DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA II - LABORATORIO 1 - AGOSTO 2008 1

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS DE UNAMPLIFICADOR OPERACIONALLuis F. De La Hoz, María Ilse Dovale, Danilza Hurtado, Andrés E. Manotas

División de IngenieríasUniversidad del Norte

Barranquilla

Abstract— El funcionamiento básico de los Amplificadores Op-eracionales (Op Amp), se puede verificar a partir de un análisisdetallado de los parámetros fundamentales que caracterizan alos dispositivos reales de los ideales. Las imperfecciones DCtambién serán parte crucial de nuestro estudio ya que estoscomportamientos son los que afectan muy frecuentemente a losOp Amp, además de esto, se hará el respectivo análisis de lasdiferencias entre las mediciones y los cálculos teóricos.

I. INTRODUCCION

L OS amplificadores operacionas son dispositivos electróni-cos, como lo indica su nombre, de amplificación, los

cuales están basados en transistores BJT o MOSFET, como severá más adelante. Están compuestos por 3 etapas: la entrada,amplificación y carga o salida. Unas de sus característicasmás sobresalientes son su alta resistencia de entrada, su bajaresistencia de salida y la alta salida que presentan.

Este dispositivo es encargado de amplificar la diferenciaentre dos señales en sus terminales de entrada, lo cual lo hacemuy útil para muchas aplicaciones.

Sus terminales de entrada son conocidas como "Inversora"y "No inversora", las cuales veremos de forma más detalladaa continuación.

Aunque muchas veces existen caracerísticas físicas queinfluyen en el comportamiento de un Op Amp ideal, enocasiones muchas veces se pueden despreciar y el dispositivose puede trabajar como un modelo ideal para su análisis.

II. CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORESOPERACIONALES

El nombre de amplificador operacional como su nombre loindica, es un dispositivo que amplifica o disminuye la señalde entrada, y además hace operaciones matemáticas con lasseñales.

El primer amplificador operacional data de los años 60’s,construído por Fairchild y diseñado por Bob Widlar. ElFairchild�A709 (1965), también de Widlar, constituyó un granéxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popularFairchild �A741(1968), de David Fullagar, y fabricado pordiversas empresas el cual estuvo basado en tecnología bipolar.

Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadoresoperacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pineso terminales. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muescaentre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que esta a laizquierda, en la Figura 1 se puede ver como es un amplificador

operacional y de qué forma se relaciona con el modelo que seanaliza teóricamente.

Figura 1:. Distribución de los pines en un AmplificadorOperacional con su modelo teórico internamente.

Como vemos en esta imagen,�Entrada inversora .............................................2�Entrada no inversora ........................................3�Salida ................................................................6�Terminal de alimentación positiva (V+) ..........7�Terminal de alimentación negativa (V-) ..........4

En el amplificador operacional se utilizan principalmente 5de sus 8 entradas, que son las de mayor interés, las otras 3terminales son llamadas terminales de compensación las cualespueden usarse en un circuito auxiliar para compensar algunadegradación del funcionamiento debida a imperfecciones oenvejecimiento. Sin embargo, esta degradación es despreciableen la mayoría de los casos, es por esto que las terminales decompensación casi no se usan.

Debido a la limitación que supone no poder entregar mástensión de la que hay en la alimentación, el Op Amp estará sat-urado si sobrepasa el límite de los voltajes de polarización.deforma ideal, en la realidad la salida se encuentra 1V o 2V pordebajo del valor de las alimentacionesVs � :

Un Op Amp puede utilizarse en diversidad de aplicaciones:

�Amplificador Inversor:Es la configuración más sencilla.Dada una señal analógica (por ejemplo de audio) el amplifi-cador inversor constituye el modo mas simple de amplificar oatenuar la señal (modificar el volumen e la señal).�Comparador:Esta es una aplicación sin la realimentación.

Compara entre las dos entradas y saca una salida en funciónde qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveleslógicos. La manera más sencilla de construir un comparador

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consiste en conectar un amplificador operacional sin resisten-cias de realimentación.�Seguidor:Se usa como un buffer, para eliminar efectos de

carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo congran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)�Amplificador No Inversor:Este circuito presenta como

característica más destacable su capacidad para mantener lafase de una señal.

De estas 4 configuraciones pueden implementarse los di-versos montajes con Op Amp como lo son los sumadores, losdiferenciadores, los derivadotes, los logarítmicos, entre otros.

Cuando el voltaje de entrada es cero en un Op Ampideal,la salida de este también es cero, pero esto sólo es verídico enla teoría ya que a nivel practico, el voltaje de offset o voltajede desvío que está alrededor de los20 a 26mV , se puedepresenciar en la salida de un Op Ampreal. Así pues, es unvoltaje presente en la salida del amplificador aún cuando losvoltajes de las dos entradas sean cero. Este efecto es causadopor el ruido que el amplificador operacional amplifica y lopresenta a la salida del mismo.

