Tema 4-ampli operc

Tema 4: Amplificador Operacional
Adoración Hermoso Fernández
1
AAMMPPLLIIFFIICCAADDOORR OOPPEERRAACCIIOONNAALL
4.1. FUNDAMENTOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Se puede definir un amplificador operacional (AO), como un componente con una
gran ganancia, cuyo circuito básico o de partida es un par diferencial. En cuanto a su modo
de operación, está determinado por el lazo de realimentación (positiva, negativa), el tipo de
elemento/os contenidos en el mismo, así como su disposición en dicho lazo. Consiguiéndose
de esta forma, que el mismo A.O sea capaz de realizar distintas operaciones.
Los inicios del amplificador operacional, están en torno al año 1940 y fueron en
aplicaciones de cálculo matemático (calculadoras). Ejemplo de aplicaciones que puede
realizar este dispositivo son: la derivación, integración, funciones trigonométricas, suma,
resta, etc. Debido a estas aplicaciones se le denominó y se le sigue denominando
amplificador operacional.
Posteriormente apareció la tecnología integrada, que permitía sobre un sustrato de
silicio fabricar una gran cantidad de componentes, esto dio lugar a que se pudiese integrar en
un circuito integrado un A.O. El primer amplificador operacional integrado fue desarrollado
por Fairchild en 1968; estoy refiriéndome al famoso 741, muy utilizado hoy en día. En la
actualidad, su campo de aplicaciones es muy amplio. Utilizándose en muchos sistemas de
control, por su elevada precisión y como amplificadores de baja frecuencia, convertidores
A/D, D/A, etc.
Los A.O son dispositivos lineales, o lo que es lo mismo, dan una respuesta continua a
lo largo del tiempo, no tienen una respuesta digital. Su configuración se corresponde con una
red activa o suministradora de potencia. Necesitando para suministrar esa potencia, de una
fuente de corriente continua que habrá que proporcionarle previamente.
Básicamente y desde el punto de vista de sus terminales, se puede decir que es una
red bipuerta, encargada de proporcionarnos a la salida la señal amplificada, que se le ha
introducido en la entrada.
Red Bipuerta
II
IV
IO
OV
Figura 1: Red bipuerta
Hasta ahora se ha hablado del amplificador que utiliza tecnología bipolar (transistores
BJT). Los que utilizan tecnología CMOS fueron desarrollados posteriormente, como
consecuencia de la aparición de la tecnología VLSI. También existen los amplificadores
basados en tecnologías BICMOS, que presentan las ventajas de los BJT (altas prestaciones
eléctricas) y de los CMOS (densidad de integración).

2
4.1.1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL BÁSICO
V2
1V
VO
dV
Entrada inversora
Entrada no inversora
Figura 2
La siguiente figura 2 representa el símbolo básico de un AO, donde se pueden
distinguir los siguientes terminales:
V1: se corresponde con la entrada no inversora, de ahí viene su asignación del signo
+. En la salida VO aparecerá la señal introducida en V1 con su amplificación
correspondiente.
V2: la entrada inversora como su nombre indica, va a producir que la señal que se le
introduzca, aparezca a la salida VO además de amplificada, desfasada o invertida 180
º, equivalente a decir, que se ha sufrido un cambio de signo en la salida respecto a la
entrada.
Vo: es como ya hemos visto tensión de la salida respecto a masa.
Vd: tensión diferencial de entrada, o diferencia entre las tensiones aplicadas entre la
entrada inversora y la no inversora del amplificador.
Idealmente, este componente sólo responde a la diferencia de tensión existente entre
los dos terminales de entrada, no a su potencial común (masa). Una señal positiva en la
entrada inversora (-), produce una señal negativa de salida, mientras que la misma señal
aplicada a la entrada no inversora (+) produce la misma señal en la salida, pero con signo
positivo. El que solo deba responder a la diferencia de tensiones en sus terminales de entrada,
se debe a que la etapa de entrada la constituye un amplificador diferencia o par diferencial,
circuito base del amplificador operacional. El par diferencial (fig. 3) como vimos en el tema 2
(Familias lógicas), es etapa clave de la lógica ECL y posee una simetría que le confiere unas
características muy especiales en cuanto a análisis y diseño. Debido a esto, los transistores
(Q1, Q2) deben ser totalmente simétricos, aspecto que no se consigue totalmente a la hora de
integrarlos en un circuito integrado. Dando lugar a que haya que tener en cuenta no solo la
ganancia diferencial (∆d), sino también la ganancia en modo común (∆c) que debería ser cero.

