1El Amplicador Operacional Real: Parmetros yespecicaciones tcnicasJ. I HuircnAbstractSe describen las caractersticas del Ampli-cador Operacional real, el cual tiene ganancia nita, y de-pende de la frecuencia. Este amplicador no tiene balanceperfecto, pues, presenta un error en corriente continua, elcual se llama oset y es causado por Vio, IB e Iio. Las re-sistencias de entrada y salida del dispositivo tienen valoresnitos. Cada AOes identicado mediante uncdigo queespecica su encapsulado y tipo.Index TermsOp Amp IC, Amplicador Operacional.I. IntroductionPara trabajar con AO reales se requiere tomar en cuentaaspectos de tipo prctico, pues, aunque el modelo idealse asemeja bastante al real, ste no se comporta exacta-mente igual al ideal. Se debe conocer esta diferencia, yaque de ello depende el comportamiento nal de un circuitodiseado con un AO.II. El AO Integrado (OP AMP IC)El Amplicador Operacional (AO) integrado (CI) estconstituido bsicamente por dos etapas de ganancia devoltaje (una entrada diferencial y una etapa de emisorcomn) seguida por una etapa de salida clase AB de bajaimpedancia. Un diagrama simplicado de este circuito in-tegrado es mostrado en la Fig. 1. Esta versin de un AOintegrado es equivalente a un AO de propsito general,similar al LM101, jA 741, o versiones de AO mltiples [1].Este circuito permite entender el funcionamiento internodel CI.RBQ3Q5Q6Q7Q4Q1Q8Q2Q9 Q10CcvoutVccVEEvin+_Etapa de Entrada 2 Etapa Etapa de SalidaV+Fig. 1. Diagrama interno de un AO.La etapa de entrada conformada por Q1 y Q2 formanun par diferencial con carga activa formada por Q3 y Q4.Documento preparado en el DIE, UFRO. 2003-2011.La salida se toma desde el colector del transistor Q4. Porotro lado, Q10 proporciona un polarizacin adecuada parael par diferencial.En la mayora de los AO, la etapa intermedia (2aetapa)proporciona una alta ganancia a travs de varios ampli-cadores, en el circuito de la Fig. 1, dicha etapa esta for-mada por Q5 la cual es un circuito en emisor comn queproporciona una alta impedancia de entrada a la primeraetapa (la que atena los efectos de carga). Adems, estaetapa tiene un capacitor Cc el cual es utilizado por el AOpara compensacin en frecuencia.Finalmente, la etapa de salida est conformada por Q7y Q8, la que proporciona una alta ganancia de corriente auna baja impedancia de salida.Existen muchas variantes y mejoras al circuito mostrado,como lo es, modicar el par diferencial y utilizar transis-tores JFET en la entrada, que permite el incremento dela resistencia de entrada del AO, adems, la incorporacinde otras etapas de amplicacin interna, trasladadores denivel y circuitos de proteccin.CadaAOposee rasgos particulares, los que se en-cuentran especicados en las hojas de especicacin(Datasheet) de los manuales (Data Book) proporcionadospor los fabricantes.Estas contienen caractersticas de losAO para determinadas condiciones de operacin, indicadosen forma de tabla o en grcos en conjunto con aplicacionestpicas para el dispositivo.III. Ganancia de lazo abierto vLa diferencia ms signicativa entre el AO ideal y el reales la ganancia de tensin en lazo abierto, tambin cono-cida como ganancia diferencial. Mientras AO ideal tieneganancia innita, la ganancia AO real es nita y ademsdisminuye a medida que aumenta la frecuencia de trabajo.La ganancia de tensin se especica en decbeles.v = odvjdB = 20 log od(1)La ganancia es alta para entradas cuya frecuencia uc-ta entre c.c. y 10 KHz aproximadamente, para luego em-pezar a decaer. Esta frecuencia de corte vara de acuerdoal tipo de AO, para el caso de la Fig. 2, la alta ganan-cia se mantiene hasta los 100Hz, decayendo a medida queaumenta la frecuencia.IV. Errores de desplazamiento (Offset) detensin y corrienteEl AO ideal es un dispositivo balanceado, es deciro = 0, si +=

