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AMPLIFICADORES OPERACIONALES

INTRODUCCIÓN
El término de amplificador operacional (operational amplifier o OA o op amp) fue asignado alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación…, importantes dentro de la computación analógica de esa época. La aparición y desarrollo dela tecnología integrada, que permitía fabricar sobre un único substrato monolítico de silicio gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de amplificadores operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas. El primer OA fue desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild. En 1968 se introdujo el famoso OA 741 que desbanco a sus rivales de laépoca con una técnica de compensación interna muy relevante y de interés incluso en nuestros días. Los amplificadores basados en tecnología CMOS han surgido como parte de circuitos VLSI de mayor complejidad, aunque sus características eléctricas no pueden competir con los de la tecnología bipolar. Su campo de aplicación es más restrictivo pero su estructura sencilla y su relativa baja área deocupación les hacen idóneos en aplicaciones donde no se necesitan altas prestaciones como son los circuitos de capacidades conmutadas (switched-capacitor). Combinando las ventajas de los dispositivos CMOS y bipolares, la tecnología Bi-CMOS permite el diseño de excelentes OAs.

Bloques funcionales de un OA
Los OAs integrados están constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que dependen desus prestaciones y de la habilidad del diseñador a la hora de combinarlas. Tradicionalmente, un OA está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida. Estos bloques están polarizados con fuentes de corrientes, circuitos estabilizadores, adaptadores y desplazadoresde nivel.

Esquema del OA 741

Esquema simplificado del OA 741
La figura describe la versión simplificada del esquema de OA 741 con los elementos circuitales más importantes. Este OA mantiene la filosofía del diseño de circuitos integrados: gran número de transistores, pocas resistencias y un condensador para compensación interna. Esta filosofía es el resultado de la economía de fabricación dedispositivos integrados donde se combina área de silicio, sencillez de fabricación y calidad de los componentes. El 741 requiere dos tensiones de alimentación que normalmente son de ±15V. La masa del circuito es el nudo común a las dos fuentes de alimentación. En este circuito se observa la etapa diferencial constituida por los transistores Q1 y Q2, la etapa amplificadora intermedia por Q16, Q17 yQ23, y la etapa de salida push-pull por Q14 y Q20.

El OA es un amplificador de extraordinaria ganancia. Por ejemplo, el μA741 tiene una ganancia de 200.000 y el OP-77 (Precision Monolithics) de 12.000.000. En la siguiente figura se muestra el símbolo de un OA. Aunque no se indica explícitamente, los OA son alimentados con tensiones simétricas de valor ±Vcc; recientemente han sido puestos en elmercado OA de polarización simple (single supply). Las entradas, identificadas por signos positivos y negativos, son Símbolo de OA
denominadas entradas invertidas y no invertidas. Si denominamos Vp y Vn a las tensiones aplicadas a la entrada de un OA, se define la tensión de entrada en modo diferencial (Vd) y modo común (Vc) como

Vd = Vp – Vn
Vc = (Vp + Vn)/2
La tensión de salida se expresa comoVo=AdVd + AcVc

La Ad, denominada ganancia en modo diferencial, viene reflejada en las hojas de características del OA como Large Signal Voltage Gain o Open Loop Voltage Gain. La Ac, o ganancia en modo común no se indica directamente, sino a través del parámetro de relación de rechazo en modo común o CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) definido como

CMRR = Ad/Ac CMRR(dB) = 20log(Ad/Ac)

El...