3
VCC+
C2RRC1 IC2C1I
_ CCV
OV
IE1 E2I
O2VVO1
I1V VI2
IE
1T T2
Figura 3: Amplificador diferencial
21
21
CC RR
TT
=
=
generador de corriente constante.:EI
21, II VV : entradas.
: salidas respecto a masa.0201, VV
Si a las dos entradas se le aplican dos señales de polaridades opuestas al modo de
operación, se le conoce como de doble entrada o modo diferencial.
0201 VVV −=
vVV
vVV
I
I
∆=
∆=
·
·
202
101
Av : ganancia en tensión.

4
La salida es proporcional a la diferencia de las señales de entrada multiplicada por la
ganancia.
( )AvVVVVV II 2102010 −=−=
De esta ecuación podemos extraer las siguientes conclusiones:
00021 =⇒=⇒= dII AVVV : Ganancia en modo diferencial nula.
21 II VV ≠ : Existencia de ganancia en tensión diferencial (Ad) y
amplificación de la diferencia entre las señales de entrada (amplificación
diferencial).
( ) dII AVVVVV 2102010 −=−=
Aunque la etapa de partida es el amplificador diferencial, un amplificador operacional se
puede dividir en tres bloques o etapas fundamentales.
Etapa
de
entrada
separadora
Etapa Etapa
de
salida
2V
V1
OV
+
_
Figura 4
Entrada: constituida básicamente por un amplificador diferencial. Posee por
tanto, una alta ganancia diferencial y una pequeña ganancia en modo común.
Etapa intermedia: es un amplificador que proporciona una ganancia adicional. No
olvidemos, la alta ganancia que posee el A.O.
Salida: esta etapa es otro bloque amplificador, que le da la característica al A.O.
de poseer una baja impedancia de salida.

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4.1.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL
Como su nombre indica, viendo este dispositivo desde un punto de vista ideal, las
características del amplificador operacional son las siguientes:
Resistencia de entrada infinita (RI = ∞).
Resistencia de salida nula (RO = 0).
Ancho de banda infinito (∆f = ∞ ).
Ganancia de tensión en lazo abierto infinita (∆V = ∞).
Ganancia en modo común nula (∆C = 0).
Ganancia en modo diferencial constante (∆d = K).
Ausencia de desviación en las características con la temperatura.
A partir de estas características se puede deducir que:
Si la resistencia de entrada es infinita, no existe flujo de corriente en ninguno de los dos
terminales de entrada. Por tanto, Vd = 0 (tensión diferencial nula ).
∞===∆
0
O
d
O
V
V
V
V
. También se puede decir que si la tensión de entrada diferencial (Vd)
es nula, cualquier señal de salida (VO) que se obtenga, será el resultado de una señal de
entrada infinitamente pequeña.
La figura 5 se corresponde con el A.O. ideal. En cuanto a la resistencia de salida (RO) al
ser nula, se ha representado mediante un hilo conductor continuo. Mientras que la resistencia de
entrada (RI) con un valor infinito, su forma de representación es equivalente a los dos terminales
de entrada abiertos.
V2
1V
VO
dV vAVd
ORRI
Figura 5
El modelo de A.O. ideal solo es, como su nombre indica, un concepto idealizado del
A.O. real. Siendo esta analogía muy práctica, al acercarse con una gran exactitud al
comportamiento real de estos circuitos.

