amplificadores operacionales 2

2DEFINICIONES 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 alideal. Es importante conocer esta diferencia, ya que de ello depende el comportamiento final deun circuito diseñado con un AO.

La diferencia más significativa entre el AO ideal y el real es la ganancia de tensión (en lazoabierto). El AO ideal tiene ganancia infinita, mientras que la del AO real es finita y ademásdisminuye a medida que aumenta la frecuencia en la cual se está trabajando. Por lo general laganancia de tensión se especifica en decíbeles.

Si i

ov v

vA = , entonces

==

i

ovdBv v

vAA log20log20

Para los AO, la ganancia de tensión es alta para entradas cuya frecuencia fluctúa entrec.c. y 10 KHz aproximadamente (esta frecuencia de corte varía de acuerdo al tipo de AO, para lasituación de la fig.2.1, la alta ganancia se mantiene hasta los 100Hz), pero a partir de este punto, laganancia empieza a decaer a medida que aumenta la frecuencia.

f [H ]

100

80

60

40

20

[dB]

10 102 6

Av

z0

Figura 2.1. Ganancia típica de un AO de propósito general.

16 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 dedispositivo.

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 ABde baja impedancia.

Un diagrama simplificado de este circuito integrado es mostrado en la fig. 2.2. Estaversión simplificada de un AO integrado es equivalente a un AO de propósito general, similar alLM101, µA 741, o versiones de AO múltiples. Este circuito permite entender el funcionamientointerno del CI.

Le etapa de entrada conformada por Q1 y Q2 forman un par diferencial con carga activaformada por Q3 y Q4. La salida se toma desde el colector del transistor Q4. Por otro lado Q10proporciona un polarización adecuada para el par diferencial.

En la mayoría de los AO, la etapa intermedia (2ª etapa) proporciona una alta ganancia através de varios amplificadores, en el circuito de la fig. 2.2, dicha etapa esta formada por Q5 lacual es un circuito en emisor común que proporciona una alta impedancia de entrada a la primeraetapa (la que atenúa los efectos de carga). Además, esta etapa tiene un capacitor Cc el cual esutilizado por el AO para compensación en frecuencia.

RB

Q3

Q5

Q6

Q7

Q4

Q1

Q8

Q2

Q9Q10

Cc

vout

Vcc

VEE

vin

+

_

Etapa de Entrada 2ª Etapa Etapa de Salida

V+

Figura 2.2. AO de propósito general.

Finalmente la etapa de salida está conformada por Q7 y Q8, la que proporciona una altaganancia de corriente a una baja impedancia de salida.

Existen muchas variantes y mejoras al circuito mostrado, como lo es, modificar el pardiferencial y utilizar transistores JFET en la entrada, lo que permite el incremento de la resistenciade 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 17

Q1 Q 2

I

VDD

RD2RD1

v1

v2

Vo

Q1 Q2vin

+

_

RC1 RC2

VCC

Vo

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 paradeterminadas 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+=v-

En cambio, el AO real tiene un desajuste, debido a que los transistores que lo componenvarían el uno del otro, especialmente los transistores del amplificador diferencial de entrada (Q1y Q2), que no son exactamente pareados.

Esto implica que pueden producirse desajustes en los valores de β de los transitores, locual trae como consecuencia variaciones en los valores de las corrientes de entrada. Como losflujos de corrientes son distintos en los terminales de entrada, también aparecen diferencias en lastensiones base emisor de los transistores del par diferencial. También una variación en lasresistencias de colector (fig. 2.3), producirá un desquelibrio.

El resultado final es un desajuste entre los colectores de los amplificador diferencial, loque se transforma en un voltaje vo de salida distinto de cero. El desbalance producido se conocecomo voltaje offset o voltaje de desplazamiento.

Para solucionar este problema, se requiere de la aplicación de un voltaje de compensaciónentre los terminales de entrada, para balancear la salida del amplificador (es decir, hacer que elvoltaje de offset se anule).

