Amplificador operacional

Un amplificador operacional (a menudo llamado op amp , op-amp u opamp ) es un amplificador electrónico acoplado en CC con una entrada diferencial , una tensión de salida (generalmente) de terminación simple ^{[ 1 ]} y una ganancia extremadamente alta . Su nombre proviene de su uso original para realizar operaciones matemáticas en computadoras analógicas . El amplificador operacional de realimentación de tensión ( VFOA o VFA , el tema central de este artículo) amplifica la diferencia de tensión entre sus dos entradas, mientras que el amplificador operacional de realimentación de corriente (CFOA), menos común, amplifica la corriente entre sus dos entradas. ^{[ 2 ]}

Mediante la retroalimentación negativa , las características de un circuito de aplicación con amplificador operacional (por ejemplo, su ganancia, impedancia de entrada y salida , ancho de banda y funcionalidad) pueden determinarse mediante componentes externos y dependen poco de los coeficientes de temperatura o las tolerancias de ingeniería del propio amplificador operacional. Esta flexibilidad ha convertido al amplificador operacional en un componente básico muy popular en los circuitos analógicos .

Hoy en día, los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente en la electrónica de consumo, industrial y científica. Muchos amplificadores operacionales de circuitos integrados estándar cuestan solo unos centavos; sin embargo, algunos amplificadores operacionales integrados o híbridos con especificaciones de rendimiento especiales pueden costar más de 100 dólares estadounidenses . ^{[ 3 ]} Los amplificadores operacionales pueden empaquetarse como componentes o utilizarse como elementos de circuitos integrados más complejos .

El amplificador operacional es un tipo de amplificador diferencial . Otros tipos de amplificadores diferenciales incluyen el amplificador totalmente diferencial (un amplificador operacional con una salida diferencial en lugar de una de un solo extremo), el amplificador de instrumentación (generalmente construido con tres amplificadores operacionales), el amplificador de aislamiento (con aislamiento galvánico entre la entrada y la salida) y el amplificador de retroalimentación negativa (generalmente construido con uno o más amplificadores operacionales y una red de retroalimentación resistiva).

_Las entradas diferenciales del amplificador consisten en una entrada no inversora (+) con voltaje V ₊ y una entrada inversora ( − ) con voltaje V− ; idealmente, el amplificador operacional amplifica solo la diferencia de voltaje entre ambas, que se denomina voltaje de entrada diferencial . El voltaje de _salida del amplificador operacional Vout viene dado por la ecuación $${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}),}$$ donde A _OL es la ganancia en lazo abierto del amplificador (el término "lazo abierto" se refiere a la ausencia de un lazo de retroalimentación externo desde la salida a la entrada).

Amplificador de bucle cerrado

Si se desea un funcionamiento predecible, se utiliza la retroalimentación negativa aplicando una porción de la tensión de salida a la entrada inversora. La retroalimentación en lazo cerrado reduce considerablemente la ganancia del circuito. Cuando se utiliza la retroalimentación negativa, la ganancia y la respuesta generales del circuito están determinadas principalmente por la red de retroalimentación, en lugar de por las características del amplificador operacional. Si la red de retroalimentación está compuesta por componentes con valores pequeños en relación con la impedancia de entrada del amplificador operacional, el valor de la respuesta en lazo abierto (A _OL) del amplificador operacional no afecta seriamente el rendimiento del circuito. En este contexto, una alta impedancia de entrada en los terminales de entrada y una baja impedancia de salida en los terminales de salida son características particularmente útiles de un amplificador operacional.

La respuesta del circuito amplificador operacional, con sus circuitos de entrada, salida y retroalimentación, a una señal de entrada se caracteriza matemáticamente mediante una función de transferencia . El diseño de un circuito amplificador operacional para obtener la función de transferencia deseada pertenece al ámbito de la ingeniería eléctrica . Las funciones de transferencia son importantes en la mayoría de las aplicaciones de los amplificadores operacionales, como en las computadoras analógicas .