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4.1.3. AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Las características anteriores no se pueden alcanzar en la realidad, pero los valores reales
se aproximan bastante a los ideales. Así:
Ganancia de tensión en lazo abierto muy alta: 103
a 106
.
Gran ancho de banda, desde la amplificación en corriente continua hasta varios
cientos de MHz.
Resistencia de entrada muy elevada, superior a 1 MΩ.
Resistencia de salida muy baja, del orden de unos pocos óhmios.
Ganancia en modo común distinta de cero, pero tiende a ser nula.
4.2. PARÁMETROS INTERNOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Los parámetros internos, representan las características particulares de cada amplificador,
en función de su estructura interna. Como consecuencia de los valores que posean estos
parámetros, se va a permitir la comparación entre distintos A.O. y como objetivo final, se va a
saber cual es el que mejor se ha adapta a nuestros requisitos de diseño.
4.2.1. TENSIÓN DIFERENCIAL (Vd)
Es la diferencia de tensión existente entre el terminal de entrada no inversor (V1) y el
inversor (V2).
( )1.21 EcuacVVVd −=
4.2.2. TENSIÓN EN MODO COMÚN (VC)
Así se denomina a la media aritmética de las dos tensiones de entrada.
( )2.
2
21
Ecuac
VV
Vc
+
=
En este caso, las señales se aplican por igual a ambas entradas.

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4.2.3. RELACIÓN ENTRE LA TENSIÓN DIFERENCIAL Y LA TENSIÓN EN MODO
COMÚN
En un AO ideal la salida es proporcional a la tensión diferencial, siendo ésta nula cuando
el valor de ambas entradas es igual.
021 =⇒= dVVV
De la fórmula correspondiente a la definición de la tensión en modo común se tiene que:
( )3.2 21 EcuacVVVc +=
Si sumamos a esta fórmula la correspondiente a la tensión diferencial.
1
21
21
22
2
VVV
VVV
VVV
dc
d
c
=+
−=
+=
Si despejamos la tensión en la entrada no inversora (V1).
dc VVV
2
1
1 +=
Si restamos a la ecuación 3 la ecuación 1.
2
21
21
22
2
VVV
VVV
VVV
dc
d
c
=−
+−=−
+=
Quedando que la entrada inversora vendría determinada por:
dc VVV
2
1
2 −=

8
Como hay que considerar que existen dos terminales de entrada (inversor y no inversor),
da lugar a que existan dos ganancias.
∆1: ganancia desde la entrada no inversora hasta la salida.
∆2: ganancia desde la entrada inversora hasta la salida.
En la práctica se comprueba que la salida no depende solo de la tensión diferencial, sino
que depende también de la tensión en modo común. Por tanto, la tensión de salida será vendrá
determinada de la siguiente forma.
2211 ·· VVVo ∆+∆=
Sustituyendo los valores de V1 y V2 se tiene:
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−∆+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+∆=
2
·
2
· 21
d
c
d
co
V
V
V
VV
2
··
2
· 2211
d
c
d
co
V
V
V
VV ∆−∆+∆+∆=
Agrupando términos.
( ) ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ ∆−∆
+∆+∆=
2
21
21 dco VVV
Si la tensión en modo común (Vc) se considera nula, la ganancia diferencial vendrá
determinada.
2
21 ∆−∆
==∆
d
o
d
V
V
La ganancia en modo común, se obtendrá teniendo en cuenta que la tensión diferencial
(Vd) es nula.
21 ∆+∆==∆
d
o
c
V
V

