AMPLIFICADORES OPERACIONALES

¿PORQUÉ DEL TUTORIAL?

El objetivo de este tutorial será explicar de manera sencilla que son los amplificadores operacionales, cómo funcionan, características técnicas, parámetros importantes y configuraciones básicas. Si te interesa entender más acerca de los amplificadores operacionales y comprender como funcionan, en el siguiente tutorial se explicará de manera sencilla todo lo relevante de estos amplificadores operacionales.

INTRODUCCIÓN

Los amplificadores operacionales son considerados como los dispositivos electrónicos mas versátiles y de mayor uso en aplicaciones lineales, comúnmente a estos amplificadores se les conoce como OP AMP por sus siglas en inglés, que son amplificadores diferenciales de muy alta ganancia con alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Estos amplificadores permiten construir útiles circuitos sin tener un conocimiento amplio. Por lo común los amplificadores operacionales internamente cuentan con circuitos de protección lo que les permite resistir errores de conexión que los puedan dañar.

HISTORIA

El concepto del amplificador operacional surgió hacia 1947, como un dispositivo construido con tubos de vacío, como parte de las primeras computadoras analógicas.

El término “Operacional” de estos amplificadores originalmente se refiere a operaciones matemáticas. Los primeros amplificadores operacionales se usaban en circuitos para sumar, restar, multiplicar e incluso resolver ecuaciones diferenciales. Con la llegada de las computadoras digitales estas operaciones se han mejorado mucho tanto en velocidad, precisión y versatilidad, sin embargo, los amplificadores operacionales se han orientado para el procesamiento de señales digitales.

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.

¿QUÉ SON LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES?

Los amplificadores operacionales son circuitos integrados “CI”, considerados como dispositivos electrónicos de alta ganancia, capaces de realizar una gran cantidad de funciones dentro de un circuito electrónico, dependiendo de como se configure y se polarice tendrá una función o aplicación en específico.

LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES SE ESPECIALIZAN

Con la llegada de los amplificadores operacionales fue inevitable la mejora continua de los mismos los cuales han tenido un rediseño para mejorar, optimizar y añadir ciertas características. Se diseñaron circuitos integrados de función en especial, en los que hay mas de un amplificador operacional, para un fin en específico y funciones complejas.

Cada amplificador operacional cuenta con una hoja de datos conocido como Datasheet, para consultarlo y darse cuenta de la gran variedad de funciones y características técnicas. Algunos ejemplos donde se utilizan y se especializan son:

  1. Instrumentación y control automotrices.
  2. Circuitos integrados para comunicaciones.
  3. Circuitos integrados para radio, audio y video.
  4. Circuitos integrados para electrómetros usados en circuitos con impedancia de entrada muy elevada.
  5. Circuitos integrados que funcionen con una sola fuente de alimentación.
  6. Circuitos integrados que funcionen con fuentes de alimentación bipolares.

Para entender mas acerca de los amplificadores operacionales es necesario que comprenda como funciona uno de sus componentes principales.

¿CÓMO FUNCIONA UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE PROPÓSITO GENERAL?

Para explicar el funcionamiento de los amplificadores operacionales se hablará del amplificador operacional de uso general LM741CN el cual se ha utilizado durante años y es aún es excelente dispositivo para iniciar a comprender como funcionan los amplificadores operacionales, debido a que es fácil de adquirir, es resistente y de fácil configuración, el símbolo del amplificador es el siguiente:

Img. 1 Símbolo del amplificador operacional de propósito general.  La numeración de las terminales corresponden a un circuito integrado miniDIP de 8 terminales.

En la Img. 1 se muestra un triángulo que apunta hacia la dirección del flujo de la señal. El número de identificación es el que se encuentra dentro del triángulo, este designa al amplificador operacional con características específicas. El 741C que se muestra en este caso es el amplificador operacional de propósito general y se mencionara a lo largo de este tutorial.

