DEFINICIONES Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS AO

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DEFINICIONES Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
DE LOS AO
2.1. INTRODUCCIÓ N
Para trabajar con AO reales es necesario tomar en cuenta consideraciones de tipo práctico,
pues, aunque el modelo ideal se asemeja bastante al real, éste no se comporta exactamente igual al
ideal. Es importante conocer esta diferencia, ya que de ello depende el comportamiento final de
un circuito diseñado con un AO.
La diferencia más significativa entre el AO ideal y el real es la ganancia de tensión (en lazo
abierto). El AO ideal tiene ganancia infinita, mientras que la del AO real es finita y además
disminuye a medida que aumenta la frecuencia en la cual se está trabajando. Por lo general la
ganancia de tensión se especifica en decíbeles.
Si Av =
vo
, entonces
vi
Av
dB
 vo
= 20 log Av = 20 log 
v
 i




Para los AO, la ganancia de tensión es alta para entradas cuya frecuencia fluctúa entre
c.c. y 10 KHz aproximadamente (esta frecuencia de corte varía de acuerdo al tipo de AO, para la
situación de la fig.2.1, la alta ganancia se mantiene hasta los 100Hz), pero a partir de este punto, la
ganancia empieza a decaer a medida que aumenta la frecuencia.
Av [dB]
100
80
60
40
20
0
10 2
106
f [Hz ]
Figura 2.1. Ganancia típica de un AO de propósito general.
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Preparado por Juan Ignacio Huircán
Durante este capítulo, se examinará el AO internamente, se darán a conocer las causas,
consecuencias y consideraciones que deben ser tomadas en cuenta para trabajar con este tipo de
dispositivo.
2.2. EL AO INTEGRADO ( OP AMP IC)
El AO integrado (CI) está constituido básicamente por dos etapas de ganancia de voltaje
(una entrada diferencial y una etapa de emisor común) seguida por una etapa de salida clase AB
de baja impedancia.
Un diagrama simplificado de este circuito integrado es mostrado en la fig. 2.2. Esta
versión simplificada de un AO integrado es equivalente a un AO de propósito general, similar al
LM101, µA 741, o versiones de AO múltiples. Este circuito permite entender el funcionamiento
interno del CI.
Le etapa de entrada conformada por Q1 y Q2 forman un par diferencial con carga activa
formada por Q3 y Q4. La salida se toma desde el colector del transistor Q4. Por otro lado Q10
proporciona un polarización adecuada para el par diferencial.
En la mayoría de los AO, la etapa intermedia (2ª etapa) proporciona una alta ganancia a
través de varios amplificadores, en el circuito de la fig. 2.2, dicha etapa esta formada por Q5 la
cual es un circuito en emisor común que proporciona una alta impedancia de entrada a la primera
etapa (la que atenúa los efectos de carga). Además, esta etapa tiene un capacitor Cc el cual es
utilizado por el AO para compensación en frecuencia.
Vcc
Q9
Q 10
Q
7
+
V+
vin
v
Q1
_
Cc
Q2
out
Q
8
Q
5
Q
3
Q
4
Q
6
RB
V EE
Etapa de Entrada
2ª Etapa
Etapa de Salida
Figura 2.2. AO de propósito general.
Finalmente la etapa de salida está conformada por Q7 y Q8, la que proporciona una alta
ganancia de corriente a una baja impedancia de salida.
Existen muchas variantes y mejoras al circuito mostrado, como lo es, modificar el par
diferencial y utilizar transistores JFET en la entrada, lo que permite el incremento de la resistencia
de entrada del AO, además, la incorporación de otras etapas de amplificación interna,
trasladadores de nivel y circuitos de protección.
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
V
VCC
DD
RD2
RD1
Q
Q
1
RC2
RC1
Vo
v1
17
_
2
Vo
Q1
Q2
v
in
v2
+
I
I
(a)
(b)
Figura 2.3. Configuraciones del par de entrada diferencial muy simplificadas (a) MOS. (b) BJT.
Cada AO posee rasgos particulares, los que se encuentran especificados en los manuales
(DataBook) proporcionados por los fabricantes. Aquí, se entregan características de los AO para
determinadas condiciones de operación, estos se indican en forma de tabla o en gráficos.
Además, el fabricante plantea aplicaciones típicas para el dispositivo (data sheets).
2.3. ERRORES DE DESPLAZAMIENTO (OFFSET) DE TENSIÓ N Y CORRIENTE
El AO ideal es un dispositivo perfectamente balanceado, es decir
vo=0, si v+=vEn cambio, el AO real tiene un desajuste, debido a que los transistores que lo componen