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La calidad de un amplificador operacional está en función de que la:
Ganancia diferencial sea muy grande.
Ganancia en modo común sea muy pequeña.
Por lo tanto, deberá rechazar las señales aplicadas en modo común a las dos entradas y
realizar una gran amplificación sobre la diferencia de tensiones aplicadas en éstas.
El parámetro que define la calidad de un AO se denomina: rechazo en modo común (δ o
CMRR) y viene definido como:
c
d
CMRR
∆
∆
=
Obviamente, cuanto mayor sea el parámetro que define la relación de rechazo en modo
común, mayor será la calidad del amplificador.
4.3. TENSIÓN OFFSET O DE ESTADO DE BLOQUEO
La tensión offset, es la tensión continua que aparece en la salida cuando la diferencia de
tensión entre los terminales inversor y no inversor es cero (Vd = 0). Esto se debe a que los
transistores internos del A.O. no son exactamente iguales y se produce una señal diferencial
interior, que amplificada aparecerá en la salida.
Este valor de tensión es erróneo y no debe aparecer en la salida. En aplicaciones donde se
requiere un alto grado de precisión, la tensión offset de entrada produce un error bastante
significativo, sobre todo si se trabaja con etapas de alta ganancia. Por consiguiente, esta tensión
offset es necesario anularla, la anulación del offset se puede hacer de dos formas:
Interna: lo proporciona el fabricante mediante unos terminales específicos en el chip del
AO.
Externa: mediante un circuito universal de ajuste del offset, cuya salida es aplicada a la
entrada no inversora o a la inversora.
4.4. OTROS PARÁMETROS IMPORTANTES DEL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
Los cinco terminales básicos de un amplificador operacional se corresponden con los de
alimentación, entrada y salida.
2 de alimentación general:
+
V: alimentación positiva respecto a masa.
-
V: alimentación negativa respecto a masa.

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2 terminales de entrada:
V1: entrada no inversora.
V2: entrada inversora.
1 terminal de salida (Vo): dependiendo de la configuración y señal introducida en
la entrada/as, puede ser tanto positiva como negativa respecto a masa.
V2
1V
VO
+V
-V
2I
I1
IO
Figura 6
4.4.1. TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN
Es la tensión máxima que puede aplicarse al A.O. Existen dos tipos de alimentación:
Simple: su valor es un rango de tensiones referida a masa. Aplicada generalmente
en el terminal +
V y donde el terminal -
V se conecta a masa. Por ejemplo de 3 a
30V.
Doble: en este caso, tanto el terminal +
V como el -
V tienen asignado un rango de
valores de tensión. Por ejemplo de ±1,5V a ±15V.
Hay que decir cuando el A.O. se satura, lo hace a la tensión de alimentación. Existiendo
una saturación positiva y una negativa, al existir alimentación positiva y negativa.
4.4.2. DISIPACIÓN DE POTENCIA (PD)
Es la potencia que puede disipar el amplificador para un rango de temperaturas
específico. Varía según el tipo de encapsulado utilizado. Los encapsulados cerámicos son los que
disipan más potencia, seguidos de los de metal y los de plástico.

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4.4.3. RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO (TOR)
Rango para el cual se asegura el funcionamiento óptimo del AO. Dependiendo de las
aplicaciones donde se va a utilizar y que va a traer como consecuencia, unas condiciones
ambientales más o menos críticas.
0 ºC a 70 ºC: comerciales.
-25 ºC a 85 ºC: aplicaciones industriales.
-55º C a 125 ºC: aplicaciones militares.
4.4.4. TENSIÓN DE ENTRADA DIFERENCIAL MÁXIMA (Vid,máx)
Valor máximo de tensión que puede aplicarse con seguridad entre el terminal inversor
(V2) y no inversor (V1), sin que exista un flujo excesivo de corriente, que pueda perjudicar a los
transistores de entrada internos del amplificador.
4.4.5. TENSIÓN DE ENTRADA EN MODO COMÚN MÁXIMA (Vic,máx)
Valor máximo que se puede aplicar entre los dos terminales de entrada (V1, V2) y masa.
Por tanto:
max,
21
2
ICV
VV
p
+
Muy importante a tener en cuenta, que tanto en modo común como en modo diferencial,
nunca debe superarse la tensión de alimentación, ya que podría dañarse el circuito.
4.4.6. DURACIÓN DE CORTOCIRCUITO A LA SALIDA
Tiempo máximo que el amplificador es capaz de soportar un cortocircuito directo desde:
la salida a masa.
la salida a un terminal de alimentación (+
V y -
V).
Puede darse también el caso de que el tiempo sea indefinido.
4.4.7. TENSIÓN OFFSET DE ENTRADA (VIO)
Tensión que debe aplicarse entre los terminales de entrada, a través de dos resistencias de
igual valor para obtener tensión de salida cero. Su valor está en unos pocos milivóltios.