(2)2f [H]10080604020[dB]10102 6Avz0Fig. 2. Respuesta en frecuencia del AO.En cambio, el AO real tiene un desajuste, debido a quelos transistores que lo componen, especialmente los tran-sistores del amplicador diferencial de entrada (Q1 y Q2),no son exactamente pareados.Esto implica que se producen desajustes en los valores de, de los transitores, lo cual trae como consecuencia varia-ciones en los valores de las corrientes de entrada. Como losujos de corrientes son distintos en los terminales de en-trada, aparecen diferencias en las tensiones base emisor delos transistores del par diferencial. Tambin una variacinen las resistencias de colector, producir un desequilibrio.El resultado nal es un desajuste entre los colectores delamplicador diferencial, que se maniesta en un voltajeo de salida distinto de cero. El desbalance producido seconoce como voltaje oset o voltaje de desplazamiento.Para solucionar este problema, se requiere de la apli-cacin de un voltaje de compensacin entre los terminalesde entrada, para balancear la salida del amplicador (an-ulacin del voltaje de oset).A parte de los desajustes propios de construccin de losAO, existen otros tales como los producidos por varia-ciones de temperatura y cambios en las tensiones de ali-mentacin. Para medir y especicar la compensacin deoset del AO,se proponen tres parmetros, el \io, 1B e 1io.A. Tensin de desplazamiento (Oset) en la entrada (\io)En el AO real si ambas entradas son conectadas a tierra,la salida es distinta de cero, pues existe una pequea ten-sin de desplazamiento. Esta tensin en la entrada, lla-mada \io, se dene como la tensin de entrada necesariapara que la salida sea igual a cero. Si este valor es distintode cero, el AO amplicar cualquier desplazamiento en laentrada, provocando un error grande en corriente continuaen la salida.ov_+_+_+AVi oVi oFig. 3. Modelacin del Vio.Este parmetro es independiente de la ganancia del AO,y su polaridad puede ser positiva o negativa. El efecto delTABLE IValores tpicos de Vio para diferentes AO.AO VioAO de propsito general 2 10[:\ ]Entrada JFET 1 2[:\ ]Instrumentacin 10 100 [j\ ]voltaje \io, se modela como una fuente de tensin continuaen una de las entradas del AO ideal como se indica en laFig. 3 y sus valores tpicos de muestran el la Tabla ??.B. Corriente de polarizacin de entrada (1B)Las entradas del AO ideal no requieren corriente, sin em-bargo, en el caso real ingresa una corriente de polarizacinen cada terminal de entrada. Esta corriente 1B (la letra1 corresponde a la abreviacin 1ia:) es la corriente debase del transistor de entrada, que se dene como la semi-suma de las corrientes de entradas individuales de un AObalanceado de acuerdo a la ecuacin (3).La corriente depolarizacin de entrada se puede modelar como dos fuentesde corrientes como se indica en la Fig. 4.1B = 1+B +1

B2(3)ov_+I+B BI_Fig. 4. Modelacin de IB.TABLE IIValores tpicos de IB para diferentes AO.AO 1BAO de propsito general 2[j]Entrada JFET 1[j]Instrumentacin 3 6 [:]C. Coecientes que varan con respecto a la temperaturaTanto \io, 1B e 1io son dependientes de la temperatura,es por eso que se denen tres coecientes que relacionansu variacin con la variacin de temperatura. Coeciente de temperatura de 1B,IBTo Coeciente de temperatura de 1io,IioTo Coeciente de temperatura de \io,VioToD. Modelo Considerando los efectos del osetDe acuerdo a lo planteado resulta conveniente para losanlisis de circuitos con oset, usar el modelo de la Fig.5,EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL: PARMETROS Y ESPECIFICACIONES TCNICAS 3el cual muestra un AO ideal con los efectos de \io e 1B.Dada la linealidad del dispositivo, los efectos de las fuentesen las salidas sern aditivos.ov+_+Vi oI+BBI_Fig. 5. Modelo completo de Oset en un AO ideal.V. Parmetros relacionados con la respuesta enfrecuenciaEl AO real no tiene ancho de banda (BW) innito. Enlos AO reales, el ancho de banda comienza en la frecuen-cia cero y llega hasta la frecuencia de corte superior )c(frecuencia a la cual la ganancia disminuye en 3dB), stadepende del tipo de AO y de la ganancia de lazo cerrado.f [H][dB]fAvzAo-20 dB/deccAv=Av= 0ftFrecuencia a gananciaunidadGanancia unidad-3 dBFig. 