varían el uno del otro, especialmente los transistores del amplificador diferencial de entrada (Q1
y Q2), que no son exactamente pareados.
Esto implica que pueden producirse desajustes en los valores de β de los transitores, lo
cual trae como consecuencia variaciones en los valores de las corrientes de entrada. Como los
flujos de corrientes son distintos en los terminales de entrada, también aparecen diferencias en las
tensiones base emisor de los transistores del par diferencial. También una variación en las
resistencias de colector (fig. 2.3), producirá un desquelibrio.
El resultado final es un desajuste entre los colectores de los amplificador diferencial, lo
que se transforma en un voltaje vo de salida distinto de cero. El desbalance producido se conoce
como voltaje offset o voltaje de desplazamiento.
Para solucionar este problema, se requiere de la aplicación de un voltaje de compensación
entre los terminales de entrada, para balancear la salida del amplificador (es decir, hacer que el
voltaje de offset se anule).
A parte de los desajustes propios de construcción de los AO, existen otros tales como los
producidos por variaciones de temperatura y cambios en las tensiones de alimentación. Para
medir y especificar la compensación de los AO es necesario introducir los siguientes conceptos.
Tensión de desplazamiento (Offset) en la entrada (Vio)
Como en el AO real la salida es distinta de cero, si ambas entradas son iguales, existe una
pequeña tensión de desplazamiento. Esta tensión desplazamiento en la entrada se puede definir
como la tensión de entrada necesaria para que la salida sea igual a cero, , llamada Vio. Tome en
cuenta que si este valor es distinto de cero, el AO amplificará cualquier desplazamiento en la
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Preparado por Juan Ignacio Huircán
entrada, provocando un error grande en corriente continua en la salida. Este parámetro es
independiente de la ganancia del AO, y su polaridad puede ser positiva o negativa.
El efecto del voltaje Vio, se modela como una fuente de tensión continua en una de las
entradas del AO ideal.
_ V
io
_ + _
V io
vo
A
+
+
Figura 2.4. Modelo del efecto de voltaje offset de entrada.
Los valores de Viodependen del tipo de AO.
AO
Vio
Propósito general
Entrada JFET
Instrumentación
2-10 [mV]
1-2 [mV]
10-100 [µV]
Tabla 2.1. Valores típicos de vio para diferentes AO.
Corriente de polarización de entrada (IB)
Aunque las entradas del AO ideal no requieren de corriente, en el caso real debe ingresar
alguna corriente de polarización en cada terminal de entrada. Esta corriente IB (la letra B
corresponde a la abreviación Bias) es la corriente de base del transistor de entrada. Se define IB
como la semi-suma de las corrientes de entradas individuales de un AO balanceado. La corriente
de polarización de entrada se puede modelar como dos fuentes de corrientes de la siguiente
forma
_
IB =
I B+ + I B−
2
IB
+
_
IB+
Figura 2.5. Modelación de la corriente de polarización.
Los valores típicos de IB se indican en la tabla 2.2.
vo
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
AO
IB
Propósito general
Entrada JFET
Instrumentación
2 µA
1 pA
3-6 nA
19
Tabla 2.2. Valores de IB para diferentes AO.
Corriente de desplazamiento (Offset) de entrada (Iio)
Este parámetro describe lo bien adaptadas que se encuentran las corrientes de
polarización de entrada de un AO. Se define como la diferencia de las corrientes de polarización
de entrada que debe aplicarse para balancear el AO.
I io = I B + − I B −
Obviamente esto indica que ambas corrientes de polarización son distintas.
Coeficientes que varían con respecto a la temperatura
Tanto Vio, IB e Iio son dependientes de la temperatura, es por eso que se definen tres
coeficientes que relacionan su variación con la variación de temperatura. Tenemos
4
4
4
Coeficiente de temperatura de la corriente de polarización de entrada
∆I B
∆T o
Coeficiente de temperatura de la corriente de desplazamiento en la entrada
Variación de tensión de desplazamiento en la entrada
∆Vio
∆T o
∆Iio
∆T o
.
2.4. DEFINICIONES RELACIONADAS CON LA RESPUESTA EN FRECUENCIA
El AO real no tiene ganancia infinita y tampoco tiene ancho de banda infinito. En los AO
reales, el ancho de banda comienza en la frecuencia cero y llega hasta la frecuencia de corte
superior fc (frecuencia a la cual la ganancia disminuye en 3dB), esta frecuencia de corte depende