En el amplificador no inversor de la derecha, la presencia de retroalimentación negativa a través del divisor de voltaje R _f , R _g determina la ganancia de lazo cerrado A _CL = V _out / V _in . El equilibrio se establecerá cuando V _out sea suficiente para elevar la entrada inversora al mismo voltaje que V _in . Por lo tanto, la ganancia de voltaje de todo el circuito es 1 + R _f / R _g . Como ejemplo sencillo, si V _in = 1 V y R _f = R _g , V _out será 2  V, exactamente la cantidad necesaria para mantener V ₋ en 1  V. Debido a la retroalimentación proporcionada por la red R _f , R _g , este es un circuito de lazo cerrado .

Otra forma de analizar este circuito procede haciendo las siguientes suposiciones (generalmente válidas): ^{[ 5 ]}

1. Cuando un amplificador operacional funciona en modo lineal (es decir, no saturado), la diferencia de voltaje entre los pines no inversores (+) e inversores ( − ) es insignificante.
2. La impedancia de entrada de los pines (+) y ( − ) es mucho mayor que otras resistencias en el circuito.

La señal de entrada V _in aparece en los pines (+) y ( − ) según la suposición 1, lo que resulta en una corriente i a través de R _g igual a V _in / R _g : $${\displaystyle i={\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}.}$$

Debido a que la ley de corrientes de Kirchhoff establece que la misma corriente debe salir de un nodo que entrar en él, y debido a que la impedancia en el pin ( − ) es casi infinita según la suposición 2, podemos suponer que prácticamente toda la misma corriente i fluye a través de R _f , creando una tensión de salida $${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}+iR_{\text{f}}=V_{\text{in}}+\left({\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}R_{\text{f}}\right)=V_{\text{in}}+{\frac {V_{\text{in}}R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}\right).}$$

Al combinar términos, determinamos la ganancia de lazo cerrado A _CL : $${\displaystyle A_{\text{CL}}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}=1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}.}$$

Los amplificadores operacionales se pueden clasificar según su construcción:

• discreto, construido a partir de transistores o tubos/válvulas individuales ,
• híbrido, compuesto por componentes discretos e integrados ,
• Circuitos integrados completos : los más comunes, habiendo desplazado a los dos anteriores debido a su bajo coste.

Los amplificadores operacionales IC se pueden clasificar de muchas maneras, entre ellas:

• Grado del dispositivo, incluyendo rangos de temperatura de funcionamiento aceptables y otros factores ambientales o de calidad. Por ejemplo: LM101, LM201 y LM301 se refieren a las versiones militar, industrial y comercial del mismo componente. Los componentes de grado militar e industrial ofrecen un mejor rendimiento en condiciones extremas que sus contrapartes comerciales, pero se venden a precios más elevados.
• La clasificación por tipo de encapsulado también puede afectar la resistencia ambiental, así como las opciones de fabricación; los encapsulados DIP y otros encapsulados de orificio pasante tienden a ser reemplazados por dispositivos de montaje superficial .
• Clasificación por compensación interna: los amplificadores operacionales pueden sufrir inestabilidad de alta frecuencia en algunos circuitos de retroalimentación negativa, a menos que un pequeño condensador de compensación modifique las respuestas de fase y frecuencia. Los amplificadores operacionales con un condensador incorporado se denominan compensados ​​y permiten que los circuitos con una ganancia de lazo cerrado superior a un valor especificado sean estables sin necesidad de un condensador externo. En particular, los amplificadores operacionales que son estables incluso con una ganancia de lazo cerrado de 1 se denominan compensados ​​de ganancia unitaria .
• Existen versiones simples, dobles y cuádruples de muchos circuitos integrados de amplificadores operacionales comerciales, lo que significa que se incluyen 1, 2 o 4 amplificadores operacionales en el mismo paquete.
• Los amplificadores operacionales de entrada (y/o salida) de riel a riel pueden funcionar con señales de entrada (y/o salida) muy cercanas a los rieles de la fuente de alimentación. ^{[ 15 ]}
• Los amplificadores operacionales CMOS (como el CA3140E) proporcionan resistencias de entrada extremadamente altas, superiores a las de los amplificadores operacionales con entrada JFET , que a su vez suelen ser superiores a las de los amplificadores operacionales con entrada bipolar .
• Los amplificadores operacionales programables permiten ajustar la corriente de reposo, el ancho de banda, etc., mediante una resistencia externa .
• Los fabricantes suelen comercializar sus amplificadores operacionales según su finalidad, como por ejemplo preamplificadores de bajo ruido, amplificadores de banda ancha, etc.