6. Respuesta en frecuencia del AO (curva de lazo abierto)La respuesta en frecuencia del AO en lazo abierto se in-dica en la Fig. 6, donde o es la ganancia mxima tambinllamada ganancia de corriente continua o ganancia en bajafrecuencia.Si el AO es realimentado, ya sea una congu-racin inversora o no inversora, la ganancia disminuye y lafrecuencia de corte aumenta.A. Producto Ganancia - Ancho de Banda (GBP)Es el producto de la ganancia en lazo abierto disponibley el ancho de banda a una frecuencia especca.En granparte de los AO (compensados internamente en frecuencia)cuya respuesta en frecuencia cae con una pendiente de 20dB/dec, el GBP se considera constante. Este parmetroest ligado a la frecuencia a ganancia unidad ()t) y enalgunos casos son la misma cosa. Cuando se trabaja aganancia unitaria, el GBP es igual al ancho de banda.TABLE IIIGBP para distintos AO.AO G11 [MHz]LM 741 1LF 351 4LF 356 10B. Rise Time (tr)Es el tiempo que se demora la seal de salida en ir desde10% hasta el 90% de su valor nal, bajo condiciones depequea seal y en lazo cerrado. Se dene en base a la re-spuesta de una entrada escaln y se relaciona con el anchode banda a travs de (4).1\ = 0.35tr[Hz] (4)TABLE IVtr para AO 741 y 351.AO tr [j:] 1\ ['H.]LM741 0.3 1.16LF351 0.08 4.35El tr est dado para ganancia unitaria, as el ancho debanda calculado recibe el nombre de GBP o frecuenciaganancia unitaria ()t).C. Slew Rate (SR)La respuesta debida a un escaln no es ideal. Si se quierellevar la salida entre dos extremos, la respuesta del ampli-cador no es instantnea. La velocidad que toma la salidaen ir desde un extremo a otro es la que se conoce comorazn de cambio o slew rate y est medida enVs.TABLE VSR para distintos AO.AO o1 [ Vs]LM 741 0.3LF 351 13Comnmente el SR se relaciona con el ancho de bandade potencia, )p, que se dene como la frecuencia a la cualuna seal senoidal de salida, a una tensin predeterminada,comienza a distorsionarse. Si o = \ :c:2)pt, donde \ esla amplitud mxima de salida, el ancho de banda de po-tencia se dene como la habilidad para entregar el mximode voltaje de salida con incremento de frecuencia.VI. Caracterstica ElctricasLos fabricantes especican una serie de caractersticaselctricas para los AO, que ayudan a determinar los ran-gos mximos a los cuales pueden ser sometidos los ampli-cadores y adems sus caractersticas de entrada y salida.A. Relacin de rechazo en modo comn (CMRR)Mide la habilidad de un AO para rechazar seales enmodo comn. Si la misma seal alimenta a la entrada in-versora como a la no inversora de una conguracin difer-encial, la salida o debiera ser cero, sin embargo, debido a4la componente en modo comn esto no ocurre. La capaci-dad de atenuar esta componente es lo que se conoce comoCMRR y comnmente se expresa en decibeles (dB).C'11 =dcmC'11jdB = 20 log

dcm

