales amplificadores operacionales se utilizan en computadoras analógicas (ACM) .

Los amplificadores operacionales utilizados en los AVM generalmente se dividen en cinco clases, de las cuales los amplificadores operacionales de la primera y segunda clase tienen solo una entrada.

Los amplificadores operacionales de primera clase son amplificadores de alta precisión (UHT) con una sola entrada. Diseñado para trabajar como parte de integradores , sumadores , dispositivos de seguimiento y almacenamiento. Alta ganancia, valores extremadamente bajos de desplazamiento cero, corriente de entrada y deriva cero, alta velocidad reducen el error introducido por el amplificador por debajo del 0,01%.

Los amplificadores operacionales de la segunda clase son amplificadores de precisión media (MAP) que tienen una sola entrada, tienen una ganancia más baja y grandes valores de desplazamiento y deriva cero. Estos amplificadores operacionales están diseñados para usarse como parte de dispositivos electrónicos para establecer coeficientes, inversores, interruptores electrónicos, en convertidores funcionales, en dispositivos multiplicadores.

Además, algunos amplificadores operacionales pueden tener salidas adicionales, por ejemplo, para configurar la corriente de reposo, la corrección de frecuencia, el balanceo u otras funciones.

Los pines de alimentación ( V S+ y V S− ) se pueden etiquetar de manera diferente ( ver pines de alimentación del circuito integrado ). A menudo, los pines de alimentación no se dibujan en el circuito para no saturarlo con detalles irrelevantes, mientras que el método para conectar estos pines no se indica explícitamente ni se considera obvio (esto sucede especialmente cuando se representa un amplificador de un microcircuito con cuatro amplificadores con clavijas de alimentación comunes). Al designar el amplificador operacional en los diagramas, puede intercambiar las entradas inversoras y no inversoras, si es conveniente. Los pines de alimentación generalmente siempre se ubican de una manera (positivo en la parte superior).

Fundamentos de funcionamiento

Comida

En general, el op-amp utiliza potencia bipolar , es decir, la fuente de alimentación tiene tres salidas con los siguientes potenciales:

U + , al que está conectado V S+ ;
0 (potencial cero);
U - al que está conectado V S- .

La salida de la fuente de alimentación de potencial cero generalmente no se conecta directamente al amplificador operacional, pero, como regla, es una señal a tierra y se usa para crear retroalimentación . A menudo, en lugar de bipolar, se usa un unipolar más simple, y un punto común se crea artificialmente o se combina con un riel de alimentación negativo.

Los amplificadores operacionales son capaces de operar en una amplia gama de voltajes de suministro de energía, un valor típico para los amplificadores operacionales de propósito general es de ± 1.5 V [2] a ± 15 V con suministro bipolar (es decir, U + \u003d 1.5 ... 15 V, U - \u003d -15 ...-1.5 V, se permite una distorsión significativa).

La inclusión más simple de un amplificador operacional

Considere la operación del amplificador operacional como un amplificador diferencial separado, es decir, sin incluir ningún componente externo en consideración. En este caso, el amplificador operacional se comporta como un amplificador convencional con entrada diferencial, es decir, el comportamiento del amplificador operacional se describe a continuación:

V_{\mathrm {salida} }=(V_{+}-V_{-})\cdot G_{\mathrm {bucle abierto} },

(una)

dónde

V out - voltaje de salida;
V + - voltaje en la entrada no inversora;
V - voltaje en la entrada inversora;
G openloop : ganancia de bucle abierto, es decir, la ganancia propia del amplificador operacional, sin retroalimentación.

Todos los voltajes se consideran relativos al punto común del circuito. El método considerado para encender el sistema operativo (sin retroalimentación) prácticamente no se usa [3] debido a sus serios inconvenientes inherentes:

la ganancia intrínseca está normalizada en un rango muy amplio y puede variar miles de veces (depende sobre todo de la frecuencia y la temperatura de la señal);
la ganancia propia es muy alta (valor típico 10 6 en DC ) y no se puede ajustar;
el punto de referencia de los voltajes de entrada y salida no se puede ajustar.