A parte de los desajustes propios de construcción de los AO, existen otros tales como losproducidos por variaciones de temperatura y cambios en las tensiones de alimentación. Paramedir 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 unapequeña tensión de desplazamiento. Esta tensión desplazamiento en la entrada se puede definircomo la tensión de entrada necesaria para que la salida sea igual a cero, , llamada Vio. Tome encuenta 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 esindependiente 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 lasentradas del AO ideal.

ov

_

+_

+

_

+A

Vio

Vio

Figura 2.4. Modelo del efecto de voltaje offset de entrada.

Los valores de Viodependen del tipo de AO.

AO Vio

Propósito general 2-10 [mV]Entrada JFET 1-2 [mV]

Instrumentación 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 ingresaralguna corriente de polarización en cada terminal de entrada. Esta corriente IB (la letra Bcorresponde a la abreviación Bias) es la corriente de base del transistor de entrada. Se define IBcomo la semi-suma de las corrientes de entradas individuales de un AO balanceado. La corrientede polarización de entrada se puede modelar como dos fuentes de corrientes de la siguienteforma

II I

BB B= ++ −

2 ovIB+

BI

_

+

_

Figura 2.5. Modelación de la corriente de polarización.

Los valores típicos de IB se indican en la tabla 2.2.


AO IB

Propósito general 2 µAEntrada JFET 1 pA

Instrumentación 3-6 nA

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 depolarización de entrada de un AO. Se define como la diferencia de las corrientes de polarizaciónde entrada que debe aplicarse para balancear el AO.

I I Iio B 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 trescoeficientes que relacionan su variación con la variación de temperatura. Tenemos

4 Coeficiente de temperatura de la corriente de polarización de entrada ∆∆

IT

Bo

4 Coeficiente de temperatura de la corriente de desplazamiento en la entrada ∆∆

ITioo

4 Variación de tensión de desplazamiento en la entrada ∆∆

VT

ioo .

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 AOreales, el ancho de banda comienza en la frecuencia cero y llega hasta la frecuencia de cortesuperior fc (frecuencia a la cual la ganancia disminuye en 3dB), esta frecuencia de corte dependedel tipo de AO y de la ganancia a la cual se está trabajando cuando el amplificador esrealimentado.

f [H ]

[dB]

f

Av

z

Ao

-20 dB/dec

c

Av =

Av = 0ft

Frecuencia a gananciaunidadGanancia unidad

(Escala logaritmica)

(Escala logaritmica)

-3 dB

Figura 2.6. Respuesta en frecuencia del AO (curva de lazo abierto).


La curva indicada en el fig. 2.6 es la respuesta en frecuencia del AO en lazo abierto, cuyaganancia máxima esta indicada por Ao. Si el AO es realimentado, por ejemplo en unaconfiguración inversora o no inversora, la ganancia disminuye, sin embargo, la frecuencia decorte aumenta.

A veces el fabricante no especifica dicha frecuencia, sino que lo hace a través de otrosparámetros, 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 unafrecuencia específica. En gran parte de los AO (compensados internamente en frecuencia) cuyarespuesta en frecuencia cae con una pendiente de 20 dB/dec, el GBP se considera constante. Esteparámetro está ligado con el concepto de frecuencia a ganancia unidad (ft) y en algunos casos sonla misma cosa.

GBP A BWv=

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

AO GBP

LM 741 1 MHzLF 351 4 MHzLF 356 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 tiempoque se demora la señal de salida en ir desde 10% hasta el 90% de su valor final. Esto es bajocondiciones de pequeña señal y en lazo cerrado.

