Componentes básicos - Amplificador operacional
Como dice el refrán, el amplificador operacional es el objetivo final de la electrónica analógica. El amplificador operacional (Operational Amplifier) es un dispositivo que puede amplificar señales eléctricas (voltaje/corriente/potencia). Además, puede funcionar como un buffer, un filtro y realizar diversas operaciones matemáticas (integración, diferenciación, multiplicación, logaritmo), entre otras funciones.
El amplificador operacional tiene una entrada diferencial (voltaje de fase positiva \(u_+\) y voltaje de fase negativa \(u_-\)), una salida de un solo terminal \(u_o\) y un par de pines de alimentación \(V_+\) y \(V_-\) (que generalmente no se muestran). Utiliza los voltajes de fase positiva \(u_+\) y de fase negativa \(u_-\) como entradas, realiza operaciones de comparación internas y amplifica la señal de salida a través del terminal de salida \(u_o\). La impedancia de salida del terminal \(u_o\) es 0, la corriente que fluye hacia afuera es suministrada por el terminal de fuente de alimentación positiva \(V_+\) y la corriente que fluye hacia adentro es suministrada por el terminal de fuente de alimentación negativa \(V_-\).
Cuando el amplificador operacional funciona en la región lineal, se cumple la siguiente relación:
Donde \(A_{uo}\) se conoce como la ganancia de voltaje en lazo abierto del amplificador operacional (u representa voltaje y o representa open), que generalmente es infinita.
Modos de funcionamiento del amplificador operacional
Las características de transferencia de voltaje de un amplificador operacional integrado se muestran en la siguiente figura:
El gráfico se divide en una región lineal y una región no lineal:
- Funcionamiento en la región de amplificación lineal: la pendiente de la línea diagonal representa la ganancia de voltaje en lazo abierto.
- Funcionamiento en la región no lineal: es el estado de saturación, representado por las líneas horizontales en los extremos izquierdo y derecho del gráfico, donde el voltaje de salida es \(-U_{om}\) (voltaje del terminal de fuente de alimentación negativa \(V_-\)) o \(+U_{om}\) (equivalente al voltaje del terminal de fuente de alimentación positiva \(V_+\)).
Alimentación del amplificador operacional
La alimentación del amplificador operacional generalmente se divide en una sola fuente de alimentación o doble fuente de alimentación. En una sola fuente de alimentación, \(V_+\) se conecta al voltaje positivo y \(V_-\) se conecta a tierra. En una doble fuente de alimentación, generalmente \(V_+\) se conecta al voltaje positivo y \(V_-\) se conecta al voltaje negativo. Diferentes modos de alimentación tienen diferentes características de frecuencia y rangos de entrada y salida.
Además, el amplificador operacional puede funcionar en condiciones de asimetría en las fuentes de alimentación positiva y negativa (\(V_+\)/\(V_-\)) (por ejemplo, \(V_+\) es 5V y \(V_-\) es -3V). No necesita estar referenciado a tierra y aún puede funcionar correctamente.
La capacidad de salida de riel a riel del amplificador operacional se refiere a que el voltaje de salida puede alcanzar los voltajes de la fuente de alimentación. Por ejemplo, si se trata de un amplificador operacional no riel a riel, si la alimentación es de 0 a 5V, es posible que la salida solo pueda alcanzar de 0.7 a 4.3V, mientras que la salida riel a riel puede ser de 0 a 5V.
Cortocircuito virtual y circuito abierto virtual del amplificador operacional
Cortocircuito virtual
El cortocircuito virtual se refiere a la igualdad aproximada de los voltajes en las dos entradas (positiva y negativa) del amplificador operacional cuando se aplica realimentación negativa.
En un circuito con realimentación negativa, si el voltaje en la entrada de fase positiva es ligeramente mayor que el voltaje en la entrada de fase negativa, el circuito de realimentación negativa elevará el voltaje en la entrada de fase negativa hasta que sea igual al voltaje en la entrada de fase positiva. Del mismo modo, si el voltaje en la entrada de fase positiva es ligeramente menor que el voltaje en la entrada de fase negativa, el voltaje en la entrada de fase negativa seguirá al voltaje en la entrada de fase positiva.
Circuito abierto virtual
El circuito abierto virtual se refiere a que las entradas del amplificador operacional tienen una impedancia de entrada muy alta, por lo que la corriente que fluye hacia las entradas es del orden de microamperios, lo que se aproxima a la ausencia de corriente (circuito abierto).
Nota: La alta impedancia de entrada de las entradas del amplificador operacional es válida en condiciones generales. También hay excepciones, como los amplificadores operacionales de retroalimentación de corriente.
Circuitos amplificador operacional comunes
Debido a que la ganancia de voltaje en lazo abierto del amplificador operacional es infinita, se requiere una estructura de circuito especial para lograr una amplificación adecuada.
Seguidor de voltaje
El seguidor de voltaje (también conocido como buffer) se utiliza para el acoplamiento entre una fuente de señal de alta impedancia y una carga de baja impedancia.
Amplificador inversor
El amplificador inversor tiene una salida en fase con la entrada, lo que permite amplificar la señal en fase.