El amplificador operacional ideal

Para considerar la operación de un amplificador operacional en un modo de retroalimentación, primero es necesario introducir el concepto de un amplificador operacional ideal . El amplificador operacional ideal es una abstracción física , es decir, no puede existir realmente, sin embargo, puede simplificar significativamente la consideración del funcionamiento de los circuitos en el amplificador operacional mediante el uso de modelos matemáticos simples.

Un amplificador operacional ideal se describe mediante la fórmula (1) y tiene las siguientes características:

ganancia intrínseca infinitamente grande [4] ;
la resistencia de entrada infinitamente grande de las entradas V - y V + , es decir, la corriente que fluye a través de estas entradas es cero;
impedancia de salida cero de la salida del amplificador operacional;
la capacidad de configurar la salida a cualquier valor de voltaje;
una tasa infinitamente alta de aumento de voltaje en la salida del amplificador operacional;
ancho de banda desde DC hasta el infinito.

Los puntos 5 y 6 en realidad se derivan de la fórmula (1), ya que no incluye retrasos de tiempo ni cambios de fase. De la fórmula (1) se deduce que para mantener el voltaje deseado en la salida, es necesario mantener la siguiente diferencia de voltaje de entrada:

$V_{+}-V_{-}={\frac {V_{\mathrm {salida}}}{G_{\mathrm {lazo abierto} }}}$

Dado que la ganancia intrínseca de un amplificador operacional ideal es infinitamente grande, la diferencia de voltaje de entrada tiende a cero. Esto implica la propiedad más importante de un amplificador operacional ideal, que simplifica la consideración de los circuitos que lo utilizan:

Un amplificador operacional ideal cubierto por retroalimentación negativa mantiene el mismo voltaje en sus entradas [5] [6]

En otras palabras, bajo estas condiciones, la igualdad siempre se cumple:

V_{+}-V_{-}=0

(2)

No debe pensar que el amplificador operacional iguala los voltajes en sus entradas aplicando voltaje a las entradas "desde adentro". De hecho, el amplificador operacional ajusta la salida a un voltaje que, a través de la retroalimentación, actuará sobre las entradas de tal manera que la diferencia de voltaje de entrada se reduzca a cero.

Es fácil comprobar la validez de la igualdad (2). Supongamos que se viola (2): hay una pequeña diferencia de voltaje. Entonces, el voltaje diferencial de entrada, amplificado en el amplificador operacional, causaría (debido a la ganancia infinita) un voltaje de salida infinitamente grande que, de acuerdo con la definición de FOS , reduciría aún más la diferencia en los voltajes de entrada. Y así sucesivamente hasta que se satisfaga la igualdad (2). Tenga en cuenta que el voltaje de salida puede ser cualquier cosa: está determinado por el tipo de retroalimentación y el voltaje de entrada.

Los circuitos de retroalimentación más simples

A partir de la consideración del principio de funcionamiento de un amplificador operacional ideal, sigue una técnica muy simple para diseñar circuitos:

Sea necesario construir un circuito en un amplificador operacional con las propiedades requeridas. Las propiedades requeridas se encuentran principalmente en el estado especificado de la salida (voltaje de salida, corriente de salida, etc.), que puede depender de alguna acción de entrada. Para crear un circuito, debe conectar dicha retroalimentación al amplificador operacional para que, con el estado de salida requerido, los voltajes en las entradas del amplificador operacional (inversor y no inversor) sean iguales, y la retroalimentación sería ser negativo.

Así, el estado requerido del sistema será un estado estable de equilibrio, y el sistema estará en él indefinidamente [7] . Usando este enfoque simplificado, no es difícil obtener el circuito amplificador no inversor más simple.

Se requiere que el amplificador tenga un voltaje de salida que difiera de la entrada una vez, es decir . De acuerdo con la metodología anterior, aplicamos la señal de entrada a la entrada no inversora del amplificador operacional y parte de la señal de salida del divisor resistivo a la entrada inversora . $k$ $U_{salida}=U_{entrada}\cdot K$