del tipo de AO y de la ganancia a la cual se está trabajando cuando el amplificador es
realimentado.
Av [dB] (Escala logaritmica)
Av = Ao
-3 dB
-20 dB/dec
Frecuencia a ganancia
unidad
Ganancia unidad
Av = 0
fc
ft
f [Hz ]
(Escala logaritmica)
Figura 2.6. Respuesta en frecuencia del AO (curva de lazo abierto).
20
Preparado por Juan Ignacio Huircán
La curva indicada en el fig. 2.6 es la respuesta en frecuencia del AO en lazo abierto, cuya
ganancia máxima esta indicada por Ao. Si el AO es realimentado, por ejemplo en una
configuración inversora o no inversora, la ganancia disminuye, sin embargo, la frecuencia de
corte aumenta.
A veces el fabricante no especifica dicha frecuencia, sino que lo hace a través de otros
parámetros, los cuales se definen a continuación.
Producto Ganancia - Ancho de Banda (GBP)
Es el producto de la ganancia en lazo abierto disponible y el ancho de banda a una
frecuencia específica. En gran parte de los AO (compensados internamente en frecuencia) cuya
respuesta en frecuencia cae con una pendiente de 20 dB/dec, el GBP se considera constante. Este
parámetro está ligado con el concepto de frecuencia a ganancia unidad (ft) y en algunos casos son
la misma cosa.
GBP = Av BW
Cuando se trabaja a ganancia unitaria, el GBP es igual al ancho de banda.
AO
GBP
LM 741
LF 351
LF 356
1 MHz
4 MHz
10 MHz
Tabla 2.4. GBP para distintos AO.
Rise Time (tr)
Este parámetro está definido en base a la respuesta de una entrada escalón. Es el tiempo
que se demora la señal de salida en ir desde 10% hasta el 90% de su valor final. Esto es bajo
condiciones de pequeña señal y en lazo cerrado.
Su relación con el ancho de banda es el siguiente
0. 35 (Hz)
BW =
tr
AO
tr
BW
LM 741
0.3µs
1.16 MHz
Tabla 2.5. tr para AO 741.
El tr está dado para ganancia unitaria, luego el ancho de banda calculado así recibe el
nombre de producto ganancia ancho de banda (GBP) o frecuencia ganancia unitaria (ft)
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
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Slew Rate (SR)
El amplificador práctico tiene una respuesta que depende de la frecuencia, pues la
respuesta debida a un escalón no es un escalón ideal. Si se trata de llevar la salida entre dos
extremos, la respuesta del amplificador no es instantánea. La velocidad que toma la salida en ir
desde un extremo a otro es la que se conoce como razón de cambio o slew rate y está medida en
V/µs.
SR =
∆V
∆t
AO
SR [V/µs]
LM 741
LF 351
0.3
13
Tabla 2.6. SR para distintos AO.
Comunmente el SR se relaciona con el llamado ancho de banda de potencia, fp, el cual se
define como la frecuencia a la cual una señal senoidal de salida, a una tensión predeterminada,
comienza a distorsionarse.
Si vo = Vsen 2πfpt, SR =
dV
dt
= 2πf p , luego f p =
max
SR
, donde V es la amplitud máxima
2πV
de salida.
El ancho de banda de potencia se define también como la habilidad para entregar el
máximo de voltaje de salida con incremento de frecuencia.
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Preparado por Juan Ignacio Huircán
2.5. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS AO
Los fabricantes especifican una serie de características eléctricas para los AO, que
permiten determinar tanto los rangos máximos a los cuales pueden ser sometidos los
amplificadores, como también sus características de entrada y salida.
Relación de rechazo en modo común (CMRR)
Esta es la medida de la habilidad de un AO para rechazar señales en modo común. Si la
misma señal alimenta a la entrada inversora como a la no inversora de una configuración
diferencial, la salida vo debiera ser cero, sin embargo, debido a la componente en modo común
esto no ocurre. La capacidad de atenuar esta componente es lo que se conoce como CMRR y
comúnmente se expresa en decibeles (dB).
CMRR =
donde:
Ad
Acm
:
:
Ad
,
Acm
en decibeles CMRR dB = 20log
F A I(dB)
GHA JK
d
cm
ganancia diferencial
ganancia en modo común.
AO
CMRR [dB]
Propósito general
Entrada JFET
Instrumentación
70
100
120
Tabla 2.7. CMRR para diferentes AO.
Resistencia de entrada (rin)
Es la resistencia desde un terminal de entrada con la otra entrada puesta a tierra. La
resistencia de entrada de un AO es variable dependiendo del tipo y de su uso.
AO
Propósito general (Entrada Bipolar)
Entrada JFET
Precisión (OP-07)
rin
1-2 [MΩ ]
1012 [Ω ]
33 [MΩ ]