Efecto: ajustando las resistencias \(R_G\) y \(R_F\), se logra una amplificación proporcional entre \(V_{OUT}\) y \(V_{IN}\).
Principio:
- Debido a la realimentación negativa, \(V_- = V_{IN}\).
- Debido a la alta impedancia de entrada, la corriente de entrada en el terminal \(V_-\) puede ser ignorada, por lo tanto \(I_{R_G}=I_{R_F}\). Según la ley de Ohm, \(\frac{0–V_-}{R_G}=\frac{V_- - V_{OUT}}{R_F}\), lo que resulta en \(V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)\).
Amplificador inversor
El amplificador inversor amplifica la señal y la invierte en la salida.
Restador de voltaje / Amplificador diferencial
El restador de voltaje / amplificador diferencial amplifica la diferencia entre dos voltajes y suprime el voltaje común.
Sumador de voltaje
El sumador de voltaje se utiliza para sumar múltiples voltajes.
Filtro paso bajo / Integrador
El filtro paso bajo / integrador se utiliza para filtrar las frecuencias altas de una señal, limitando el ancho de banda de la señal.
Filtro paso alto / Diferenciador
El filtro paso alto / diferenciador se utiliza para aislar señales de corriente continua y amplificar señales de corriente alterna.
Amplificador diferencial
El amplificador diferencial se utiliza para conducir una entrada diferencial o de un solo extremo a un ADC de entrada diferencial.
Amplificador de instrumentación
El amplificador de instrumentación se utiliza para amplificar señales diferenciales de bajo nivel y suprimir señales comunes. Donde \(V_{IN}\) es la diferencia de voltaje entre los dos terminales de entrada.
Parámetros del amplificador operacional
Ganancia de voltaje en lazo abierto
La ganancia de voltaje en lazo abierto \(A_{uo}\) representa la amplificación del amplificador operacional en la región de amplificación lineal, se expresa en decibelios (dB).
Voltaje de desplazamiento / offset
El voltaje de desplazamiento \(V_{OS}\) (Input Offset Voltage) a veces también se llama voltaje de polarización de entrada. Se refiere a la condición en la que la tensión de entrada del amplificador operacional es 0V, y la salida ideal debería ser cero, pero en realidad la salida no es cero. El voltaje de desplazamiento se calcula dividiendo la salida real por la ganancia. El voltaje de desplazamiento refleja la simetría interna del amplificador operacional.
Los factores que afectan el voltaje de desplazamiento son la temperatura (correspondiente a la deriva térmica del voltaje de desplazamiento) y las fluctuaciones de la fuente de alimentación (correspondiente a la relación de rechazo de la fuente de alimentación). El voltaje de desplazamiento es un sesgo de corriente continua que se superpone a la salida. Si la salida es una señal de corriente alterna, solo es necesario considerar si la superposición excede la tensión de alimentación y causa distorsión de la señal.
Sabemos que la fórmula de amplificación del amplificador inversor es \(V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)\). Si consideramos el efecto del voltaje de desplazamiento, la salida será \(V_{OUT}=(V_{IN}+V_{OS})(\frac{R_F}{R_G}+1)\).
Deriva térmica del voltaje de desplazamiento
La deriva térmica del voltaje de desplazamiento \(T_C V_{OS}\) representa la relación de cambio entre el voltaje de desplazamiento de entrada y la variación de temperatura dentro del rango de temperatura de funcionamiento del chip.
La deriva térmica del voltaje de desplazamiento puede causar cambios en el voltaje de desplazamiento y afectar la salida del amplificador operacional.
Corriente de desplazamiento de entrada
La corriente de desplazamiento de entrada \(I_{OS}\) se refiere a la diferencia entre las corrientes de entrada / salida de corriente continua en los dos terminales de entrada del amplificador operacional cuando la salida es cero. La corriente de desplazamiento de entrada está influenciada por el proceso de fabricación.
Corriente de polarización de entrada
La corriente de polarización de entrada \(I_B\) se refiere al promedio de las corrientes de entrada / salida de corriente continua en los dos terminales de entrada del amplificador operacional cuando la salida es cero.
La corriente de polarización de entrada está influenciada por el proceso de fabricación. La corriente de polarización de entrada en el proceso bipolar está entre 10nA y 1μA; en el proceso de transistor de efecto de campo, la corriente de polarización de entrada generalmente es inferior a 1nA.
Los errores pueden ser eliminados agregando resistencias de coincidencia en el terminal inversor.
Producto de ganancia y ancho de banda
增益带宽积 \(GBW\) (Gain-Bandwidth Product, GBWP/GBW/GBP/GB) se refiere al producto de la ganancia de voltaje en lazo abierto y la frecuencia de medición (ancho de banda) en una cierta frecuencia (generalmente cuando la ganancia del amplificador operacional se atenúa -3dB).
El GBW está influenciado por la respuesta en frecuencia de la capacitancia interna del amplificador operacional. Si se encuentra que la ganancia de la señal de alta frecuencia está limitada, se debe seleccionar un amplificador operacional con un parámetro \(GBP\) más grande.