Su relación con el ancho de banda es el siguiente

BWtr

= 0 35. (Hz)

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 elnombre de producto ganancia ancho de banda (GBP) o frecuencia ganancia unitaria (ft)


Slew Rate (SR)

El amplificador práctico tiene una respuesta que depende de la frecuencia, pues larespuesta debida a un escalón no es un escalón ideal. Si se trata de llevar la salida entre dosextremos, la respuesta del amplificador no es instantánea. La velocidad que toma la salida en irdesde un extremo a otro es la que se conoce como razón de cambio o slew rate y está medida enV/µs.

SRVt

= ∆∆

AO SR [V/µs]

LM 741 0.3LF 351 13

Tabla 2.6. SR para distintos AO.

Comunmente el SR se relaciona con el llamado ancho de banda de potencia, fp, el cual sedefine como la frecuencia a la cual una señal senoidal de salida, a una tensión predeterminada,comienza a distorsionarse.

Si vo = Vsen 2πfpt, pmax

fdtdVSR π2== , luego

VSRf p π2

= , donde V es la amplitud máxima

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, quepermiten determinar tanto los rangos máximos a los cuales pueden ser sometidos losamplificadores, 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 lamisma señal alimenta a la entrada inversora como a la no inversora de una configuracióndiferencial, la salida vo debiera ser cero, sin embargo, debido a la componente en modo comúnesto no ocurre. La capacidad de atenuar esta componente es lo que se conoce como CMRR ycomúnmente se expresa en decibeles (dB).

CMRRAA

d

cm= , en decibeles CMRR

AA

dBdBd

cm=

FHG

IKJ20log ( )

donde: Ad : ganancia diferencialAcm : ganancia en modo común.

AO CMRR [dB]

Propósito general 70Entrada JFET 100Instrumentación 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. Laresistencia de entrada de un AO es variable dependiendo del tipo y de su uso.

AO rin

Propósito general (Entrada Bipolar) 1-2 [MΩ ]Entrada JFET 1012 [Ω ]Precisión (OP-07) 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 bajocondiciones de pequeña señal con frecuencias por encima de algunos cientos de herzios.


AO ro

Propósito general (Entrada Bipolar) 75 ΩPrecisión (Tipo OP-07) 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 queel AO puede entregar sin saturarse (recorte de señal).

AO Output Voltage swing [volts]

Propósito general (LM101/LM107) ±14 (RL>10KΩ )Precisión (Tipo OP-07) ±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 alamplificador. Aunque se designa como estandar 15 volts de alimentación, la mayoría de los AOintegrados operan sobre un amplio rango de potenciales, algunos van desde valores tan bajoscomo 1 volts, y otros hasta 40 volts.

AO Vcc [volts]

Propósito general (LM301/LM307) ±18Precisión (Tipo OP-07) ±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 lasespecificaciones mostradas.


Tipo Especificación Rango de Temperatura

Militar -55 ºC a +125 ºCIndustrial -25 ºC a + 85 ºCComercial 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 entradadiferencial sin flujo excesivo de corriente. Estos valores son variables, los AO con entradacascodo 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 conpropósitos 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 formacontinua mientras opera dentro de un rango de temperatura específico. Esta característica varíade acuerdo al tipo de encapsulado. Por ejemplo, los encapsulados cerámicos permiten una altadisipación de potencia, los metálicos permiten la siguiente más alta disipación, en cambio los deplásticos tienen la más baja. Un valor típico es de 500 mW.


2.7. COMPENSACIÓ N DE OFFSET

El voltaje de desplazamiento (offset) en la salida, vos, es producto de tres fuentes: IB,Iio,Vio.

Influencia de IBConsideremos el amplificador inversor de la fig. 2.6 sin señal de entrada, la corriente IB-

fluye desde la entrada inversora hacia la salida a través de la resistencia de realimentación Rf,planteando la ecuación en el nudo v- tenemos

−−

=−B

f

o IR

vv

Como v-=0, el voltaje de salida generado es vos= IB- Rf.

_

+

R a

R f

voIB_

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 elterminal inversor y tierra, de igual forma IB+. Considere que en la entrada no existe ningunaseñal.

