DEFINICIONES Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS AO 2.1. INTRODUCCIÓN 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 decibeles. Para los AO, la ganancia de tensión es alta para entradas cuya frecuencia fluctúa entre c.c. y 10 KH z 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 100H z ), pero a partir de este punto, la ganancia empieza a decaer a medida que aumenta la frecuencia. 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, mA 741, o versiones de AO múltiples. Este circuito permite entender el funcionamiento interno del CI. Le etapa de entrada conformada por Q 1 y Q 2 forman un par diferencial con carga activa formada por Q 3 y Q 4 . La salida se toma desde el colector del transistor Q 4 . Por otro lado Q 10 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 Q 5 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 C c el cual es utilizado por el AO para compensación en frecuencia.

Finalmente la etapa de salida está conformada por Q 7 y Q 8 , 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.

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 TENSIÓN Y CORRIENTE El AO ideal es un dispositivo perfectamente balanceado, es decir v o =0, si v + =v –

En 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 (Q 1 y Q 2 ), que no son exactamente pareados. Esto implica que pueden producirse desajustes en los valores de β de los transistores, 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 desequilibrio. El resultado final es un desajuste entre los colectores de los amplificador diferencial, lo que se transforma en un voltaje v o 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 (V io ) 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 V io . Tome en cuenta que si este valor es distinto de cero, el AO amplificará cualquier desplazamiento en la 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 V io, se modela como una fuente de tensión continua en una de las entradas del AO ideal.

Los valores de V io dependen del tipo de AO.

AO V io Propósito general 2-10 [mV] Entrada JFET 1-2 [mV] Instrumentación 10-100 [mV]

Tabla 2.1. Valores típicos de v io para diferentes AO. Corriente de polarización de entrada (I B ) 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 I B (la letra B corresponde a la abreviación Bias) es la corriente de base del transistor de entrada. Se define I B 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

Los valores típicos de I B se indican en la tabla 2.2.

Corriente de desplazamiento (Offset) de entrada (I io ) 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.

Obviamente esto indica que ambas corrientes de polarización son distintas. Coeficientes que varían con respecto a la temperatura Tanto V io , I B e I io son dependientes de la temperatura, es por eso que se definen tres coeficientes que relacionan su variación con la variación de temperatura. Tenemos

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 f c (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. La curva indicada en el fig. 2.6 es la respuesta en frecuencia del AO en lazo abierto, cuya ganancia máxima esta indicada por A o . 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 (f t ) y en algunos casos son la misma cosa.

Cuando se trabaja a ganancia unitaria, el GBP es igual al ancho de banda.

El t r 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 (f t ) 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 enV/ms.

Comúnmente 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.

Donde V es la amplitud máxima de la tensión 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. 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 v o 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).

Resistencia de entrada (r in ) 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.

Resistencia de salida (r o ) 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. Output voltage swing (± V o max, V op ) 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).

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.

Rango de Temperaturas de operación (T or ) Es el rango de temperatura dentro del cual el dispositivo funcionará con las especificaciones mostradas.

Tensión de entrada diferencial (V id ) 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 (V cm ) Es el rango de voltaje que se puede aplicar en ambas entradas respecto a tierra. Consumo de potencia (P c ) 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 (P D ) 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. 2.7. COMPENSACIÓN DE OFFSET El voltaje de desplazamiento (offset) en la salida, v os , es producto de tres fuentes: I B , I io ,V io . Influencia de I B Consideremos el amplificador inversor de la fig. 2.6 sin señal de entrada, la corriente I B –fluye desde la entrada inversora hacia la salida a través de la resistencia de realimentación R f , planteando la ecuación en el nudo v – tenemos

Como v - =0, el voltaje de salida generado es v os = I B - R f .

Recuerde que la corriente I B - es modelada como una fuente de corriente conectada entre el terminal inversor y tierra, de igual forma I B + . 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 (R 1 ) 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 I B =I B - =I B + , el voltaje desarrollado por la resistencia R 1 , es igual pero opuesto al desarrollado por la combinación de las resistencias R a -R f , finalmente estos voltajes se cancelan.

Planteando las ecuaciones en el circuito de la fig. 2.8b.

Despejando v+ y reemplazándolo en la primera ecuación, para luego despejar vo, no olvide que v+=v - .

Si se considera que I B + =I B - =I B , luego, la tensión de salida es Como I B - es distinto de I B + , existe I io =I B + - I B - , el Offset debido a esto se expresa como

Influencia de V io Una tercera fuente permanente de Offset, es debido a V io , el que puede ser representado por una batería en el terminal no inversor (o inversor).

Luego el voltaje offset de salida se encuentra dado por

Finalmente, el amplificador inversor considerando el Offset debido a V io e I B queda de la siguiente forma.

Note que la expresión de la salida para v o 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 aplicaciones 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 v x , que produzca el mismo efecto del offset pero con signo contrario, sería posible eliminarlo (fig. 2.10a).

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).

Se observa de la fig 2.11 que el voltaje v x puede ir a la entrada inversora o a la no inversora. La fuente v x 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 I B , si se quiere eliminar el Offset debido a V io , deben ser usadas las técnicas mostradas en las fig. 2.11a-2.11d, éstas se conocen como técnicas universales para compensación de Offset.

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 V io . 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 v i =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 V io . Resolución Haciendo la fuente v i =0, note además que la única misión del potenciómetro de 50ΚΩ es mantener un fuente variable, cuando el potenciómetro esta en un extremo, tenemos +V cc y cuando está en el otro -V cc

Calculando la tensión en v+

Luego, como la configuración se ha transformado en no inversora nos queda

Si ahora consideramos la fuente V io , en el terminal inversor o no inversor, de acuerdo a la fig. 2.4. o fig. 2.12, el efecto de dicha fuente es

Luego la anulación de esta componente va a depender del valor de ±V cc y el divisor de tensión, luego la cantidad de V io que es capaz de eliminar es

TAREA 2.2 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 I B + e I B - 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 -V cc , este también puede ir conectado a +V cc . Para ello procure siempre revisar las especificaciones técnicas del AO que desea utilizar.

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? 2.8. ALIMENTACIÓN 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.

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. 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.

D 1 y D 2 son diodos de bajas pérdidas y D 3 y D 4 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 ±V cc 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.

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.

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.

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 2.9. ENCAPSULADOS Y CÓDIGOS DE IDENTIFICACIÓN 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.

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. 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).

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: Son dos letras que identifican al fabricante.

Número del Circuito: Se compone de tres a siete números y letras que identifican el tipo de AO y su intervalo de temperatura.

EJEMPLO 2.2. µA 741CP AO de propósito general Fairchaild, con intervalo de

temperatura comercial y encapsulado de plástico

OP037CP AO precisión, bajo ruido, alta velocidad, temperatura comercial y encapsulado de plástico.

LF351D AO con entrada JFET para montaje superficial (Linear Bi-FET)

TAREA 2.2