Amplificadores

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Amplificador operacional

Un amplificador operacional, a menudo conocido op-amp por sus siglas en inglés (operational amplifier) es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.

Historia

El concepto del amplificador operacional surgió hacia 1947, como un dispositivo construido con tubos de vacío, 1 como parte de las primeras computadoras analógicas dentro de las cuales ejecutaban operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.), de lo cual se originó el nombre por el cual se le conoce.

El primer amplificador operacional monolítico construido como circuito integrado, fue desarrollado en 1964 en la empresa Fairchild Semiconductor por el ingeniero electricista estadounidense Robert John Widlar y llevó el número de modelo μA702.

A éste le siguió el μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular μA741 (1968), desarrollado por David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar, el cual se convirtió en estándar de la industria electrónica. Principio de operación

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

Amplificador de tensión: proporciona ganancia de tensión.

Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Éste también proporciona una ganancia adicional.1

El dispositivo posee dos entradas: una entrada no inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como V + y otra inversora (–) sometida a una tensión V −

En forma ideal, el dispositivo amplifica solamente la diferencia de tensión en las entradas, conocida como tensión de entrada diferencial ( v in = V + − V − . La tensión o voltaje de salida del dispositivo V o u t está dada por la ecuación:

V out = A OL ( V + − V − ) = A OL V in en la cual A O L representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como “lazo (o bucle) abierto”. En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180° para algunas aplicaciones especiales.

Características del amplificador operacional

Amplificador operacional ideal

Infinita ganancia en lazo abierto A O L {\displaystyle A_{\rm {OL}}} {\displaystyle A_{\rm {OL}}}

Infinita resistencia de entrada, R i n {\displaystyle R_{\rm {in}}} {\displaystyle R_{\rm {in}}}

Corriente de entrada cero.

Voltaje de desequilibrio de entrada cero.

Infinito rango de voltaje disponible en la salida.

Infinito ancho de banda con desplazamiento de fase cero.

Rapidez de variación de voltaje infinita.

Resistencia de salida R o u t {\displaystyle R_{\rm {out}}} {\displaystyle R_{\rm {out}}} cero.

Ruido cero.

Infinito rechazo de modo común (CMRR)

Infinito factor de rechazo a fuente de alimentación (PSRR).

Estas características se pueden resumir en dos “reglas de oro”:

En el lazo cerrado la salida intenta hacer los necesario para hacer cero la diferencia de voltaje entre las entradas.

Las corrientes de entrada al dispositivo son cero.3

Amplificador operacional real

El amplificador real difiere del ideal en varios aspectos:

Ganancia en lazo abierto, para corriente continua, desde 100.000 hasta más de 1.000.000.

Resistencia de entrada finita, desde 0,3 MΩ en adelante.

Resistencia de salida no cero.

Corriente de entrada no cero, generalmente de 10 nA en circuitos de tecnología bipolar.

Voltaje de desequilibrio de entrada no cero, en ciertos dispositivos es de ±15 mV

Rechazo de modo común no infinito, aunque grande, en algunos casos, de 80 a 95 dB.

Rechazo a fuente de alimentación no infinito.

Características afectadas por la temperatura de operación.

Deriva de las características, debido al envejecimiento del dispositivo.

Ancho de banda finito, limitado a propósito por el diseño o por características de los materiales.

Presencia de ruido térmico.

Presencia de efectos capacitivos en la entrada por la cercanía de los terminales entre sí.

Corriente de salida limitada.

Potencia disipada limitada.

Aplicaciones Véase también: Anexo:Amplificadores operacionales con realimentación negativa

Las aplicaciones más comunes de los amplificadores operacionales son las siguientes:

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