El cálculo de la ganancia real para un amplificador ideal (o real, pero que se puede considerar ideal con ciertas suposiciones) es muy sencillo. Tenga en cuenta que en el caso de que el amplificador esté en un estado de equilibrio, los voltajes en sus entradas pueden considerarse iguales. Con base en esto, se deduce que la caída de voltaje en la resistencia es , y en todo el divisor con resistencia , cae . Tenga en cuenta que dado que la impedancia de entrada del amplificador operacional es muy alta, la corriente que fluye hacia la entrada inversora (-) del amplificador puede despreciarse y se puede suponer que la corriente que fluye a través de las resistencias divisorias es la misma. La corriente a través es igual , ya través de todo el divisor . $R_{1}$ $V_{en}$ $R_{1}+R_{2}$ $V_{fuera}$ $R_{1}$ $I_{R_{1}}={\frac{V_{in}}{R_{1}}}$ $I_{R_{1}+R_{2}}={\frac {V_{fuera}}{R_{1}+R_{2}}}$

De este modo:

$I_{R_{1}}=I_{R_{1}+R_{2}}$

Dónde:

${\frac{V_{entrada}}{R_{1}}}={\frac {V_{salida}}{R_{1}+R_{2}}}$

$V_{fuera}=V_{entrada}\cdot {\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}=V_{entrada}\cdot \left(1+{\frac {R_{ 2}}{R_{1}}}}\derecha)$

Puedes discutir un poco más fácil, inmediatamente notando eso . ${\frac{V_{salida}}{V_{entrada}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}$

Cabe señalar que en un circuito de conmutación no inversor, la ganancia de voltaje siempre es mayor o igual a 1, independientemente de los valores de las resistencias utilizadas. Si la resistencia es cero, entonces obtenemos un seguidor de voltaje no inversor que tiene una ganancia de voltaje de 1. $R_{2}$

Y porqué:

$\forall n\in \mathbb {R} ^{+}\lim _{n\to \infty }{\frac {0}{n}}=0$ ,

entonces la resistencia puede eliminarse simplemente, tomándola igual a infinito. $R_{1}$

Por lo tanto, el coeficiente de transferencia de un amplificador construido sobre un amplificador operacional con una ganancia suficientemente grande depende prácticamente solo de los parámetros de retroalimentación. Esta útil función permite diseñar sistemas con ganancias muy estables, como las que se necesitan en las medidas y el procesamiento de señales.

Para un amplificador operacional conectado de acuerdo con un circuito inversor, el cálculo bajo las suposiciones hechas tampoco es difícil. Para hacer esto, debe tenerse en cuenta que el voltaje en el punto medio del divisor, es decir, en la entrada inversora (-) del amplificador, es 0 (la llamada tierra virtual). Por lo tanto, las caídas de voltaje a través de las resistencias son iguales, respectivamente, a los voltajes de entrada y salida. También se puede suponer que la corriente a través de las resistencias es la misma, ya que prácticamente no hay corriente a través de la entrada inversora (-), como se indicó anteriormente.

De aquí:

${\frac {V_{in}}{R_{in}}}=-{\frac {V_{out}}{R_{f}}}$

$V_{salida}=-V_{entrada}\cdot {\frac {R_{f}}{R_{entrada}}}$

Cabe señalar que en un circuito de conmutación inversor, la ganancia puede ser mayor o menor que la unidad y depende de los valores de las resistencias divisoras. Es decir, el amplificador se puede utilizar como atenuador activo ( atenuador) del voltaje de entrada. La ventaja de esta solución sobre un atenuador pasivo es que, desde el punto de vista de la fuente de señal, el atenuador parece una resistencia de carga normal conectada entre la señal y tierra (en este caso, la llamada “virtual”), que es decir, es una carga resistiva normal (por supuesto, sin tener en cuenta las capacitancias e inductancias parásitas). Esto simplifica enormemente el cálculo de la influencia de la carga en la fuente de la señal y su adaptación mutua.

Diferencias entre amplificadores operacionales reales e ideales

Los parámetros del amplificador operacional que caracterizan su imperfección se pueden dividir en grupos:

Parámetros DC

Ganancia limitada : el factor de bucle abierto G no es infinito (típicamente 10 5 ÷ 10 6 DC). Este efecto es perceptible solo en los casos en que la ganancia de la cascada con el amplificador operacional difiere del parámetro G de lazo abierto en un pequeño número de veces (la ganancia de la cascada difiere de la G de lazo abierto en 1 o 2 órdenes de magnitud o incluso menos) .
Corriente de entrada distinta de cero (o, casi lo mismo, resistencia de entrada limitada ): los valores típicos de corriente de entrada son 10 -9 ÷ 10 -12 A. Esto impone restricciones en el valor máximo de la resistencia en el circuito de retroalimentación, así como sobre la posibilidad de hacer coincidir el voltaje con la fuente de la señal. Algunos amplificadores operacionales tienen circuitos adicionales en la entrada para proteger la entrada del voltaje excesivo; estos circuitos pueden degradar significativamente la impedancia de entrada. Por lo tanto, algunos amplificadores operacionales se producen en una versión protegida y desprotegida.
Impedancia de salida distinta de cero . Esta limitación no es de gran importancia a bajas frecuencias o con una pequeña capacidad de carga, ya que la presencia de retroalimentación reduce efectivamente la impedancia de salida de la etapa en el amplificador operacional (casi a valores arbitrariamente pequeños).
Voltaje de polarización distinto de cero : el requisito de igualdad de los voltajes de entrada en el estado activo para los amplificadores operacionales reales no es del todo exacto: el amplificador operacional busca mantener no exactamente cero voltios entre sus entradas, sino un pequeño voltaje ( voltaje de polarización ) . En otras palabras, un amplificador operacional real se comporta como un amplificador operacional ideal, que tiene un generador de voltaje con EMF U cm conectado en serie con una de las entradas . El voltaje de polarización es un parámetro muy importante, limita la precisión del amplificador operacional, por ejemplo, al comparar dos voltajes. Los valores típicos de U cm son 10 -3 ÷ 10 -6 V. Durante el funcionamiento del circuito, dependiendo de las condiciones externas, como temperatura, tensión de alimentación, tiempo de funcionamiento, la tensión de polarización experimenta una deriva impredecible (dentro de los límites dados en la documentación), incluso con cambio de signo. Por eso, este sesgo no puede compensarse mediante el ajuste o la calibración, ni mejorarse de ninguna otra manera, además de elegir un amplificador operacional más preciso.
Ganancia de modo común distinta de cero . Un amplificador operacional ideal amplifica solo la diferencia en los voltajes de entrada, mientras que los voltajes en sí mismos no importan. En los amplificadores operacionales reales, el valor del voltaje de modo común de entrada tiene algún efecto sobre el voltaje de salida. Este efecto está determinado por el parámetro de relación de rechazo de modo común ( CMRR ) , que muestra cuántas veces el incremento de voltaje de salida es menor que el incremento de voltaje de modo común en la entrada del amplificador operacional que lo causó. Valores típicos: 10 4 ÷ 10 6 .

Parámetros AC

Ancho de banda limitado . Cualquier amplificador tiene un ancho de banda finito, pero el factor de ancho de banda no es particularmente significativo para los amplificadores operacionales, ya que se ecualizan internamente para aumentar el margen de fase .
Capacitancia de entrada distinta de cero . Forma un filtro de paso alto parásito .
Retardo de señal distinto de cero . Este parámetro, que está indirectamente relacionado con la limitación del ancho de banda, puede degradar el rendimiento del OOS con el aumento de las frecuencias operativas.
Tiempo de recuperación distinto de cero después de la saturación .

Efectos no lineales

Saturación : limita el rango de posibles valores de voltaje de salida. Normalmente, el voltaje de salida no puede ir más allá del voltaje de suministro. La saturación ocurre cuando el voltaje de salida "debería ser" mayor que el máximo o menor que el voltaje de salida mínimo. El amplificador operacional no puede salirse de los límites y las partes sobresalientes de la señal de salida se "cortan" (es decir, se recortan).

En los momentos de saturación, el amplificador no actúa de acuerdo con la fórmula (1), lo que provoca una falla en el funcionamiento del OOS y la aparición de una diferencia de voltaje en sus entradas, lo que suele ser señal de un mal funcionamiento del circuito (y esto es un signo fácilmente detectable de problemas para el instalador). Una excepción es el funcionamiento del amplificador operacional en modo comparador .

Velocidad de respuesta limitada . El voltaje de salida de un amplificador operacional no puede cambiar instantáneamente. La tasa de cambio del voltaje de salida se mide en voltios por microsegundo, los valores típicos son 1÷100 V/µs. El parámetro está determinado por el tiempo requerido para recargar los tanques internos. La velocidad de respuesta limitada del voltaje de salida conduce a la aparición de un tipo especial de distorsión dinámica de la señal en los amplificadores operacionales. El motivo de su aparición es que en el primer momento después de aplicar un salto de voltaje a la entrada, la retroalimentación negativa del amplificador operacional resulta estar abierta y la primera etapa del amplificador operacional ingresa al modo de saturación, enriqueciendo el señal con distorsiones armónicas y de intermodulación.