(5)Donde, d, es la ganancia diferencial y cm es gananciaen modo comn.TABLE VICMRR para diferentes AO.AO C'11[d1]Propsito general 70Entrada JFET 100Instrumentacin 120VII. Resistencia de entrada (rin)Es la resistencia vista desde un terminal de entrada conla otra entrada puesta a tierra. Esta vara para cada AO.TABLE VIIrin para diferentes AO.AO rinPropsito general (Entrada bipolar) 1 2 [']Entrada JFET 1012[]Instrumentacin (OP-07) 3.3 [']A. Resistencia de salida (ro)Es la resistencia vista desde el terminal de salida. Esteparmetro se dene bajo condiciones de pequea seal confrecuencias por encima de algunos cientos de hertz.TABLE VIIIro para distintos AO.AO roPropsito general (Entrada bipolar) 75 []Instrumentacin (OP-07) 60 []B. Output voltage swing (Vo max, Vop)Dependiendo de la resistencia de carga, este es el mximojca/ de salida en voltaje que el AO puede entregar sinsaturarse o recortar la seal.VIII. Caracterstica Nominal mximaA. Tensin de alimentacin (V+y V

)Es la tensin de alimentacin mxima permitida quepuede aplicarse con seguridad al amplicador. Aunque seTABLE IXVop para distintos AO.AO Output Voltage swing [\ ]Propsito general 14 (11101)Instrumentacin (OP-07) 13 (11101)designa como estandar 15 [\ ] de alimentacin, la mayorade los AO integrados operan sobre un amplio rango de po-tenciales, algunos van desde valores tan bajos como 1 [\ ],y otros hasta 40 [\ ].TABLE XVoltajes de alimentacin para distintos AO.AO \cc[o|t:]Propsito general 18Instrumentacin (OP-07) 22B. Rango de Temperaturas de operacin (Tor)Es el rango de temperatura dentro del cual el dispositivofuncionar con las especicaciones mostradas.TABLE XIRangos de temperatura.Tipo Especicacin Rango de TemperaturaMilitar -55 oC a +125 oCIndustrial -25 oC a + 85 oCComercial 0 oC a + 70 oCC. Tensin de entrada diferencial (\id)Es la tensin mxima que puede aplicarse con seguridadentre los terminales de entrada diferencial sin ujo excesivode corriente. Estos valores son variables, los AO con en-trada cascodo pnp/npn soportan hasta 30 [\ ], similaresa los AO con entrada FET.D. Voltaje de entrada en modo comn (\cm)Es el rango de voltaje que se puede aplicar en ambasentradas respecto a tierra.E. Consumo de potencia (1c)Es la potencia requerida para operar el AO o la potenciaconsumida por el AO con propsitos de polarizacin. Seespecica para 15 [\ ].F. Disipacin de Potencia (1D)Es la potencia que un dispositivo particular es capaz dedisipar con seguridad en forma continua mientras operadentro de un rango de temperatura especco. Esta car-acterstica vara de acuerdo al tipo de encapsulado. PorEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL: PARMETROS Y ESPECIFICACIONES TCNICAS 5ejemplo, los encapsulados cermicos permiten una altadisipacin de potencia, los metlicos permiten la siguientems alta disipacin, en cambio los de plsticos tienen lams baja. Un valor tpico es de 500 [:\].IX. Alimentacin y proteccin en los AOA. Alimentacin de los AOLa mayora de los AO han sido diseados para operarcon dos fuentes de alimentacin simtricas, sin embargo,tambin pueden operar con una nica fuente. Para apli-caciones en las cuales existe una sola fuente (interface concircuitos digitales), se han diseado AO especiales._+V+vov+v_ +_A** Tipo 1/4 LM124,LM324411231_+V-V+vov+v_++--A** Tipo LM741/LF351/TL06623476_+V+vov+v_+_A** Tipo 1/2TLC 272, TLC 27784123(a)(b)(c)Fig. 7. Alimentacin de un AO.La notacin 1/2 TLC272 y 1/4 LM324 hace referencia alos AO Mltiples, es decir, 1/2 TLC 272 indica que el CItiene dos AO en su interior.B. Limitaciones de entradaLas fallas en los AO en la etapa de entrada se producende dos formas: (a) excediendo las caractersticas nominalesde entrada diferencial; (b) excediendo caractersticas nom-inales en modo comn. El parmetro ms susceptible es elnominal de entrada diferencial.Cuandosesobrepasanlas caractersticas deentradadiferencial ,en un AO de entrada no protegida el diodozener emisor-base de uno de los transistores de entradadiferencial entrar en disrrupcin. Siempre que la diferen-cia entre los dos terminales de entrada exceda los 7[\ ],estos diodos emisor-base entrarn en disrrupcin y con-ducen una corriente que solo estar limitada por una re-sistencia externa. Si la impedancia que alimenta ambasentradas es baja, la corriente puede elevarse hasta nive-les destructivos. Las corrientes sobre 50[:] provocarndaos permanentes.La forma ms sencilla de proteger el AO es agregar dosdiodos como lo indica la Fig. 8. Estos diodos deben ser debajas prdidas tipo 1N458 o similares._+RRvoFig. 