Relación de Rechazo del Modo Común
La Relación de Rechazo del Modo Común \(CMRR\) (Common Mode Rejection Ratio, CMRR) se refiere a la relación entre el rango de voltaje de modo común (\(CMVR\)) y la variación de la tensión de desequilibrio de entrada (\(\Delta V_{O_{OS}}\)) dentro de este rango, y se expresa en dB.
El CMRR está influenciado por la simetría del circuito (corrientes de desequilibrio y otros parámetros) y el rango de operación lineal. Este parámetro se utiliza para indicar la capacidad de un circuito amplificador diferencial para suprimir señales de modo común y amplificar señales de modo diferencial. Un alto CMRR significa que se puede suprimir mejor la interferencia de las señales de entrada de modo común y mejorar la relación señal-ruido.
Tasa de Subida
La Tasa de Subida \(SR\) (Slew Rate, SR), también conocida como velocidad de cambio, representa la velocidad máxima a la que varía la tensión de salida en condiciones de señal grande.
Donde \(f\) es la frecuencia máxima (generalmente el ancho de banda) y \(V_{pk}\) es el valor pico a pico máximo de la señal de salida amplificada.
La tasa de subida se utiliza para evaluar la capacidad de un amplificador operacional para adaptarse a la velocidad de cambio de la señal y es un parámetro que mide la velocidad de funcionamiento del amplificador operacional cuando se aplica una señal de gran amplitud. La tensión de salida solo varía linealmente cuando la magnitud de la pendiente del cambio de la señal de entrada es menor que SR.
Otros parámetros
- Rango de voltaje de modo común \(CMVR\): también conocido como rango de voltaje de entrada, si el voltaje de entrada en ambos terminales excede este rango, la salida experimentará recorte o fenómenos no lineales excesivos.
- Ancho de banda de potencia total: se refiere a la frecuencia máxima medida con una ganancia unitaria, en esta frecuencia se puede obtener una tensión de salida nominal de una señal sinusoidal sin distorsión debido a la tasa de subida.
- Rango de voltaje de alimentación de trabajo: el rango de voltaje de alimentación que se puede aplicar cuando el amplificador operacional funciona normalmente.
- Relación de rechazo del suministro de energía \(PSRR\): la relación entre la variación del voltaje de suministro de energía y la variación de la tensión de desequilibrio de entrada, expresada en dB.
- Tiempo de establecimiento: el tiempo necesario para que el amplificador alcance un nivel de precisión predeterminado o un porcentaje de la tensión de salida después de aplicar una señal escalón.
- Corriente de alimentación: la corriente que debe proporcionar la fuente de alimentación cuando el amplificador opera en vacío.
Selección basada en parámetros
La selección de un amplificador operacional según los parámetros generalmente sigue los siguientes pasos:
- Determinar el tipo de señal de entrada: para señales de corriente continua, preste atención a la corriente y tensión de desequilibrio; para entradas diferenciales, determine si se debe seleccionar un amplificador de instrumentación; para señales de alta frecuencia de CA, preste atención al GBW y SR.
- Determinar los requisitos de precisión: considere el impacto de la tensión de desequilibrio, la corriente de polarización, la corriente de desequilibrio y la relación de rechazo del modo común en la precisión, y decida si se debe seleccionar un amplificador operacional de alta impedancia o de precisión.
- Considerar las condiciones ambientales: preste atención al rango de temperatura del amplificador operacional, al coeficiente de temperatura y al impacto de la relación de rechazo de la ondulación de la fuente de alimentación \(PSRR\).
- Considerar otros requisitos: número de canales, alimentación de una sola/doble fuente (distorsión de señal de riel a riel pequeña, salida de amplitud completa), potencia (alta tensión/gran corriente).
Selección basada en aplicación
Según la aplicación, los amplificadores operacionales se pueden dividir aproximadamente en:
- Amplificadores operacionales generales: dispositivos que no tienen requisitos especiales y se centran en la versatilidad y la relación calidad-precio.
- Amplificadores operacionales de audio: baja interferencia de ruido (alta fidelidad) y bajo consumo de energía (larga duración de la batería).
- Amplificadores operacionales de alta velocidad (\(GBW ≥ 50 MHz\)): bajo consumo de energía y bajo ruido SNR.
- Amplificadores operacionales de potencia: alta tensión y gran corriente.
- Amplificadores operacionales de precisión (\(V_{os} < 1mV\)): baja tensión de desequilibrio o baja deriva de temperatura, bajo ruido, bajo consumo de energía y ancho de banda amplio.
Referencias y Agradecimientos
- ¡Entendido! ¡Explicación genial sobre el funcionamiento de los amplificadores operacionales!
- Tres circuitos clásicos de amplificadores operacionales
- Guía de selección de amplificadores operacionales
- Guía rápida de selección de amplificadores operacionales
- Guía de selección de amplificadores operacionales de TI
- Explicación y análisis detallado de los parámetros de los amplificadores operacionales [Compartido por un FAE de TI]
Dirección original del artículo: https://wiki-power.com/
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