Límites de corriente y tensión

Tensión de salida limitada . Para cualquier amplificador operacional, el potencial de salida no puede ser mayor que el potencial del riel de alimentación positivo y no puede ser menor que el potencial del riel de alimentación negativo (si no hay carga, o si es resistivo y no contiene una fuente de corriente). ). En otras palabras, el voltaje de salida no puede ir más allá del voltaje de suministro. Por ejemplo, para un amplificador operacional opa277 [1] Archivado el 10 de julio de 2007 en Wayback Machine , el voltaje de salida varía de V S− +0.5 V a V S+ −2 V con una resistencia de carga de 10 kΩ . El ancho de estas "zonas muertas" del voltaje de salida, que la salida del amplificador operacional no puede alcanzar, depende de una serie de condiciones (resistencia de carga, dirección de la corriente de salida, etc.). Hay amplificadores operacionales que tienen zonas muertas mínimas, como 50 mV a los rieles de alimentación Wayback Machineel 26 de enero de 2007 enArchivado [2]opa340elpara10 kΩa
Corriente de salida limitada . La mayoría de los amplificadores operacionales de uso general tienen una protección contra sobrecorriente incorporada, normalmente una corriente máxima de 25 mA . La protección evita el sobrecalentamiento y la falla del amplificador operacional.

Salida de potencia limitada . La mayoría de los amplificadores operacionales están diseñados para aplicaciones que no demandan potencia: la resistencia de carga no debe ser inferior a 2 kOhm .

Clasificación de OU

Por tipo de elemento base [8]

Por ámbito

Los amplificadores operacionales producidos por la industria se mejoran constantemente, los parámetros del amplificador operacional se acercan al ideal. Sin embargo, es técnicamente imposible o poco práctico mejorar todos los parámetros simultáneamente debido al alto costo del chip resultante. Para ampliar el alcance de los amplificadores operacionales, se producen varios tipos de ellos, en cada uno de los cuales se destacan uno o más parámetros, y el resto está en el nivel habitual (o incluso un poco peor). Esto se justifica, ya que, según el ámbito de aplicación, el SO requiere un valor alto de uno u otro parámetro, pero no todos a la vez. De aquí se sigue la clasificación de OU por áreas de aplicación.