1941: Amplificador operacional de tubo de vacío. Un amplificador operacional, definido como un amplificador de retroalimentación inversora de alta ganancia, acoplado en CC y de propósito general, aparece por primera vez en la patente estadounidense 2,401,779 "Amplificador sumador", presentada por Karl D. Swartzel Jr. de Bell Labs en 1941. Este diseño utiliza tres tubos de vacío para lograr una ganancia de 90 dB y opera con voltajes de ±350 V. Posee una única entrada inversora en lugar de entradas inversoras y no inversoras diferenciales, como es común en los amplificadores operacionales actuales. Durante la Segunda Guerra Mundial , el diseño de Swartzel demostró su valía al ser ampliamente utilizado en el director de artillería M9 diseñado en Bell Labs. Este director de artillería, junto con el sistema de radar SCR-584, logró tasas de impacto extraordinarias (cercanas al 90%) que de otro modo no habrían sido posibles. ^{[ 18 ]}

1947: Un amplificador operacional con entrada no inversora explícita. En 1947, el amplificador operacional fue definido y nombrado formalmente por primera vez en un artículo de John R. Ragazzini de la Universidad de Columbia. ^{[ 19 ]} En este mismo artículo, una nota al pie menciona un diseño de amplificador operacional realizado por un estudiante que resultaría ser bastante significativo. Este amplificador operacional, diseñado por Loebe Julie , presenta dos innovaciones importantes. Su etapa de entrada utiliza un par de triodos de cola larga con cargas adaptadas para reducir la deriva en la salida y, mucho más importante, es el primer diseño de amplificador operacional con dos entradas (una inversora y otra no inversora). La entrada diferencial posibilita una amplia gama de nuevas funcionalidades, pero no se utilizaría durante mucho tiempo debido al auge del amplificador estabilizado por chopper. ^{[ 18 ]}

1949: Amplificador operacional estabilizado por chopper. En 1949, Edwin A. Goldberg diseñó un amplificador operacional estabilizado por chopper . ^{[ 20 ]} Esta configuración utiliza un amplificador operacional normal con un amplificador de CA adicional que se conecta junto al amplificador operacional. El chopper obtiene una señal de CA a partir de CC conmutando entre la tensión de CC y tierra a una velocidad rápida (60 o 400  Hz). Esta señal se amplifica, rectifica, filtra y se introduce en la entrada no inversora del amplificador operacional. Esto mejoró enormemente la ganancia del amplificador operacional, al tiempo que redujo significativamente la deriva de salida y el desplazamiento de CC. Desafortunadamente, cualquier diseño que utilizara un chopper no podía usar la entrada no inversora para ningún otro propósito. Sin embargo, las características mucho mejores del amplificador operacional estabilizado por chopper lo convirtieron en la forma dominante de usar amplificadores operacionales. Las técnicas que utilizaban la entrada no inversora no se practicaron ampliamente hasta la década de 1960, cuando los circuitos integrados de amplificadores operacionales estuvieron disponibles.

1953: Un amplificador operacional disponible comercialmente. En 1953, los amplificadores operacionales de válvulas de vacío se comercializaron con el lanzamiento del modelo K2-W de George A. Philbrick Researches . La designación en los dispositivos mostrados, GAP/R, es un acrónimo del nombre completo de la empresa. Dos válvulas de vacío 12AX7 de nueve pines estaban montadas en un encapsulado octal y contaba con un módulo chopper modelo K2-P disponible. Este amplificador operacional se basaba en un descendiente del diseño de Loebe Julie de 1947 y, junto con sus sucesores, daría inicio al uso generalizado de amplificadores operacionales en la industria. ^{[ 21 ]}

1961: Un amplificador operacional discreto. Con el nacimiento del transistor en 1947 y del transistor de silicio en 1954, el concepto de circuitos integrados se convirtió en realidad. La introducción del proceso planar en 1959 hizo que los transistores y los circuitos integrados fueran lo suficientemente estables como para ser comercialmente útiles. Para 1961, se producían amplificadores operacionales discretos de estado sólido. Estos amplificadores operacionales son, en esencia, pequeñas placas de circuito con encapsulados como conectores de borde . Suelen tener resistencias seleccionadas manualmente para mejorar aspectos como el desplazamiento y la deriva de voltaje. El P45 (1961) tiene una ganancia de 94  dB y funciona con  rieles de ±15 V. Fue diseñado para manejar señales en el rango de ±10 V.

