3. El típico amplificador operacional
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La mayoría de los amplificadores operacionales están diseñados y construidos de acuerdo con el diagrama de bloques que se muestra en la Figura 8.
Figura 8 - Configuración típica de un amplificador operacional
El amplificador diferencial y la etapa de ganancia de voltaje son las únicas etapas que proporcionan la ganancia de voltaje. El amplificador diferencial también proporciona el CMRR que es tan importante en el amplificador operacional. La salida del amplificador diferencial a menudo está conectada a un seguidor de emisor con una resistencia de emisor grande para proporcionar una carga de alta impedancia al amplificador diferencial para obtener una alta ganancia. Recuerde que un amplificador de emisor común de alta ganancia tiene una impedancia de entrada mucho menor que un amplificador de CE de ganancia moderada. Esto permite entonces el uso de un amplificador CE de alta ganancia para proporcionar la ganancia adicional. Los amplificadores operacionales lineales están acoplados directamente para proporcionar ac ganancia. Esto también elimina la necesidad de un condensador de acoplamiento que sea demasiado grande para colocarlo en un chip IC. Los desplazadores de nivel son necesarios para asegurar que la señal de salida no tenga ningún dc compensar. Los amplificadores operacionales se pueden modelar con mucha precisión mediante la simulación de circuitos. Demostraremos esto usando la simulación de circuito en línea TINACloud.
Embalaje 3.1
Los circuitos de amplificador operacional están empaquetados en paquetes IC estándar, que incluyen latas, paquetes de doble línea (DIP) y paquetes planos. Cada uno de estos paquetes tiene al menos ocho pines o conexiones. Se ilustran en las Figuras 9, 10 y 11.
Figura 9 - Conexión de amplificador operacional para el paquete de latas (vista superior)
Figura 10 - Conexión de amplificador operacional DIP de 14 pines (vista superior)
Figura 11 - Conexión de amplificador operacional para paquete plano de pin 10 (Vista superior)
Al construir un circuito, es importante identificar los diversos conductores correctamente (generalmente no están numerados). Las figuras ilustran la ubicación del pin 1. En el puede empaquetar de la Figura 9, el pin 1 se identifica como el primer pin a la izquierda de la pestaña, y los pines se numeran consecutivamente en sentido contrario a las agujas del reloj mirando desde la parte superior. En el paquete dual en linea de la Figura 10, la parte superior del paquete tiene una hendidura para ubicar el pin 1, y los pines están numerados hacia abajo a la izquierda y hacia arriba a la derecha. Tenga en cuenta que más de un amplificador operacional (generalmente 2 o 4) está empaquetado en un DIP.
En paquete plano de la figura 11, el pin 1 se identifica con un punto y los pines están numerados como en el DIP.
Requisitos de energía de 3.2
Muchos amplificadores operacionales requieren una fuente de voltaje tanto negativa como positiva. Las fuentes de voltaje típicas varían desde ± 5 V a ± 25 V. La figura 12 muestra las conexiones típicas de la fuente de alimentación al amplificador operacional.
El máximo swing de voltaje de salida está limitado por la dc voltaje suministrado al amplificador operacional. Algunos amplificadores operacionales pueden funcionar con una sola fuente de voltaje. Las especificaciones del fabricante definen los límites de operación en aquellos casos en los que el amplificador operacional usa solo una fuente de alimentación.
Figura 12 - Conexiones de alimentación
El máximo swing de voltaje de salida está limitado por la dc voltaje suministrado al amplificador operacional. Algunos amplificadores operacionales pueden funcionar con una sola fuente de voltaje. Las especificaciones del fabricante definen los límites de operación en aquellos casos en los que el amplificador operacional usa solo una fuente de alimentación.
3.3 El amplificador operacional 741
El amplificador operacional μA741 se ilustra en el circuito equivalente de la Figura 13. Ha sido producido desde 1966 por la mayoría de los fabricantes de circuitos integrados, y aunque ha habido muchos avances desde su introducción, el 741 todavía se usa ampliamente.
Figura 13 - El amplificador operacional 741
El amplificador operacional 741 tiene compensación interna que se refiere a la red RC que hace que la respuesta de amplitud de alta frecuencia se caiga. Porque el amplificador tiene una alta ganancia (del orden de 10).4 al 105 a bajas frecuencias) y porque las capacitancias parásitas en los transistores permiten retroalimentación parasitaria, el amplificador operacional se volvería inestable y oscilaría si no fuera por la compensación interna. Dos amplificadores de diferencia en cascada conducen un amplificador de potencia de simetría complementario a través de otro amplificador de voltaje.
El amplificador operacional 741 consta de tres etapas: un amplificador diferencial de entrada, un amplificador intermedio de ganancia alta de un solo extremo y un amplificador de almacenamiento intermedio de salida. Otros circuitos importantes para su funcionamiento es un cambiador de nivel para cambiar el dc Nivel de la señal para que la salida pueda hacer que los circuitos de polarización sean positivos y negativos para proporcionar corrientes de referencia a los diversos amplificadores, y circuitos que protegen al amplificador operacional de cortocircuitos en la salida. El 741 se compensa internamente por medio de una red de condensador-resistencia en el chip.