En método más común para corregir este offset producido en la salida, es colocar unaresistencia (R1) en el terminal no inversor. El valor de esta resistencia es igual al valor de laresistencia equivalente total conectada al terminal inversor.

Suponiendo que IB=IB-=IB+, el voltaje desarrollado por la resistencia R1, es igual peroopuesto al desarrollado por la combinación de las resistencias Ra-Rf, finalmente estos voltajes secancelan.

_

+

Ra

Rf

vo

R1

_

+

Ra

Rf

vo

R1 IB+

IB-

(a) (b)

Figura 2.8. (a) Configuración para eliminar el efecto de IB. (b) Circuito considerando el efecto de IB.


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

−−−

=−+−B

f

o

a

IR

vvR

v0

++

=−BI

Rv1

0

Despejando v+ y reemplazandolo en la primera ecuación, para luego despejar vO, noolvide que v+=v-.

++= −−

faB

f

o

RRvI

Rv 11

+⋅−= +−

faBB

f

o

RRRII

Rv 11

1

+

⋅−=

+⋅−= +−+−

a

afBBf

a

fBBfo R

RRRIIR

RR

RIIRv 11 1

Si se considera que IB+=IB-=IB, luego, la tensión de salida es

+

−=a

affBos R

RRRRIv 1

Note que si fa

fafa RR

RRRRR

+==1

0=osv

Como IB- es distinto de IB+, existe Iio=IB+ - IB-, el Offset debido a esto se expresa como

fioos RIv =

Influencia de VioUna tercera fuente permanente de Offset, es debido a Vio, el que puede ser representado

por una batería en el terminal no inversor (o inversor).

_

+

Ra

Rf

vo

vio+ _

+

Ra

Rf

voVio+

(a) (b)

Figura 2.9. AO considerando Vio.(a) En el terminal Inversor.(b) En el terminal No inversor.


Luego el voltaje offset de salida se encuentra dado por

ioa

fos V

RR

v

+= 1

Finalmente, el amplificador inversor considerando considerando el Offset debido a Vio eIB queda de la siguiente forma.

ioa

fBfi

i

fo V

RR

IRvRR

v

+++−= − 1

Note que la expresión de la salida para vo del amplificador inversor, a parte de la señal deentrada, contiene las componentes de offset.

@ TAREA 2.1

Considerar la fuente de offset en el terminar inversor y calcular la salida. ¿ Qué diferenciaexiste con el resultado obtenido en el apartado anterior?

Eliminación del Offset

Dependiendo de las aplicaciomes es posible convivir con el offset, sin embargo, este erroren corriente contínua tiene solución. Desde el punto de vista de un sistema, podríamos considerarel amplificador como una caja negra, el cual es excitado (mediante una señal) y además recibe lascomponentes correspondientes al offset. Si se considera que adicionalmente se le introduce unacomponente adicional vx, que produzca el mismo efecto del offset pero con signo contrario, seríaposible eliminarlo (fig. 2.10a).

v Amp. Op.

i v o

v io I B

v x

v Amp. Op.

i v o

v io I B

v x

Fuente contínua variable

v Amp. Op.

i v o

v io I B

v x Fuente de voltaje continuo

Red v cc+

v cc

(a) (b) (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 unafuente continua. Por otro lado, debe tener la posibilidad de excursión tanto positiva comonegativa. 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, deacuerdo a esto se podría considerar una fuente variable externa, pero lo incomodo de la situaciónsugiere el uso de las mismas fuentes de alimentación de AO, es decir ±Vcc (fig.2.10c).


_

+

Ra

Rf

vo

v x

Fuente de voltaje continuo

Red

v cc+

v cc

vi

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 noinversora. 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 quiereeliminar 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.