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4.4.8. CORRIENTE DE POLARIZACIÓN (Iib)
Promedio de las dos corrientes de entrada (I1, I2). En estado de equilibrio, las dos
corrientes de entrada son casi iguales. Debido a que los transistores FET tienen menor consumo
que los BJT, los amplificadores con transistores de entrada de efecto de campo tendrán una
corriente de polarización menor que los que tengan transistores de entrada de unión bipolar.
4.4.9. CORRIENTE OFFSET DE ENTRADA (Iio)
Diferencia entre las corrientes de los dos terminales de entrada (inversor, no inversor)
cuando la salida es cero. En los amplificadores de propósito general es aproximadamente el 10%
de la corriente de polarización, pero puede ser menor este porcentaje en operacionales de
propósito específico (instrumentación, alta velocidad, etc).
4.4.10. RESISTENCIA DE ENTRADA (rin)
Resistencia vista desde un terminal de entrada, estando el otro terminal conectado a
masa.
4.4.11. CAPACIDAD DE ENTRADA (Cin)
Representa la capacidad de entrada, vista desde un terminal de entrada con la otra entrada
conectada a masa. Para altas frecuencias, la impedancia de entrada comienza a limitarse debido
al efecto paralelo de la reactancia capacitativa.
4.4.12. RANGO DE TENSIÓN DE ENTRADA EN MODO COMÚN (Vicr)
Llamado también solo “rango de tensión de entrada”. Corresponde al rango de tensiones
en modo común, que garantiza el fabricante para un óptimo funcionamiento del AO.
4.4.13. VARIACIÓN DE LA TENSIÓN DE SALIDA (Vop)
Máxima tensión de pico positiva o negativa, que puede ser obtenida a la salida sin recorte
de la onda, cuando la tensión continua de salida es cero. Esto implica una variación de salida
simétrica, aunque no es cierto que se dé en todos los casos. La variación de salida puede limitarse
debido a:
Efectos de carga.
Tensiones de alimentación.
Efectos de frecuencia.
Resistencia de fuente del amplificador.

13
Generalmente, el valor de esta tensión es de unos pocos voltios por debajo de la tensión
de alimentación utilizada.
Por ejemplo, el amplificador 741 tiene:
AAlliimmeennttaacciióónn VVaarriiaacc..TTííppiiccaa VVaarriiaacc.. MMíínn.. RReessiiss.. CCaarrggaa
± 15 V ± 14 V ± 12 V 10 K
± 15 V ± 13 V ± 10 V 2 K
4.4.14. RESISTENCIA DE SALIDA (ro)
Valor visto desde el terminal de salida con la salida anulada. Este valor se reduce si
existe realimentación. En este último caso, la reducción es proporcional a la ganancia del bucle
de realimentación.
4.4.15. RESISTENCIA DE SALIDA (Avo)
Ganancia del amplificador cuando no existe realimentación entre la salida y alguna de las
entradas. Su valor se suele dar en decibélios (dB).
4.4.16. FRECUENCIA DE TRANSICIÓN (Ft)
A esta frecuencia, la ganancia en bucle abierto del amplificador estando compensado, se
reduce a la unidad.
4.4.17. CONSUMO DE POTENCIA (Pc)
Potencia en continua, requerida para operar el amplificador con la salida a cero y sin
corriente de carga.

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