Tabla 2.8. rin para diferentes AO.
Resistencia de salida (ro)
Es la resistencia vista desde el terminal de salida. Este parámetro se define bajo
condiciones de pequeña señal con frecuencias por encima de algunos cientos de herzios.
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
AO
23
ro
Propósito general (Entrada Bipolar)
Precisión (Tipo OP-07)
75 Ω
60 Ω
Tabla 2.9. ro para distintos AO.
Output voltage swing (± Vo max, Vop)
Dependiendo de la resistencia de carga, este es el máximo "peak" de salida en voltaje que
el AO puede entregar sin saturarse (recorte de señal).
AO
Output Voltage swing [volts]
Propósito general (LM101/LM107)
Precisión (Tipo OP-07)
±14 (RL>10KΩ )
±13 (RL>10KΩ )
Tabla 2.10. Vop para distintos AO.
2.6. CARACTERÍSTICA NOMINALES MÁXIMAS
Tensión de alimentación (V+ y V-)
Es la tensión de alimentación máxima permitida que puede aplicarse con seguridad al
amplificador. Aunque se designa como estandar 15 volts de alimentación, la mayoría de los AO
integrados operan sobre un amplio rango de potenciales, algunos van desde valores tan bajos
como 1 volts, y otros hasta 40 volts.
AO
Propósito general (LM301/LM307)
Precisión (Tipo OP-07)
Vcc [volts]
±18
±22
Tabla 2.11. Vop para distintos AO.
Rango de Temperaturas de operación (Tor)
Es el rango de temperatura dentro del cual el dispositivo funcionará con las
especificaciones mostradas.
24
Preparado por Juan Ignacio Huircán
Tipo Especificación
Militar
Industrial
Comercial
Rango de Temperatura
-55 ºC a +125 ºC
-25 ºC a + 85 ºC
0 ºC a + 70 ºC
Tabla 2.12. Rangos de temperatura.
Tensión de entrada diferencial (Vid)
Es la tensión máxima que puede aplicarse con seguridad entre los terminales de entrada
diferencial sin flujo excesivo de corriente. Estos valores son variables, los AO con entrada
cascodo pnp/npn soportan hasta ±30 volts, similares a los AO con entrada FET.
Voltaje de entrada en modo común (Vcm)
Es el rango de voltaje que se puede aplicar en ambas entradas respecto a tierra.
Consumo de potencia (Pc)
Es la potencia requerida para operar el AO o la potencia consumida por el AO con
propósitos de polarización. Se especifica para 15 volts.
Disipación de Potencia (PD)
Es la potencia que un dispositivo particular es capaz de disipar con seguridad en forma
continua mientras opera dentro de un rango de temperatura específico. Esta característica varía
de acuerdo al tipo de encapsulado. Por ejemplo, los encapsulados cerámicos permiten una alta
disipación de potencia, los metálicos permiten la siguiente más alta disipación, en cambio los de
plásticos tienen la más baja. Un valor típico es de 500 mW.
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
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2.7. COMPENSACIÓ N DE OFFSET
Iio,Vio.
El voltaje de desplazamiento (offset) en la salida, vos, es producto de tres fuentes: IB,
Influencia de IB
Consideremos el amplificador inversor de la fig. 2.6 sin señal de entrada, la corriente IBfluye desde la entrada inversora hacia la salida a través de la resistencia de realimentación Rf,
planteando la ecuación en el nudo v- tenemos
vo − v −
= I B−
Rf
Como v-=0, el voltaje de salida generado es vos= IB- Rf.
Rf
R
a
_
IB
_
vo
+
_
IB
Figura 2.7. Circulación de IB (AO sin señal en la entrada).
Recuerde que la corriente IB- es modelada como una fuente de corriente conectada entre el
terminal inversor y tierra, de igual forma IB+. Considere que en la entrada no existe ninguna
señal.
En método más común para corregir este offset producido en la salida, es colocar una
resistencia (R1) en el terminal no inversor. El valor de esta resistencia es igual al valor de la
resistencia equivalente total conectada al terminal inversor.
Suponiendo que IB=IB-=IB+, el voltaje desarrollado por la resistencia R1, es igual pero
opuesto al desarrollado por la combinación de las resistencias Ra-Rf, finalmente estos voltajes se
cancelan.
Rf
Rf
Ra
Ra
_
+
vo
+
R1
R1
(a)
_
IB-
vo
IB+
(b)
Figura 2.8. (a) Configuración para eliminar el efecto de IB. (b) Circuito considerando el efecto de IB.
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Preparado por Juan Ignacio Huircán
Planteando las ecuaciones en el circuito de la fig. 2.8b.
v − v−
0 − v−
+ o
= I B−
Ra
Rf
0 − v+
= I B+
R1
Despejando v+ y reemplazandolo en la primera ecuación, para luego despejar vO, no
olvide que v+=v-.
1
vo
1 