El voltaje de Offset lo especifica el fabricante y se puededeterminar, ya que el producto de el voltaje de desvío conla ganancia establecida será mostrado en la salida, tambiénlo puede generar aquellas variaciones de polarización del OpAmp.

Otro efecto nos muestra la diferencia entre los Op Ampideales y los reales son las llamadas corrientes Offset las cualesson cero en los Op Ampideales,pero en losreales tambiénnos introducen un desnivel el cual nos afecta reduciendo elnivel de operación.

Para entender a lo que llamamos voltaje de desnivel ovoltaje Offset, imaginemos las dos terminales de entrada delAmplificador Operacional unidas y conectadas a tierra, yse observará que a pesar de esto, en la salida se obtendráun voltaje de DC. En este caso (con el Op Amp uA741)se observó que el voltaje Offset estaba entre0:25V=�s y0:5V=�s.

En realidad, si se tiene una ganancia de DC elevada, lasalida estará en el nivel de saturación positivo o negativo,ahora si tenemos que la polaridad de dicho voltaje es negativa,podemos eliminar este desnivel conectando una fuente externaen las terminales de entrada con igual magnitud pero conpolaridad opuesta, es decir con polaridad positiva; ésta fuenteexterna desequilibrará el voltaje de desnivel de entrada del OpAmp.

El segundo problema de DC en los Op Amp para quefuncionen bien, es que se deben suministrar a cada una de susentradas corrientes DC denominadas corrientes de polarizaciónde entrada las cuales tienen como efecto un voltaje en DC enla salida de este mismo

Teniendo claro las imperfecciones de DC que se presentanen un Amplificador Operacional, vale la pena mencionar la

relación existente entre el ancho de banda a plena potencia(GBP por sus siglas en inglésGain Bandwith Product) y elparámetro que conocemos como Slew Rate.

Si tenemos en cuenta que el ancho de banda a plena potenciaes la frecuenciaa la que una senoide de salida con amplitudigual al voltaje de salida clasificado del Op Amp empieza amostrar distorsión debida a la limitación en la velocidad derespuesta y si denotamos el voltaje anteriormente mencionadocomoVomax y el ancho de banda a plena potencia comofMentonces veremos claramente que el Slew Rate se relacionacon esta frecuencia partiendo de queVomax � !M = SR.

Ahora se puede ver claro que si el ancho de banda a plenapotencia aumenta el Slew Rate, éste reaccionará de forma iguales decir aumentando.

A. Voltaje Offset y Corrientes de Polarización

En el laboratorio fue parte del estudio hacer una obtencióndel voltaje de Offset de un Opamp, con la ayuda de dosresistencias de 1M, para esto se uso la configuración mostradaen la Figura 2.

3

26

74

­

+

R2

R1

Vo

Vcc

Vee

S1

S2

Figura 2: Diagrama esquemático del circuito montado.

Con esta configuración se puede medir el valor del voltajeOffset, cerrando los dos swiches, y así cortocircuitar lasresistencias, para que las corrientes de polarización no generenuna caída de voltaje, y de esta manera obtener en la salida deOpamp el valor correspondiente al voltaje de Offset.

Después de tener el voltaje de Offset se procede a cerrarcada swiche por separado, para poder analizar los efectos deuna corriente sin que la otra afecte el voltaje de salida Vo, losresultados obtenidos fueron:

S1 S2V oltaje deSalida

Cerrado Cerrado 1mVAbierto Cerrado �40:7mVCerrado Abierto 37:5mV

Después de haber obtenido los valores de voltaje en lasalida con los dos swiches abiertos, conS1 abierto y S2cerrado y finalmente conS1 cerrado yS2 abierto, se procede

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a relacionar las corrientes (teniendo en cuenta el sentido decada una) con el voltaje de salida, para hallarIB1 e IB2, yposteriormenteIB e IOS , los valores obtenidos se pueder veren la TABLA1.

TABLA1

B. Voltajes de Saturación

En un Opamp a veces resulta curioso saber de donde saca laenergía para amplificar señales, y realmente eso depende de lasterminales de polarización, que las cuales suministran energíaal Opam, precisamente para cumplir este propósito, pero: ¿quepasaría si la onda de salida es mayor que la diferencia depotencial entre los terminales de alimentación de Opam?. Larespuesta se puede explicar con aquella ley de la física quedice que la energía no se crea ni se destruye, solo se trasforma,pues eso mismo pasa en un Opam, lo que quiere decir que siel voltaje de salida es mayor al voltaje de alimentación deeste, veremos un recorte en la salida.

Ahora bien en los generadores de señales que se disponen enel laboratorio sólo llegan a dar una onda de aproximadamente23V pico a pico, y esto es un problema para el estudio yaque el Opamp Dispone de una fuente de30V DC. Pero pararemediar esto recurrimos a bajar el voltaje de alimentación delOp Amp y de esta manera pudimos observar un recorte, quese vió en6:4V positivos y5:78V negativos, al alimentar elOpam con13V DC en sus terminales de alimentación, aunqueal analizar y comparar esta relación con la frecuencia, se pudoobservar que a frecuencias mayores se presenta una atenuaciónde la onda, pero con características especiales, que no tienennada que ver con recorte, y esto lo estudiaremos más a fondoen la siguiente prueba realizada. El recorte de la onda se puedeobservar en la Figura 3.