Estándar de la industria . Este es el nombre de los amplificadores operacionales de propósito general muy baratos y ampliamente utilizados con características promedio. Un ejemplo de amplificadores operacionales "clásicos": con una entrada bipolar: LM324 Copia de archivo con fecha del 24 de noviembre de 2006 en Wayback Machine , con entrada de campo: TL084 Copia de archivo con fecha del 13 de febrero de 2009 en Wayback Machine .
Los amplificadores operacionales de precisión tienen voltajes de polarización muy bajos y se utilizan en circuitos de medición precisos. Por lo general, los amplificadores operacionales en transistores bipolares son algo mejores en este indicador que en los de campo. Además, los amplificadores operacionales de precisión requieren una estabilidad a largo plazo de los parámetros. Las compensaciones excepcionalmente pequeñas tienen amplificadores operacionales estabilizados por interrupción . Ejemplos: AD707, AD708, con polarización de 30 µV y el último AD8551 . Archivado el 11 de octubre de 2010 en Wayback Machine con una polarización típica de 1 µV.
Con una pequeña corriente de entrada ( electrométrica ) OU. Todos los amplificadores operacionales que tienen transistores de efecto de campo en la entrada tienen una corriente de entrada baja. Pero entre ellos hay amplificadores operacionales especiales con una corriente de entrada extremadamente baja. Para aprovechar plenamente sus beneficios, al diseñar dispositivos que los utilicen, incluso es necesario tener en cuenta las fugas de corriente a lo largo de la placa de circuito impreso. Ejemplo: AD549 Archivado el 28 de enero de 2007 en Wayback Machine con una corriente de entrada de 6⋅10 −14 A.
Los amplificadores operacionales programables y de micropotencia consumen poca corriente para su propia fuente de alimentación. Dichos amplificadores operacionales no pueden ser rápidos, ya que el bajo consumo de corriente y la alta velocidad son requisitos mutuamente excluyentes. Los amplificadores operacionales se denominan programables, para los cuales todas las corrientes de reposo internas se pueden configurar utilizando una corriente externa suministrada a una salida especial del amplificador operacional.
Los amplificadores operacionales potentes ( de alta corriente ) pueden proporcionar una gran corriente a la carga, es decir, la resistencia de carga permitida es inferior a los 2 kOhm estándar y puede ser de hasta 50 ohmios .
Los amplificadores operacionales de bajo voltaje funcionan con un voltaje de suministro de 3 V e incluso menos. Por regla general, tienen una salida de riel a riel .
amplificadores operacionales de alto voltaje . Todos los voltajes para ellos (suministro, entrada de modo común, salida máxima) son mucho más altos que para los amplificadores operacionales de propósito general.
Los amplificadores operacionales rápidos tienen una alta velocidad de respuesta y una frecuencia de ganancia unitaria. Dichos amplificadores operacionales no pueden ser de micropotencia y, por regla general, se fabrican en transistores bipolares.
Amplificadores operacionales de bajo ruido .
Sistema operativo de sonido . Tienen el contenido armónico más bajo posible ( THD ). Ejemplos: LM4562 (THD 0,00003%), OPA2132 (THD 0,00008%), LME49600 (THD 0,00003%), AD797 (THD 0,0001%), etc.
Para suministro único . Los amplificadores operacionales CMOS brindan un voltaje de salida que es casi igual al voltaje de suministro (riel a riel, R2R), los amplificadores operacionales bipolares brindan aproximadamente 1.2 V menos, lo cual es significativo a valores bajos de Ucc.
Amplificadores operacionales de diferencia ( amplificador de diferencia en inglés , que no debe confundirse con amplificador diferencial ). Tienen una excelente relación de rechazo de voltaje de modo común ( CMRR ). Miden voltajes bajos en el contexto de fuertes interferencias, lo cual es típico, por ejemplo, para derivaciones de corriente. Ejemplos: INA214, INA333.
Amplificador operacional (o más precisamente, etapas de amplificación listas para usar) con una ganancia variable.
Amplificadores operacionales especialmente diseñados para operar como comparador o en modos no lineales similares. Disponer de medios para reducir los efectos de saturación. En comparación con los amplificadores operacionales universales, la velocidad y la precisión del trabajo serán mayores.
SO especializado . Suele estar diseñado para tareas específicas: por ejemplo, conectar un fotosensor o un cabezal magnético a una entrada; salida de los altavoces. Pueden contener circuitos OOS listos para usar o resistencias de precisión separadas necesarias para esto.

También son posibles combinaciones de estas categorías, por ejemplo, un amplificador operacional de precisión de alta velocidad .

Otras clasificaciones

Para señales de entrada:

amplificador operacional convencional de dos entradas;
Amplificador operacional de tres entradas [9] : la tercera entrada, que tiene una ganancia de +1 (para la cual se usa retroalimentación interna), se usa para expandir las capacidades del amplificador operacional, por ejemplo, la compensación de voltaje de las señales de salida en relación con las señales de entrada, o la capacidad de construir una cascada con una impedancia de modo común de salida alta , que se asemeja a un transformador con dos devanados, pero la cascada en el AD8132 también transmite corriente continua, que el transformador no puede.

Para señales de salida:

Amplificador operacional convencional con una salida;
Amplificador operacional con salida diferencial [10]

El uso de amplificadores operacionales en circuitos

El uso de un amplificador operacional como elemento de un circuito es mucho más simple y claro que operar con los elementos individuales que lo componen (transistores, resistencias, etc.). Al diseñar dispositivos en la primera etapa (aproximada), los amplificadores operacionales pueden considerarse ideales. Además, para cada amplificador operacional, se determinan los requisitos que le impone el circuito y se selecciona un amplificador operacional que cumple con estos requisitos. Si resulta que los requisitos para el amplificador operacional son demasiado estrictos, puede rediseñar parcialmente el circuito para evitar este problema.