= I B− + v −  +
 Ra R f 
Rf


1
vo
1 

= I B− − I B+ ⋅R1  +
 Ra R f 
Rf


Rf

 R f + Ra 
−
+

vo = R f I B− − I B+ ⋅R1 
 R + 1
 = R f I B − I B ⋅R1 
 R

 a


a

Si se considera que IB+=IB-=IB, luego, la tensión de salida es

 R f + Ra 



vos = I B R f − R1 




 Ra 


Note que si R1 = Ra R f =
Ra R f
Ra + R f
vos = 0
Como IB- es distinto de IB+, existe Iio=IB+ - IB-, el Offset debido a esto se expresa como
v os = I io R f
Influencia de Vio
Una tercera fuente permanente de Offset, es debido a Vio, el que puede ser representado
por una batería en el terminal no inversor (o inversor).
Rf
Ra
+
v io
Rf
Ra
_
+
(a)
vo
_
Vio
+
+
vo
(b)
Figura 2.9. AO considerando Vio.(a) En el terminal Inversor.(b) En el terminal No inversor.
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
27
Luego el voltaje offset de salida se encuentra dado por
 Rf 
v os = 
1 + R 
Vio

a 
Finalmente, el amplificador inversor considerando considerando el Offset debido a Vio e
IB queda de la siguiente forma.
vo = −
 Rf 
vi + R f I B− + 
1 + R 
Vio
Ri
a 

Rf
Note que la expresión de la salida para vo del amplificador inversor, a parte de la señal de
entrada, contiene las componentes de offset.
@ TAREA 2.1
Considerar la fuente de offset en el terminar inversor y calcular la salida. ¿Qué diferencia
existe con el resultado obtenido en el apartado anterior?
Eliminación del Offset
Dependiendo de las aplicaciomes es posible convivir con el offset, sin embargo, este error
en corriente contínua tiene solución. Desde el punto de vista de un sistema, podríamos considerar
el amplificador como una caja negra, el cual es excitado (mediante una señal) y además recibe las
componentes correspondientes al offset. Si se considera que adicionalmente se le introduce una
componente adicional vx, que produzca el mismo efecto del offset pero con signo contrario, sería
posible eliminarlo (fig. 2.10a).
v
io
v
i
I
v
io
B
Amp. Op.
vo
v
i
I
v
io
B
Amp. Op.
v
x
vo
v
x
Fuente contínua variable
(a)
v
i
I
B
Amp. Op.
vo
vx
Fuente de voltaje continuo
Red
+v
cc
(b)
v
cc
(c)
Figura 2.10. Propuesta de solución para eliminar el offset
El problema radica ahora en que tipo de fuente se debe utilizar. Primero, debe ser una
fuente continua. Por otro lado, debe tener la posibilidad de excursión tanto positiva como
negativa. Dicha fuente debe ser variable, pues, no siempre el offset es conocido (fig 2.10b).
El hecho de que sea variable y continua impone ciertos requerimientos de diseño, de
acuerdo a esto se podría considerar una fuente variable externa, pero lo incomodo de la situación
sugiere el uso de las mismas fuentes de alimentación de AO, es decir ±Vcc (fig.2.10c).
28
Preparado por Juan Ignacio Huircán
Rf
+v
cc
Ra
vi
_
vo
+
v
cc
vx
Red
Fuente de voltaje continuo
Figura 2.11. AO considerando Red adicional para la eliminación de offset
Se observa de la fig 2.11 que el voltaje vx puede ir a la entrada inversora o a la no
inversora. La fuente vx depende de voltajes positivos y negativos (±Vcc).
Técnicas Universales De Corrección De Offset (Anulación Externa)
El método propuesto inicialmente, sólo elimina el voltaje Offset debido a IB, si se quiere
eliminar el Offset debido a Vio, deben ser usadas las técnicas mostradas en las fig. 2.11a-2.11d,
éstas se conocen como técnicas universales para compensación de Offset.
Rf
+Vcc
+Vcc
Ra
vi
_
50KΩ
vo
+
200KΩ
50KΩ
_V
cc
200ΚΩ
100Ω
vi
+
R1
_
100 Ω
vo
R2
_V
cc
(a)
(b)
R2
+15v
100KΩ
R3
1MΩ
R2
R1
_
-15v
vi
+
va
1KΩ
R1
10KΩ
_
10KΩ
vo
+
vo
vb
R1
R2
10KΩ
10K Ω
10 Ω
4.7KΩ
+15v
10KΩ
-15v
(c)
(d)
Figura 2.12. Circuitos de corrección de offset para configuración: (a) Inversora. (b) No inversora. (c)
Seguidor de emisor.(d) Amplificador diferencial.
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
29
Observe que cada malla adicional solamente introduce un fuente de tensión continua, la
cual puede ser negativa o positiva, esta fuente es utilizada para eliminar el offset a Vio. Si quiere
determinar cuanto offset es capaz de eliminar sólo basta insertar la fuente que lo produce, como lo
indica la fig.2.4, hacer la señal vi=0 y encontrar la salida.
$
EJEMPLO 2.1
Para el circuito de la figura 2.12a, determinar el efecto neto de la fuente introducida para
eliminar el offset producido por Vio.
Resolución
Haciendo la fuente vi=0, note además que la única misión del potenciómetro de 50KΩ es
mantener un fuente variable, cuando el potenciómetro esta en un extremo, tenemos +Vcc y
cuando está en el otro -Vcc
Rf
vi =0
Ra
_
v+
+V
_ cc
200K Ω
vo
+
100Ω
Calculando la tensión en v+
v + = ±Vcc
100Ω
≈5x10 − 3 (±Vcc )
Ω
+
Ω
100
200K
Luego, como la configuración se ha transformado en no inversora nos queda