Todos los amplificadores operacionales poseen por lo menos 5 terminales:

  1. Terminal de fuente de poder positiva, VCC o +V, corresponde a la terminal 7.
  2. Terminal de fuente de poder negativa, VEE o -V, corresponde a la terminal 4.
  3. Terminal de salida, corresponde a la terminal 6.
  4. Terminal de entrada no inversora, + , corresponde a la terminal 3.
  5. Terminal de entrada inversora, – , corresponde a la terminal 2.

Algunos amplificadores operacionales de propósito general cuentan mas terminales especializadas. Las terminales que se mencionaron anterior mente se refieren al encapsulado miniDIP de ocho terminales. En la Img.2 se puede observar el encapsulado del miniDIP de 8 terminales.

Img. 2 Encapsulado del miniDIP de 8 terminales

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.

Los usos típicos de los amplificadores operacionales es proporcionar cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtrado y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un amplificador operacional contiene varias etapas de amplificadores diferenciales para alcanzar una muy alta ganancia de voltaje.

¿ESTRUCTURA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES?

Los amplificadores operacionales están diseñados internamente por distintas técnicas de fabricación

Al principio solo se disponía de la integración de transistores bipolares en su interior, en tanto que actualmente se dispone de un cúmulo de dispositivos en los que se utilizan transistores de efecto de campo dentro del amplificador operacional.

Los transistores de efecto de campo de unión a la entrada consumen corrientes muy pequeñas que permiten la variación de los voltajes de entrada dentro de los límites de la fuente de alimentación.

Los transistores MOS (metal-oxido-semiconductor) de los circuitos de salida permiten que ésta varé dentro de los limites de los milivolts respecto de la fuente de alimentación.

Los amplificadores operacionales diseñados con entradas bipolares o salidas complementarias MOS, apropiadamente le denominamos BiMOS, son más rápidos y tienen una mejor respuesta a la frecuencia que los amplificadores operacionales de propósito general.

Los fabricantes también han diseñado encapsulados dobles, aplicando 2 amplificadores operacionales en un mismo encapsulado, de igual manera realizando arreglos cuádruples de amplificadores operacionales en un mismo encapsulado. De esta manera, el encapsulado que solo tenía un solo amplificador de voltaje ahora tiene 2 o 4 amplificadores.

En el encapsulado cuádruple, los 4 amplificadores operacionales comparten la misma fuente de poder y las mismas terminales de tierra o GND.

Los amplificadores operacionales se fabrican en un microcircuito de silicio y se encapsula en un recipiente adecuado, mediante finos a alambres se conecta un microcircuito con terminales externas que salen en un encapsulado de metal, plástico o cerámica, los típicos encapsulados son los DIP-8 y DIP-14. En la imagen 3 se puede observar el esquemático de estos encapsulados y la diferencia entre ellos es la cantidad de amplificadores operacionales.

Img. 3 Esquemático de los encapsulados DIP-8 y DIP14.

Todos cuentan con una ranura y un punto donde se empieza a enumerar las terminales en sentido contrario a las manecillas del reloj.

PARÁMETROS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Los parámetros que caracterizan a un amplificador son los siguientes

• A = Ganancia del amplificador. Grado de amplificación. La ganancia (A), es la relación entre la salida y la entrada. Se puede distinguir entre ganancia de tensión, corriente y potencia.
• Ve = Tensión de entrada.
• Ie = Intensidad de entrada.
• Ze = Impedancia de entrada.
• Vs = Tensión de salida.
• Is = Intensidad de salida.
• Zs = Impedancia de salida.
• Av = Vs/Ve ganancia de tensión.
• AI = Is/Ie ganancia de corriente.
• Ap = Ps/Pe = Av.AI ganancia de potencia.

Configuraciones de los amplificadores operacionales:

• Amplificador inversor y no inversor
• Amplificador sumador y restador
• Amplificador de instrumentación
• Amplificador de transductancia
• Amplificador comparador
• Amplificador detector de ventana
• Amplificador de diferencial
• Amplificador algorítmico
• Amplificador multiplicador y divisor
• Derivador e integrador
• multiplicador y mezclador
• Filtro activo pasa altas, pasa bajos y pasa banda
• Fuente de voltaje de referencia
• Fuente de corriente

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Robert F. Coughlin, F. F. (1999). Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrales Lineales. México: Prentice Hall.