8. Proteccin de entrada diferencial.C. Latch-upLa salida del AO permanece ja en un determinado nivelde tensin continua despus de haber retirado la seal deentrada responsable. Si un AO entra en Latch-up es muyposible que quede daado permanentemente. Esto se pro-duce a menudo en etapas de seguidor de emisor.Para evitar este problema se plantea esta conguracinla que permite limitar la seal de entrada a la indicada porel diodo zener. 11 y 12 son diodos de bajas prdidas y13 y 14 pueden ser diodos zener de 10 12 [\ ]._+RRvoDD DD123410K10K-15[v]+15[v]viFig. 9. Proteccin contra latch-up.D. Proteccin contra cortocircuito a la salidaLos primeros AO no incorporaban limitacin de corri-ente en la etapa de salida, aunque estos pueden sobrevivira cortocircuito de unos pocos segundos de duracin, uncortocircuito prolongado a tierra o a \cc produce la de-struccin del circuito. Una proteccin muy til contra cor-tocircuitos es usar una resistencia de bajo valor en seriecon la salida, como se indica en la Fig. 10._+Rvof326220Fig. 10. Proteccin contra cortocircuito.El resistor tiene un efecto mnimo en el funcionamientosi se conecta dentro del lazo de realimentacin, excepto lacada en la tensin de salida. Este evita la destruccin delamplicador debido a un cortocircuito de la carga.6E. Proteccin de las tensiones de alimentacinE.1 Inversin de PolaridadDebido a la construccin interna, los CIs debe operarsiempre con la polaridad de las tensiones de alimentacinespecicada. Si alguna de las tensiones se invierte, aunqueslo sea un momento, uir una corriente destructiva atravs de los diodos de aislamiento del CI, que estn polar-izados normalmente en inversa.Pueden ser utilizadas lasconguraciones de la Fig. 11._+V-V+1N400xA_+V-V+1N400xA1N400x++74C2C1_+A47Fig. 11. Proteccin de los AO.E.2 SobretensinLos AO comerciales se especican generalmente para unatensin total de operacin de 36 [\ ] (18 [\ ]). Estoslmites de tensin NO deben ser sobrepasados ni siquieradurante breves instantes. Para prevenir esto, se deberutilizar un voltaje de bloqueo mediante un diodo zener enlos terminales de alimentacin._+V-V+A100VzFig. 12. Proteccin contra sobre tensin.La resistencia es opcional siempre que la alimentacinlleve fusible o limitacin de corriente. Otra alternativa esutilizar dos diodos zener, uno para cada terminal de ali-mentacin, esto proporciona proteccin contra sobre ten-sin e inversin de polaridad. El zener debe ser de 36 [\ ],si la alimentacin de 18 [\ ] o de 43 [\ ] cuando la ali-mentacin es de 22 [\ ].X. Encapsulados y cdigos de identificacinEl AO se fabrica de un pequeo chip de silicio y se encap-sula en una caja adecuada que puede ser de metal, plsticoo cermica.123456781234812 34 5 617187(a) (b)(c)148(d)Fig. 13. (a) Encapsulado Metlico.(b) Encapsulado DIP (8 termi-nales).