R f
−3
v o ≈
{5x10 (±Vcc )}
 R + 1

 a
Si ahora consideramos la fuente Vio, en el terminal inversor o no inversor, de acuerdo a la
fig. 2.4. o fig. 2.12, el efecto de dicha fuente es
Rf 


v os = 
1 + R Vio
a 

Luego la anulación de esta componente va a depender del valor de ±Vcc y el divisor de
tensión, luego la cantidad de Vio que es capaz de eliminar es
5x10 − 3 (±Vcc ) [volts]
@ TAREA 2.2
30
Preparado por Juan Ignacio Huircán
Determinar una expresión para el voltaje de salida en función de las diferentes entradas
para los circuitos mostrados en la fig. 2.12b, 2.12c y 2.12d.
@ TAREA 2.3
Para el ejemplo 2.1, considere el offset debido a las corrientes IB+ e IB- y evalue el offset en
la salida para diferentes valores de corriente de polarización (revise los manuales para obtener los
ordenes de magnitud de la corriente de polarización).
Compensación de offset mediante un simple potenciómetro
Muchos AO tales como el LM741, LF351, LF356, pueden cancelar el voltaje
desplazamiento de salida con un simple potenciómetro. Este potenciómetro debe ser conectado
entre los terminales de Offset Null del AO, el ajuste del potenciómetro debe realizarse
conectando la entrada a tierra (0 Volts). El tercer terminal del potenciómetro no siempre va
conectado a -Vcc, este también puede ir conectado a +Vcc. Para ello procure siempre revisar las
especificaciones técnicas del AO que desea utilizar.
R2
vi
R1
+Vcc
25KΩ
2_
6
741
3 +
5
10KΩ
1
-Vcc
(a)
vo
2 _1
3 +
5
A*
6
vo
*LF355/LF356
(b)
Figura 2.13. Eliminación de Offset mediante un potenciómetro de ajuste.
El método mostrado en la fig. 2.13a NO es general en todos lo AO como lo muestra 2.13b.
@ TAREA 2.4.
Investigar de qué forma eliminan el offset las configuraciones mostradas en la fig 2.13.
¿Qué efecto produce el potenciómetro internamente en el AO?
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
31
2.8. ALIMENTACIÓ N Y PROTECCIONES EN LOS AO
Alimentación de los AO
La mayoría de los AO han sido diseñados para operar con dos fuentes de alimentación
simétricas, sin embargo, también pueden operar con una única fuente. Para aplicaciones en las
cuales existe una sola fuente (interface con circuitos digitales), se han diseñado AO para tal efecto.
V+
V+
v
_
v+
_
+
-
7
2
A*
+
4
3
6
vo
+
v
_
v+
-
V-
2 _
3 +
V+
+
-
4
1
A*
vo
v
_
v+
11
2 _8
3
A*
+
+
-
1
vo
4
* Tipo 1/4 LM124, LM324
* Tipo 1/2 TLC 272, TLC 277
* Tipo LM741/LF351/TLC066 etc.
Figura 2.15. Alimentación de un AO.
Limitaciones de entrada
Las fallas en los CI AO en la etapa de entrada pueden ser producidos de dos formas: (a)
excediendo las características nominales de entrada diferencial; (b) excediendo características
nominales en modo común. El parámetro más susceptible es el nominal de entrada diferencial.
Cuando se sobrepasan las características nominales de entrada diferencial (en un AO de
entrada no protegida) el diodo zener emisor-base de uno de los transistores de entrada diferencial
entrará en disrrupción. Siempre que la diferencia entre los dos terminales de entrada exceda los ±
7 volts, estos diodos emisor-base entrarán en disrrupción y conducen una corriente que solo
estará limitada por una resistencia externa. Si la impedancia que alimenta ambas entradas es baja,
la corriente puede elevarse hasta niveles destructivos. Las corrientes sobre 50mA provocarán
daños permanentes.