1961: Un amplificador operacional de puente varactor. Se han tomado muchas direcciones diferentes en el diseño de amplificadores operacionales. Los amplificadores operacionales de puente varactor comenzaron a producirse a principios de la década de 1960. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Fueron diseñados para tener una corriente de entrada extremadamente pequeña y todavía se encuentran entre los mejores amplificadores operacionales disponibles en términos de rechazo de modo común con la capacidad de manejar correctamente cientos de voltios en sus entradas.

1962: Un amplificador operacional en un módulo encapsulado. Para 1962, varias empresas producían encapsulados modulares que podían conectarse a placas de circuitos impresos . Estos encapsulados eran de vital importancia, ya que convertían el amplificador operacional en una única caja negra que podía tratarse fácilmente como un componente más en un circuito mayor.

1963: Un amplificador operacional monolítico. En 1963, se lanzó el primer amplificador operacional monolítico, el μA702, diseñado por Bob Widlar en Fairchild Semiconductor . Los circuitos integrados monolíticos constan de un solo chip, a diferencia de un chip y partes discretas (un circuito integrado discreto) o múltiples chips unidos y conectados en una placa de circuito (un circuito integrado híbrido). Casi todos los amplificadores operacionales modernos son circuitos integrados monolíticos; sin embargo, este primer circuito integrado no tuvo mucho éxito. Problemas como un voltaje de alimentación irregular, una baja ganancia y un pequeño rango dinámico impidieron el dominio de los amplificadores operacionales monolíticos hasta 1965, cuando se lanzó el μA709 ^{[ 24 ]} (también diseñado por Bob Widlar).

1968: Lanzamiento del μA741 . La popularidad de los amplificadores operacionales monolíticos mejoró aún más con el lanzamiento del LM101 en 1967, que solucionó varios problemas, y el posterior lanzamiento del μA741 en 1968. El μA741 era extremadamente similar al LM101, excepto que los procesos de fabricación de Fairchild les permitieron incluir un  condensador de compensación de 30 pF dentro del chip en lugar de requerir compensación externa. Esta simple diferencia ha convertido al 741 en un amplificador operacional canónico, y una variedad de amplificadores modernos basan su configuración de pines en el 741. El μA741 todavía se produce y se ha vuelto omnipresente en la electrónica; muchos fabricantes producen una versión de este chip clásico, reconocible por números de pieza que contienen 741 .

1970: Primer diseño de FET de alta velocidad y baja corriente de entrada. En la década de 1970, comenzaron a fabricarse diseños de alta velocidad y baja corriente de entrada utilizando JFET .

1972: Comienza la producción de amplificadores operacionales con alimentación de un solo lado. Un amplificador operacional con alimentación de un solo lado es aquel en el que los voltajes de entrada y salida pueden ser tan bajos como el voltaje negativo de la fuente de alimentación, en lugar de tener que ser al menos dos voltios superiores. Como resultado, puede funcionar en muchas aplicaciones con el pin de alimentación negativa del amplificador operacional conectado a la tierra de la señal, eliminando así la necesidad de una fuente de alimentación negativa independiente. El LM324 , lanzado en 1972, fue uno de estos amplificadores operacionales que venía en un encapsulado cuádruple (cuatro amplificadores operacionales independientes en un solo paquete) y se convirtió en un estándar de la industria.