(c) SOIC. (d) Encapsulado PLCC.La Fig. 13 muestra los diferentes tipos de encapsulado.El encapsulado DIP (Dual Inline Package - Encapusaldoen doble lnea) de 8 pines (terminales) indicado en la Fig.13b, puede ser cermico o plstico, mirado desde arribauna muesca o punto identica el terminal 1. La distanciaentre terminales es de 0.1 pulgadas (2.5mm aprox).Los AO encapsulados en componentes ms pequeos sonllamados de montaje supercial(SMT-Surface-MountedTechnology), se distingue elencapsulado SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) cuya distancia entre terminaleses 0.05 pulgadas (1.27mm) .Los distintos formato se en-cuentran indicados en la Tabla XII. El formato PLCC(Plastic Lead Chip Carriers) o chip con encapsulado deplstico se muestra en la Fig. 13d.TABLE XIIMontaje superficial.SMT DescripcinSOIC Small outline integrated CircuitPLCC Plastic Lead Chip CarriersLCCC Leadless Ceramics Chip CarrierA. Combinacin de Smbolos y TerminalesSe puede combinar en un slo dibujo el smbolo del AOcon el encapsulado (Fig. 14).La abreviacin NC indica que no hay conexin. El com-ponente se mira desde arriba. En el encapsulado DIP 14 lanumeracin de los pines es similar al DIP 8, con la nicadiferencia en que tiene 7 terminales por lado.B. Cdigos De IdenticacinCada tipo de AO tiene un cdigo de identicacin deletra y nmero, que permite saber el fabricante, el tipo deamplicador, de que calidad es y que encapsulado tiene.No todos los fabricantes utilizan el mismo cdigo, peroEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL: PARMETROS Y ESPECIFICACIONES TCNICAS 7_+12345678+V-VSalida EntradaEntradaNo InversoraInversoraLengueta que ubica el terminal 8Offset NullOffset Null_+17234568No InversoraInversoraSalidaEntradaEntrada-V+VOffset NullOffset NullNCLa muesca o el punto indica el terminal 1(a)(b)Fig. 14. (a) Encapsulado metlico de 8 terminales. (b) Encapsuladomini DIP de 8 pines.la mayora utiliza una identicacin que consta de cuatropartes escritas en el orden indicado en la Fig. 15.P. L. NumCto S. L. Cod Esp MilFig. 15. Especicacin de cdigo de los AO.Donde: P.L. (Prejo de Letras): Son dos letras que identicanal fabricante.TABLE XIIIIdentificacin de fabricante de AO [3].Prejo FabricanteAD Analog DeviceLM National SemiconductorMC MotorolaNE/SE SigneticsOP Precision MonolithicsLT Linear TechnologySG Silicon GeneralTL Texas InstrumentUA (jA) FairchaildCA RCA Num. Cto.(Nmero del Circuito): Se compone de tresa siete nmeros y letras que identican el tipo de AOy su intervalo de temperatura.TABLE XIVIntervalo de temperatura.Cdigo Intervalo de TemperaturaC ComercialI IndustrialM Militar S.L. (Sujo de Letras): Indica el tipo de encapsuladoque contiene al AO, puede ser de una o dos letras.Example 1: jA 741CP, Amp. Op. de propsito generalFairchild, con intervalo de temperatura comercial y encap-sulado de plstico.TABLE XVDescripcin del sufijo.Cdigo DescripcinD De plstico, doble en linea SMTJ De cermica doble en lineaN, P De plstico DIP para insercin en receptculoExample 2: OP037CP, Amp. Op. precisin, bajo ruido,alta velocidad, temperatura comercial y encapsulado deplstico.Example 3: LF351D, Amp. Op. con entrada JFET paramontaje supercial (Linear Bi-FET)XI. ConlusionesEl AO real tiene una ganancia de lazo abierto de aproxi-madamente 100 dB, la cual decrece a medida que aumentala frecuencia, luego, el ancho de banda es nito, y depen-der bsicamente de la ganancia realimentada de trabajo.El AO tambin presenta errores de corriente continua, esdecir, si +=

, la salida es distinta de cero, esto seconoce como oset, el cual se debe reducir o compensarsobre todo para aplicaciones de alta ganancia. Las causasde oset son \io, 1B e 1io.Todos estos parmetros, ms los relacionados con lascaractersticas nominales del circuito integrado deben serconsiderados para su ptimo funcionamiento.References[1] Solomon, E. The Monolithic Op Amp: A TutorialStudy IEEEJournal Solid State Circuits, Vol. SC-9, no.6, pp. 314-332, Dec1974.[2] Jung, W.(1977) Amplicadores Operacionales Integrados, Paran-info[3] Caughlin, R., Driscoll, F. (1991) Operational Ampliers & LinearIntegrated Circuits, Prentice-Hall[4] Savat, C., Roden, M (1992). Diseo Electrnico. Addison-Wesley[5] Sedra, A., Smith, K. (1998). MicroelectronicCircuit. OxfordPress