El amplificador operacional se mejora aún más agregando más etapas de amplificación, aislando los circuitos de entrada y agregando más seguidores emisores en la salida para disminuir la impedancia de salida. Otras mejoras resultan en un aumento de CMRR, una mayor impedancia de entrada, una respuesta de frecuencia más amplia, una menor impedancia de salida y un aumento de la potencia.
Circuitos de sesgo
Se pueden ver varias fuentes constantes en el amplificador operacional 741 de la Figura 13. Transistores Q8 y Q9 son la fuente actual de IEE del amplificador diferencial formado por Q1, Q2, Q3y Q4. Transistores Q5, Q6y Q7, son las cargas activas que sustituyen a la RC Resistencias del amplificador diferencial. Transistores Q10, Q11y Q12 Forman la red de polarización para las fuentes de corriente del amplificador diferencial. Transistores Q10 y Q11 forme una fuente de corriente Widlar para esta red de polarización con los otros transistores actuando como un espejo actual.
Protección contra cortocircuitos
El circuito 741 incluye una serie de transistores que normalmente se cortan y conducen solo en el caso de que exista una gran corriente en la salida. El sesgo en los transistores de salida se cambia para reducir esta corriente a un nivel aceptable. En el circuito de la Figura 13, esta red de protección contra cortocircuitos consiste en transistores Q15 y Q22 y resistencia R11.
Etapa de entrada
La etapa de entrada del amplificador operacional 741 se requiere para proporcionar ganancia de voltaje, cambio de nivel y una salida de amplificador diferencial de un solo extremo. La complejidad de los circuitos provoca un gran error de voltaje de compensación. En contraste con esto, el amplificador diferencial cargado con resistencia estándar causa menos error de voltaje de compensación. Sin embargo, el amplificador estándar tiene una ganancia limitada, lo que significa que se necesitarían más etapas para lograr la amplificación deseada. Los amplificadores diferenciales cargados con resistencia se usan en amplificadores operacionales que tienen menos desviación de voltaje que el 741.
Los BJT utilizados en la etapa de entrada requieren grandes corrientes de polarización, lo que introduce problemas de corriente de compensación. Para reducir el error de corriente de compensación, otros tipos de amplificadores operacionales usan MOSFET en la etapa de entrada.
La etapa de entrada del 741 es un amplificador diferencial con una carga activa formada por transistores Q5, Q6y Q7 y resistencias R1, R2y R3. Este circuito proporciona una alta carga de resistencia y convierte la señal de diferencial a un solo extremo sin degradación de ganancia o relación de rechazo en modo común. La salida de un solo extremo se toma del colector de Q6. La palanca de cambios de nivel de entrada consta de lateral PNP transistores Q3 y Q4, que están conectados en una configuración de base común.
Utilización de los transistores laterales. Q3 y Q4, resulta en una ventaja añadida. Ayudan a proteger los transistores de entrada, Q1 y Q2, contra la ruptura de la unión emisor-base. La unión de la base de un emisor npn el transistor se descompondrá cuando la polarización inversa exceda aproximadamente 7 V. La ruptura lateral del transistor no se producirá hasta que la polarización inversa exceda aproximadamente 50 V. Ya que los transistores están en serie con Q1 y Q2, se aumenta la tensión de ruptura del circuito de entrada.
Etapa intermedia
Las etapas intermedias en la mayoría de los amplificadores operacionales proporcionan una alta ganancia a través de varios amplificadores. En el 741, la salida de un solo extremo de la primera etapa está conectada a la base de Q16 que está en una configuración de seguidor de emisor. Esto proporciona una alta impedancia de entrada a la etapa de entrada que minimiza la carga. La etapa intermedia también consta de transistores. Q16 y Q17, y resistencias R8 y R9. La salida de la etapa intermedia se toma del colector de Q17, y proporcionado a Q14 a través de un divisor de fase. El condensador en el 741 se usa para la compensación de frecuencia que se describe en los siguientes capítulos de este texto.
Etapa de salida
Se requiere que la etapa de salida de un amplificador operacional proporcione una alta ganancia de corriente a una impedancia de salida baja. La mayoría de los amplificadores operacionales utilizan una etapa de salida de simetría complementaria para aumentar la eficiencia sin sacrificar la ganancia de corriente. La eficiencia máxima alcanzable para el amplificador de clase B de simetría complementaria es del 78%. El amplificador de salida de un solo extremo tiene una eficiencia máxima de solo el 25%. Algunos amplificadores operacionales usan simetría complementaria de pares Darlington para aumentar su capacidad de salida. La etapa de salida de simetría complementaria en el 741 consta de Q14 y Q20.
Las pequeñas resistencias, R6 y R7, proporcionar limitación de corriente en la salida. La pareja de Darlington, Q18 y Q19, se utiliza en lugar del diodo en la etapa de salida de simetría complementaria compensada por diodo como se describe en el Capítulo 8. La disposición del par Darlington se favorece sobre los dos transistores conectados como diodo, ya que puede fabricarse en un área más pequeña. La fuente de corriente que sustituye a la resistencia de polarización en el circuito de simetría complementaria es realizada por una parte del transistor Q13. Transistores Q22, Q23y Q24 son parte de una disposición de cambio de nivel que asegura que la tensión de salida esté centrada alrededor del eje cero.
CURRENT - 3. El amplificador operacional típico