Tendencias recientes. Los voltajes de alimentación en los circuitos analógicos han disminuido (al igual que en la lógica digital) y, como consecuencia, se han introducido amplificadores operacionales de bajo voltaje. Son comunes las fuentes de alimentación de 5  V y, cada vez más, de 3,3  V (a veces incluso de 1,8  V). Para maximizar el rango de la señal, los amplificadores operacionales modernos suelen tener salida de riel a riel (la señal de salida puede variar desde el voltaje de alimentación más bajo hasta el más alto) y, en ocasiones, entradas de riel a riel. ^{[ 15 ]}

• μA741
• Transportador actual
• Audio DIY §  Intercambio de amplificadores operacionales
• Lista de circuitos integrados de la serie LM
• Amplificador de transconductancia operacional
• Topología de Sallen-Key

Libros

• Amplificadores operacionales para todos ; 5.ª ed.; Bruce Carter, Ron Mancini; Newnes; 484 páginas; 2017; ISBN 978-0-12-811648-7( PDF de 2 MB - 1.ª edición)
• Amplificadores operacionales: teoría y diseño ; 3.ª ed.; Johan Huijsing; Springer; 423 páginas; 2017; ISBN 978-3-319-28126-1.
• Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales: teoría y aplicación ; 3.ª ed.; James Fiore; Creative Commons; 589 páginas; 2016. (Texto en PDF de 13 MB) (Laboratorio en PDF de 2 MB)
• Análisis y diseño de circuitos lineales ; 8.ª ed.; Roland Thomas, Albert Rosa, Gregory Toussaint; Wiley; 912 páginas; 2016; ISBN 978-1-119-23538-5.
• Diseño con amplificadores operacionales y circuitos integrados analógicos ; 4.ª ed.; Sergio Franco; McGraw Hill; 672 páginas; 2015; ISBN 978-0-07-802816-8.
• Diseño de audio de pequeña señal ; 2.ª ed.; Douglas Self ; Focal Press; 780 páginas; 2014; ISBN 978-0-415-70973-6.
• Manual de diseño de circuitos lineales ; 1.ª ed.; Hank Zumbahlen; Newnes; 960 páginas; 2008; ISBN 978-0-7506-8703-4( PDF de 35 MB)
• Manual de aplicaciones de amplificadores operacionales ; 1.ª ed.; Walt Jung ; Analog Devices & Newnes; 896 páginas; 2005; ISBN 978-0-7506-7844-5( PDF de 17 MB)
• Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales ; 6.ª ed.; Robert Coughlin, Frederick Driscoll; Prentice Hall; 529 páginas; 2001; ISBN 978-0-13-014991-6.
• Libro de recetas para filtros activos ; 2.ª ed.; Don Lancaster ; Sams; 240 páginas; 1996; ISBN 978-0-7506-2986-7( PDF de 28 MB - 1.ª edición)
• Manual de amplificadores operacionales integrados ; 3.ª ed.; Walt Jung ; Prentice Hall; 433 páginas; 1986; ISBN 978-0-13-889601-0( PDF de 18 MB - 1.ª edición)
• Minicuaderno para ingenieros  : Circuitos con circuitos integrados de amplificadores operacionales ; 1.ª edición; Forrest Mims III; Radio Shack; 49 páginas; 1985; ASIN B000DZG196. (PDF de 4 MB)
• Frederiksen, Thomas (1984). Amplificadores operacionales IC intuitivos: de los fundamentos a las aplicaciones útiles (1.ª  ed.). National Semiconductor .
• Diseño con amplificadores operacionales: alternativas y aplicaciones ; 1.ª ed.; Jerald Graeme; Burr-Brown & McGraw Hill; 269 páginas; 1976; ISBN 978-0-07-023891-6.
• Aplicaciones de los amplificadores operacionales: técnicas de tercera generación ; 1.ª ed.; Jerald Graeme; Burr-Brown & McGraw Hill; 233 páginas; 1973; ISBN 978-0-07-023890-9( PDF de 37 MB)
• Comprensión de los amplificadores operacionales de circuitos integrados ; 1.ª ed.; Roger Melen y Harry Garland ; Sams Publishing; 128 páginas; 1971; ISBN 978-0-672-20855-3. (archivo)
• Amplificadores operacionales: diseño y aplicaciones ; 1.ª ed.; Jerald Graeme, Gene Tobey, Lawrence Huelsman; Burr-Brown & McGraw Hill; 473 páginas; 1971; ISBN 978-0-07-064917-0.