_

+

Ra

Rf

vivo

+Vcc

_cc

50K

100Ω200ΚΩ

Ω

V

_

+vi

vo

+Vcc

Vcc R 2

R1

100

200K50KΩ

Ω

Ω_

(a) (b)

_

+vivo

2

1KΩR

R

1

R3

+15v

-15v

1M100K

ΩΩ

_

+

R1

R2

vavo

R1 R2vbΩ Ω

ΩΩ

10K

+15v

-15v1010K10K 4.7K

Ω10K

Ω10K

Ω

(c) (d)Figura 2.12. Circuitos de corrección de offset para configuración: (a) Inversora. (b) No inversora. (c)

Seguidor de emisor.(d) Amplificador diferencial.


Observe que cada malla adicional solamente introduce un fuente de tensión continua, lacual puede ser negativa o positiva, esta fuente es utilizada para eliminar el offset a Vio. Si quieredeterminar cuanto offset es capaz de eliminar sólo basta insertar la fuente que lo produce, como loindica la fig.2.4, hacer la señal vi=0 y encontrar la salida.

$ EJEMPLO 2.1Para 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 esmantener un fuente variable, cuando el potenciómetro esta en un extremo, tenemos +Vcc ycuando está en el otro -Vcc

_

+

Ra

Rf

vivo

+Vcc_

100Ω200K Ω

=0

v+

Calculando la tensión en v+

( )cccc VxK

Vv ±≈Ω+Ω

Ω±= −+ 3105200100

100

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

( ) cca

fo Vx

RR

v ±

+≈ − 31051

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

ioa

fos V

RR

v

+= 1

Luego la anulación de esta componente va a depender del valor de ±Vcc y el divisor detensión, luego la cantidad de Vio que es capaz de eliminar es

( )ccVx ±− 3105 [volts]

@ TAREA 2.2


Determinar una expresión para el voltaje de salida en función de las diferentes entradaspara los circuitos mostrados en la fig. 2.12b, 2.12c y 2.12d.

@ TAREA 2.3Para 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 losordenes 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 voltajedesplazamiento de salida con un simple potenciómetro. Este potenciómetro debe ser conectadoentre los terminales de Offset Null del AO, el ajuste del potenciómetro debe realizarseconectando la entrada a tierra (0 Volts). El tercer terminal del potenciómetro no siempre vaconectado a -Vcc, este también puede ir conectado a +Vcc. Para ello procure siempre revisar lasespecificaciones técnicas del AO que desea utilizar.

_

+

R

R

vivo

1

2

3

2

15

6

10K

-Vcc

Ω

741 _

+vo3

2 15

6

25KΩ+Vcc

A*

*LF355/LF356

(a) (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?


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 alimentaciónsimétricas, sin embargo, también pueden operar con una única fuente. Para aplicaciones en lascuales existe una sola fuente (interface con circuitos digitales), se han diseñado AO para tal efecto.

_

+

V-

V+

vov+

v_ +

+

-

-

A*

* Tipo LM741/LF351/TLC066 etc.

2

3 4

76

_

+

V+

vov+

v_ +

-A*

* Tipo 1/4 LM124, LM324

4

11

2

31

_

+

V+

vov+

v_ +

-A*

* Tipo 1/2 TLC 272, TLC 277

8

4

12

3

Figura 2.15. Alimentación de un AO.

Limitaciones de entradaLas 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 característicasnominales 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 deentrada no protegida) el diodo zener emisor-base de uno de los transistores de entrada diferencialentrará 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 soloestará 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 provocarándaños 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

R

vo

Figura 2.15. Protección de entrada diferencial.

Latch-up

La salida del AO permanece fija en un determinado nivel de tensión continua después dehaber retirado la señal de entrada responsable. Si un AO entra en Latch-up es muy posible quequede 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 permitelimitar la señal de entrada a la indicada por el diodo zener.


_

+

R

R

vo

D

D

D

D1

2

3

4

10K

10K

Ω

Ω-15

+15v

v

vi

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, aunqueestos pueden sobrevivir a cortocircuito de unos pocos segundos de duración, un cortocircuitoprolongado a tierra o a ±Vcc produce la destrucción del circuito.