La forma más sencilla de proteger el AO es agregar dos diodos como lo indica la fig. 2.15.
Estos diodos deben ser de bajas pérdidas tipo 1N458 o similares.
R
_
+
vo
R
Figura 2.15. Protección de entrada diferencial.
Latch-up
La salida del AO permanece fija en un determinado nivel de tensión continua después de
haber retirado la señal de entrada responsable. Si un AO entra en Latch-up es muy posible que
quede dañado permanentemente. Esto se produce a menudo en etapas de seguidor de emisor.
Para evitar que esta situación se produzca se plantea esta configuración la que permite
limitar la señal de entrada a la indicada por el diodo zener.
32
Preparado por Juan Ignacio Huircán
R
_
vi
vo
+
R
10K Ω
+15v
D1
D3
D4
10K Ω
D2
-15v
Figura 2.16. Protección contra latch-up.
D1 y D2 son diodos de bajas pérdidas y D3 y D4 pueden ser diodos zener de 10-12 volts.
Protección contra cortocircuito a la salida
Los primero AO no incorporaban limitación de corriente en la etapa de salida, aunque
estos pueden sobrevivir a cortocircuito de unos pocos segundos de duración, un cortocircuito
prolongado a tierra o a ±Vcc produce la destrucción del circuito.
Cualquier AO que no tenga protección puede protegerse contra cortocircuitos mediante
una resistencia de bajo valor en serie con la salida.
Rf
2_
6
3 +
220 Ω
vo
Figura 2.17. Protección contra cortocircuito.
La presencia de esta resistencia tiene un efecto mínimo en el funcionamiento si se conecta
dentro del lazo de realimentación, excepto la caída en la tensión de salida. Esta resistencia evita la
destrucción del amplificador debido a un cortocircuito de la carga.
Protección de las tensiones de alimentación
Inversión de Polaridad
Debido a la construcción interna, los CI´s debe operar siempre con la polaridad de las
tensiones de alimentación especificada. Si alguna de las tensiones se invierte, aunque sólo sea un
momento, fluirá una corriente destructiva a través de los diodos de aislamiento del CI, que están
polarizados normalmente en inversa. Debe tenerlo en cuenta para cualquier integrado. Pueden ser
utilizadas las configuraciones de la fig. 2.18.
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
V+
V+
_
1N4001
+
C1
A
7
_
4
+
+
1N4001
1N4001
+
7
A
A
+
V-
_
33
C2
4
V-
Figura 2.18. Protección de los AO.
Sobretensión
Los AO comerciales se especifican generalmente para una tensión total de operación de
36 Volts (±18 V). Estos limites de tensión NO deben ser sobrepasados ni siquiera durante breves
instantes. En el caso de que exista la probabilidad de ocurrencia, se deberá utilizar un voltaje de
bloqueo mediante un diodo zener en los terminales de alimentación.
V+
100 Ω
_
A
+
Vz
V-
Figura 2.19. Protección contra sobre tensión.
La resistencia es opcional siempre que la alimentación lleve fusible o limitación de
corriente. Otra alternativa es utilizar dos diodos Zener, uno para cada terminal de alimentación,
esto proporciona protección contra sobre tensión e inversión de polaridad. El zener debe ser de
36 volts, si la alimentación de ±18 volts o de 43 volts cuando la alimentación es de ±22 volts
34
Preparado por Juan Ignacio Huircán
2.9. ENCAPSULADOS Y CÓ DIGOS DE IDENTIFICACIÓ N
El AO se fabrica de un pequeño chip de silicio y se encapsula en una caja adecuada,
existen diferentes tipos de encapsulados, los que pueden ser de metal, plástico o cerámico. La fig.