Libros con capítulos sobre amplificadores operacionales

• Aprendiendo el arte de la electrónica: un curso práctico de laboratorio ; 1.ª ed.; Thomas Hayes, Paul Horowitz ; Cambridge; 1150 páginas; 2016; ISBN 978-0-521-17723-8(La parte 3 tiene 268 páginas)
• El arte de la electrónica ; 3.ª ed.; Paul Horowitz , Winfield Hill; Cambridge; 1220 páginas; 2015; ISBN 978-0-521-80926-9(El capítulo 4 tiene 69 páginas)
• Lecciones de circuitos eléctricos - Volumen III - Semiconductores ; 5.ª ed.; Tony Kuphaldt; Open Book Project; 528 páginas; 2009. (El capítulo 8 tiene 59 páginas) (PDF de 4 MB)
• Solución de problemas en circuitos analógicos ; 1.ª ed.; Bob Pease ; Newnes; 217 páginas; 1991; ISBN 978-0-7506-9499-5(El capítulo 8 tiene 19 páginas)

Manuales de aplicación históricos

• Manual de aplicaciones analógicas (1979, 418 páginas) , Signetics. (Amplificadores operacionales en la sección 3)

Libros de datos históricos

• Manual de datos lineales 1 (1988, 1262 páginas) , National Semiconductor. (Amplificadores operacionales en la sección 2)
• Manual de datos lineales y de interfaz (1990, 1658 páginas) , Motorola. (Amplificadores operacionales en la sección 2)
• Libro de datos lineales (1986, 568 páginas) , RCA.

Fichas técnicas históricas

• LM301, amplificador operacional BJT simple , Texas Instruments
• LM324, amplificador operacional BJT cuádruple , Texas Instruments
• LM741, amplificador operacional BJT simple , Texas Instruments
• NE5532, amplificador operacional BJT dual , Texas Instruments (el NE5534 es similar, de un solo transistor).
• TL072, amplificador operacional JFET dual , Texas Instruments (TL074 es cuádruple)

• Colección de circuitos de amplificadores operacionales en Wayback Machine (archivada el 29/08/2017) , National Semiconductor Corporation
• Amplificadores operacionales , todo sobre circuitos
• Ganancia de bucle y sus efectos en el rendimiento de los circuitos analógicos , lineal : introducción a la ganancia de bucle, margen de ganancia y fase, estabilidad del bucle. 
• Mediciones sencillas de amplificadores operacionales en Wayback Machine (archivado el 20/03/2012) : cómo medir la tensión de offset, la corriente de offset y de polarización, la ganancia, el CMRR y el PSRR. 
• Amplificadores operacionales en Wayback Machine (archivado el 7 de enero de 2015) – Texto introductorio en línea de EJ Mastascusa ( Universidad de Bucknell ) 
• Conceptos básicos del amplificador operacional (Op-Amp) en Wayback Machine (archivado el 24/02/2012) : Introducción a las etapas de los circuitos con amplificadores operacionales, filtros de segundo orden, filtros pasabanda con un solo amplificador operacional y un intercomunicador sencillo. 
• Diseño de amplificadores operacionales MOS: Un tutorial general en Wayback Machine (archivado el 16/06/2012)
• Predicción del ruido de los amplificadores operacionales (todos los amplificadores operacionales) en Wayback Machine (archivado el 14/04/2007) – utilizando ruido puntual 
• Amplificadores operacionales en Wayback Machine (archivado el 2 de junio de 2009) – Fundamentos de los amplificadores operacionales 
• Historia del amplificador operacional. Archivado el 7 de octubre de 2012 en Wayback Machine , desde las válvulas de vacío hasta aproximadamente 2002.
• ¿Qué es todo esto de Julie? en Wayback Machine (archivado el 23/08/2011) – Entrevista histórica sobre el amplificador operacional Loebe Julie realizada por Bob Pease. 
• www.PhilbrickArchive.org – Un repositorio gratuito de materiales de George A. Philbrick / Investigaciones - Pionero de los amplificadores operacionales 
• ¿Cuál es la diferencia entre amplificadores operacionales y amplificadores de instrumentación? en Wayback Machine (archivado el 15/03/2013) , Revista de Diseño Electrónico