Cualquier AO que no tenga protección puede protegerse contra cortocircuitos medianteuna resistencia de bajo valor en serie con la salida.

_

+

R

vo

f

3

26

220Ω

Figura 2.17. Protección contra cortocircuito.

La presencia de esta resistencia tiene un efecto mínimo en el funcionamiento si se conectadentro del lazo de realimentación, excepto la caída en la tensión de salida. Esta resistencia evita ladestrucción 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 lastensiones de alimentación especificada. Si alguna de las tensiones se invierte, aunque sólo sea unmomento, fluirá una corriente destructiva a través de los diodos de aislamiento del CI, que estánpolarizados normalmente en inversa. Debe tenerlo en cuenta para cualquier integrado. Pueden serutilizadas las configuraciones de la fig. 2.18.


_

+

V-

V+

1N4001

A_

+

V-

V+

1N4001

A

1N4001+

+

7

4C2

C1 _

+A

4

7

Figura 2.18. Protección de los AO.

Sobretensión

Los AO comerciales se especifican generalmente para una tensión total de operación de36 Volts (±18 V). Estos limites de tensión NO deben ser sobrepasados ni siquiera durante brevesinstantes. En el caso de que exista la probabilidad de ocurrencia, se deberá utilizar un voltaje debloqueo mediante un diodo zener en los terminales de alimentación.

_

+

V-

V+

A

100 Ω

Vz

Figura 2.19. Protección contra sobre tensión.

La resistencia es opcional siempre que la alimentación lleve fusible o limitación decorriente. 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 de36 volts, si la alimentación de ±18 volts o de 43 volts cuando la alimentación es de ±22 volts


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.

1 2 34

567

8

12 3 4

81 2 3 4 5 61718

7

(a) (b) (c)

Figura 2.19. (a) Encapsulado Metálico. (b) Encapsulado DIP (8 terminales).(c) Encapsulado PLCC. Elencapsulado de doble línea (DIP) de 8 pines (terminales) puede ser cerámico o plástico. Cuandose miran desde ariba una muesca o punto identifica el terminal 1.

También existen AO encapsulados en componentes más pequeños llamados de montajesuperficial (SMT), en formato PLCC (Plastic Lead Chip Carriers) o "chip con encapsulado deplástico" indicado en la fig. 2.19c. Los diferentes tipos de montaje superficial se encuentranindicados en la tabla 2.13.

SMT (Surface-Mounted Technology) Descripción

SOIC Small outline integrated CircuitPLCC Plastic Lead Chip CarriersLCCC Leadless Ceramics Chip Carriers

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).


_

+

1

2

34

5

6

78 +V

-V

SalidaEntrada

EntradaNo Inversora

Inversora

Lengueta que ubica el terminal 8

Offset Null

Offset Null

_

+

1

72

3

45

6

8

No Inversora

Inversora

SalidaEntrada

Entrada

-V

+V

Offset Null

Offset Null NC

La muesca o el punto indica el terminal 1

(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. Enel encapsulado DIP 14 la numeración de los pines es similar al DIP 8, con la única diferencia enque 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 sabequien 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 queconsta 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 Analog DeviceCA RCALM National SemiconductorMC MotorolaNE/SE SigneticsOP Precision MonolithicsLT Linear TechnologySG Silicon GeneralTL Texas InstrumentUA(µA) Fairchaild

Tabla 2.14. Identificación de fabricante de AO.

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


Código Intervalo de Temperatura

C ComercialI Industrial

M 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 De cerámica doble en lineaN, P De plástico doble en linea para inserción en receptáculo

Tabla 2.16. Descripción del sufijo.

$ EJEMPLO 2.2.

µA 741CP AO de propósito general Fairchaild, con intervalo de temperatura comercial yencapsulado de plástico

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

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

amplificadores operacionales 2

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