2.19 muestra los diferentes tipos de encapsulado.
8
7
6
1
5
2
3
4
17
18
1
2
3
4
5 6
7
4
8
1
2
3
(a)
(b)
(c)
El
encapsulado de doble línea (DIP) de 8 pines (terminales) puede ser cerámico o plástico. Cuando
se miran desde ariba una muesca o punto identifica el terminal 1.
Figura 2.19. (a) Encapsulado Metálico. (b) Encapsulado DIP (8 terminales).(c) Encapsulado PLCC.
También existen AO encapsulados en componentes más pequeños llamados de montaje
superficial (SMT), en formato PLCC (Plastic Lead Chip Carriers) o "chip con encapsulado de
plástico" indicado en la fig. 2.19c. Los diferentes tipos de montaje superficial se encuentran
indicados en la tabla 2.13.
SMT (Surface-Mounted Technology)
Descripción
Small outline integrated Circuit
Plastic Lead Chip Carriers
Leadless Ceramics Chip Carriers
SOIC
PLCC
LCCC
Tabla 2.13. Montaje superficial.
@ TAREA 2.5.
Investigar el significado de las abreviaciones indicadas en la tabla 2.13.
Combinación de Símbolos y Terminales
Se puede combinar en un sólo dibujo el símbolo del AO con el encapsulado (fig. 2.20).
Apuntes de Circuitos Electrónicos II : Definiciones y Especificaciones Técnicas en los AO
La muesca o el punto indica el terminal 1
Lengueta que ubica el terminal 8
Offset Null
8
1
_
Entrada
Inversora
+V
7
6
Salida
2
+
3
Offset Null
4
Offset Null
1
Entrada
Inversora
2
Entrada
No Inversora
5
Entrada
No Inversora
35
-V
3
8
7
_
6
+
4
5
NC
+V
Salida
Offset Null
-V
(a)
(b)
Figura 2.20. (a) Encapsulado metálico de 8 terminales. (b) Encapsulado mini DIP de 8 pines.
La abreviación NC indica que no hay conexión. El componente se mira desde arriba. En
el encapsulado DIP 14 la numeración de los pines es similar al DIP 8, con la única diferencia en
que tiene 7 terminales por lado y no 4.
Códigos De Identificación
Cada tipo de AO tiene un código de identificación de letra y número, el que permite sabe
quien lo fabrica, que tipo de amplificador es, de que calidad es y que tipo de encapsulado tiene.
No todos los fabricantes utilizan el mismo código, pero la mayoría utiliza un código que
consta de cuatro partes escritas en el siguiente orden:
Prefijo de letras
Número del circuito
Sufijo de letras
Código de especificación militar
Prefijo de Letras: Son dos letras que identifican al fabricante.
PREFIJO
FABRICANTE
AD
CA
LM
MC
NE/SE
OP
LT
SG
TL
UA(µA)
Analog Device
RCA
National Semiconductor
Motorola
Signetics
Precision Monolithics
Linear Technology
Silicon General
Texas Instrument
Fairchaild
Tabla 2.14. Identificación de fabricante de AO.
Número del Circuito: Se compone de tres a siete números y letras que identifican el tipo
de AO y su intervalo de temperatura.
36
Preparado por Juan Ignacio Huircán
Código
C
I
M
Intervalo de Temperatura
Comercial
Industrial
Militar
Tabla 2.15. Intervalo de temperatura.
Sufijo de Letras. indica el tipo de encapsulado que contiene al AO, puede ser de una o dos letras.
Código
Descripción
D
De plástico, doble en linea para montaje superficial
J
N, P
De cerámica doble en linea
De plástico doble en linea para inserción en receptáculo
Tabla 2.16. Descripción del sufijo.
$
EJEMPLO 2.2.
µA 741CP
OP037CP
LF351D
AO de propósito general Fairchaild, con intervalo de temperatura comercial y
encapsulado de plástico
AO precisión, bajo ruido, alta velocidad, temperatura comercial y encapsulado de
plástico.
AO con entrada JFET para montaje superficial (Linear Bi-FET)