Diagrama esquemático de un amplificador operacional

Circuitos amplificadores operacionales

Aplicaciones

Los amplificadores operacionales se utilizan en los siguientes dispositivos:

preamplificadores y amplificadores de búfer para el rango de frecuencias de audio y video;
comparadores de tensión ;
amplificadores diferenciales ;
diferenciadores e integradores ;
filtros ;
rectificadores de alta precisión ;
estabilizadores de voltaje y corriente;
calculadoras analógicas;
convertidores de analógico a digital ;
convertidores de digital a analógico ;
generadores de señales ;
convertidores de corriente-voltaje y voltaje-corriente.
transmisión de datos y control de líneas de comunicación.

Véase también

Notas

↑ ¿Amplificador operacional? ¡Es muy simple! Archivado el 22 de mayo de 2012 en Wayback Machine // cxem.net .
↑ Para los amplificadores operacionales de uso general, el voltaje de suministro mínimo es ligeramente superior a ±1,5 V. Para un funcionamiento eficiente con voltajes de suministro bajos, existe una clase especial de amplificadores operacionales de bajo voltaje.
↑ La única excepción es el comparador analógico más simple .
↑ Esto parecería ser una suposición sin sentido, ya que siempre tendría un voltaje infinito en la salida, excepto en el raro caso en que los voltajes en las entradas V - y V + sean iguales. En realidad, el voltaje de salida, incluso en un modelo teórico, siempre está limitado debido al uso de retroalimentación negativa.
↑ Al cambiar el voltaje de salida
↑ Si el sistema (SO con OS ) es estable
↑ Este es un enfoque muy simplista, de hecho, se deben tener en cuenta otros posibles equilibrios, así como una serie de otros factores.
↑ Por tipo de elemento base utilizado para construir circuitos de entrada (puente)
↑ AD8132 es un amplificador operacional que tiene una tercera entrada con ganancia de +1 . Consultado el 2 de mayo de 2009. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2009. (indefinido)
↑ AD8132: amplificador operacional con salida diferencial . Consultado el 2 de mayo de 2009. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2009. (indefinido)

Enlaces

¿Amplificador operacional? ¡Es muy simple! Archivado el 22 de mayo de 2012 en Wayback Machine // cxem.net .
Amplificadores operacionales en audio Archivado el 19 de septiembre de 2012 en Wayback Machine // cxem.net .
Una explicación del funcionamiento del amplificador operacional "en los dedos" Copia de archivo del 23 de septiembre de 2009 en Wayback Machine // easyelectronics.ru.
Amplificador operacional Archivado el 1 de enero de 2013 en Wayback Machine // easyelectronics.ru .
Un análisis detallado del trabajo y las "matemáticas analógicas" del circuito del controlador de velocidad en el amplificador operacional . Archivado el 9 de abril de 2009 en Wayback Machine // easyelectronics.ru .
Horowitz P., Hill W. El arte de los circuitos : en 3 volúmenes: T. 1. Per. del inglés - 4ª ed., revisada. y agregar - M .: Mir, 1993. - 413 p., il. ISBN 5-03-002337-2 .
Curso de conferencias Copia de archivo fechada el 14 de abril de 2006 en Wayback Machine // gaw.ru.
Wikibook sobre amplificadores operacionales .
Descripción de algunas aplicaciones comunes de amplificadores operacionales. Archivado el 6 de septiembre de 2009 en Wayback Machine .
Gran colección de circuitos op-amp con fuente de alimentación unipolar (ing.) .
Una colección de circuitos típicos que utilizan amplificadores operacionales de National Instruments (inglés) .
Conceptos básicos del amplificador operacional por Harry Lythall. (ing.) Fundamentos de aplicación de OU.
Manual de aplicaciones de amplificadores operacionales Archivado el 16 de junio de 2011 en Wayback Machine . Gran libro sobre el uso de OU.
Convertidores logarítmicos y otros amplificadores operacionales (ing.) .
Amplificadores operacionales . Artículo informativo sobre OU.
Los amplificadores operacionales más populares Archivado el 27 de octubre de 2012 en Wayback Machine . Informacion de referencia.

Literatura

Polonnikov D. E. Amplificadores operacionales. Principios de construcción, teoría, circuitería. - M., Energoatomizdat, 1983. - 216 p.