Figura3: Onda recortada por saturación en el Op Amp.

C. Rapidez De Respuesta

El Slew Rate de un Opamp es un valor que nos indica larapidez de respuesta de un Opamp, y para estimar este valor

se fijo una entrada digital haciendo uso de la salida TTL delgenerador de señales, y se fijó una frecuencia de 1Khz.

Después de tener la hoja de entrada se procedió a armarel circuito mostrado en la hoja del fabricante, el cual estáconformado por una configuración “Seguidor de Voltaje” dela fig.2 , la cual tiene como carga a la salida, una resistenciade 2k paralelo a un capacitor de100pF:

Después de esto y con ayuda del osciloscopio, se observó laonda de salida del circuito empleado, y aumentando la escalade tiempo hasta ver claramente la pendiente en la recta delvoltaje de salida, esta pendiente equivale al cambio de0V a5V en la señal de salida, que idealmente es cuadrada, pero quea causa de la carga a la que es sometida se ve el fenómeno conel cual se halla un valor del Slew Rate. La grafica de dichapendiente la podemos ver en la Figura 4.

Figura 4: Pendiente de voltaje de salida

El valor obtenido del Slew Rate fue0:76V=�s, arrojando unancho de banda a plena potencia de7:85kHz. Ahora teniendoel valor del ancho de banda a plena potencia (GBP) y elSlew Rate, se fijó una señal de20V pico-pico y de frecuencia1kHz y se halló la frecuencia limite en la que manteniendoel mismo voltaje en la entrada se obtuviera la misma salida(fl), valor que está relacionado con el Slew Rate; se obtuvoentonces, la frecuenciafl = 12kHz, y al graficar la ondade salida del circuito se llevó hasta el valor de12kHz lafrecuencia de la señal de entrada, y se observó que a partir deese valor comenzó la deformación de la onda de salida, la cualse apreciaba como una onda triangular a partir de13kHz, yque después de los14kHz empezaba a mostrar atenuación. Enla Fgura 5 podemos ver la onda distorsionada y posteriormentela onda con un voltaje menor para que tome su forma senoidalnuevamente.

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Figura 5: Onda distorsionada(arriba) Onda senoidal de menorvoltaje(abajo).

A partir de este resultado, es lógico pensar, teniendo losconceptos claros acerca del Slew Rate, que si reducimos laamplitud de la onda de entrada, la de salida empezará a salirde la deformación y volver a la forma de la onda de entrada,esto se hizo, y claramente se vió que con un voltaje pico apico de6V la onda en la salida fue igual a la de entrada, y seconcluyó que esto fue causa de la relación entre la frecuencialímite antes de la deformación, el Slew Rate y el voltaje en laentrada del Op Amp.

III. CONCLUSIONES

Como se pudo verificar el SR puede limitar la frecuencia,ya que ésta puede mostrar los cambios de voltajes que puedetener la señal, dando como resultado que cuando el SR esbajo no se puede tener señales a la entrada con frecuenciaalta. También éste puede limitar la amplitud de la señal deentrada ya que a menor amplitud de ésta más posibilidadestiene el dispositivo de poder seguirla debido que el cambioposible de voltaje es menor.

Teniendo claras las limitaciones que ofrece el Slew Rate,hay que tener muy en cuenta lo que es elvoltaje nominalde salida. El voltaje nominal de salida es el voltaje máximodonde el Op Amp puede estar sin que sufra algún tipo dedistorsión, y éste debe ser de 1 a 3 voltios menor que lafuente de alimentación positiva y negativa, como la gananciade este es infinita el voltaje en la salida será limitado por lapolarización como se observó en el desarrollo de la prácticacuando se polarizó a -15 y 15 voltios. El valor de este voltajees dado por el fabricante y depende de las características comofue construido.

Como parte final de esta experiencia de laboratorio uti-lizamos una de las configuraciones más importantes y es laque se puede observar en la guía de laboratorio.

El nombre de esta configuración se denomina seguidor devoltaje, ya que la salida sigue a la entrada.

En esta configuración se puede observar que la salida seretroalimenta a la entrada inversora y ya que no existe una

resistencia en esta rama se puede afirmar que la retroali-mentación es 100% negativa.

Para esta configuración es claro que la señal diferencial deentrada es igual a cero por lo tanto la señal de salida será iguala la de entrada dando una ganancia de 1 y de aquí recibe suotro nombre;amplificador de ganancia unitaria.

IV. BIBLIOGRAFIA

[1]. SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth. Microelectronic Cir-cuits. 4a Ed. Oxford Unversity Press. New York, 1998. 1359p.

[2]. RASHID, Muhammad. Microelectronic Circuits:Analysis and Design. PWS Publishing Company. Boston,1999. 990 p.