Amplificador Operacional (OPAM): Concepto, Características y Aplicaciones

Concepto
El amplificador operacional es una clase especial de
amplificador diferencial de tensión que se puede
configurar para realizar una gran variedad de
operaciones (suma, resta, multiplicación,
integración...) mediante la selección adecuada de
los componentes externos, de modo que tiene un
inmenso campo de aplicación dentro de la electrónica
analógica y es el dispositivo amplificador que más
se utiliza en el área de la Instrumentación
Electrónica
La Instrumentación electrónica es el campo dedicado al
diseño y operación de sistemas electrónicos orientados a
mediciones y se aplica a la adquisición de procesamiento
de magnitudes, con el fin de presentarlas de forma tal que
le sean de utilidad al usuario.

Concepto: Amplificador Operacional
(OPAM)
Los OPAM son, dispositivos compactos activos y
lineales de alta ganancia, diseñados para
proporcionar la función de transferencia deseada.
Está compuesto por un circuito electrónico que tiene
dos entradas y una salida. La salida es la
diferencia de las dos entradas multiplicada por un
factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ – V-).

El OPAM está constituido por etapas con varios
transistores y es un componente electrónico del cual
se estudie sus parámetros de comportamiento real en
detalle para ver cómo afectan a su funcionamiento y
al diseño de los circuitos en los que se utilice.
(OPAM)

(OPAM)
En la figura (izq.), se muestra el símbolo que se
utiliza para representar el amplificador
operacional, con dos entradas, una inversora (–),
v−, y otra no inversora (+), v+, una salida, vo, y
dos terminales de alimentación, VCC (alimentación
positiva) y VEE (alimentación negativa). En la
figura (der.), se muestra la relación que se obtiene
experimentalmente entre la tensión diferencial de
entrada, vd= v+−v−, y la tensión de salida, vo, de
un amplificador operacional en cadena abierta. Se
observa que en un pequeño intervalo de vd en torno
al origen (del orden de los µV), la curva es
aproximadamente lineal con una pendiente muy alta
(del orden de 200K o superior) y se verifica que
vo≅avd, siendo la pendiente a la ganancia
diferencial en cadena abierta del amplificador
operacional.

(OPAM)
Para aplicaciones de baja frecuencia, se puede
utilizar el modelo ideal no lineal del OPAM. En la
figura (der.) se observa que, dependiendo del rango
dinámico de las señales de entrada, un amplificador
operacional puede operar en la región lineal o en
las regiones de saturación positiva, Sat(+), o
negativa, Sat(–).

(OPAM)
Puesto que la pendiente a en la región lineal tiene
un valor muy elevado, el modelo se simplifica si se
aproxima la ganancia a por infinito (figura). Para
los circuitos en los que el amplificador operacional
opera sólo en la región lineal, esta aproximación da
lugar a un modelo ideal lineal aún más simplificado:
el modelo de cortocircuito virtual.

Amplificador Operacional ideal
El modelo ideal del amplificador operacional,
obtenido a partir de su comportamiento experimental,
verifica las siguientes propiedades:
• Impedancia de entrada, rd, infinita, debido a que
la corriente que circula por sus dos entradas es
nula
• Impedancia de salida nula
• La tensión de salida, vo, está limitada por las
tensiones de alimentación VCC y VEE

Amplificador Operacional ideal
• Ganancia diferencial en cadena abierta, a,
infinita en la región lineal. Esto significa que
si su salida es finita, la tensión diferencial de
entrada deberá ser nula.
• Si el amplificador trabaja en la región de
saturación, se verifica:

Intensidades de polarización de
entrada (IB) y de offset de entrada (IOS)
En un amplificador operacional real circula una
pequeña intensidad por sus terminales de entrada,
como se muestra en la figura, con lo que la tensión
de salida es distinta de cero aunque no se apliquen
señales de entrada.

Se define la intensidad de polarización de entrada,
IB, como el valor medio de las intensidades IB1 e IB2
que circulan por los terminales de entrada del
amplificador operacional (en general, IB1≠IB2 debido
a las diferentes características de los transistores
de entrada). La intensidad de offset de entrada, IOS,
es igual a la diferencia entre las intensidades de
entrada:

La intensidad de polarización, IB, es del orden de 10
a 100nA, típicamente, para dispositivos con entrada
bipolar y del orden de 1 a 10pA para dispositivos
con entrada FET. La intensidad de offset, IOS, es
generalmente un orden de magnitud menor que IB. Así,
por ejemplo, el amplificador operacional de entrada
bipolar AD741 tiene IB=80nA (typ) e IOS=20nA (typ), y
el amplificador operacional de entrada FET OPA627BP
tiene IB=1pA (typ) e IOS=0.5pA (typ)
Para calcular el efecto de las
intensidades IB e IOS en la salida
de un circuito con amplificadores
operacionales, se sustituye el
amplificador por el modelo de la
figura anterior y se anulan las
fuentes independientes.

Cálculo del efecto de las intensidades
IB e IOS en la salida
En la figura se muestra el circuito que se obtiene
en el caso de un amplificador operacional en
configuración de inversor o de no inversor en el que
se ha anulado la señal de entrada. Se incluye una
resistencia Rp en serie con la entrada no inversora
para reducir el efecto de las intensidades de
entrada.

Resolviendo el circuito, se verifica:
Operando, se obtiene la tensión de salida, Vo, del
circuito debido a las intensidades IB e IOS:

Si se aplica una señal de entrada, vi , al circuito,
usando el teorema de superposición, la salida se
calcula con la expresión:
Dependiendo de la aplicación del circuito, el error
introducido por Vo(IB, IOS) puede ser intolerable y
hay que minimizarlo. Una solución para ello es
especificar el valor de Rp de modo que:

En ese caso, sustituyendo Rp en Vo, resulta:
Así, el error es proporcional solo a IOS, que en
general es un orden de magnitud menor que IB
Por tanto, el efecto de las corrientes de entrada se
puede minimizar si la impedancia de entrada vista
desde ambos terminales del amplificador operacional
es la misma y, por ello, se incluye una resistencia
de compensación (Rp) en serie con uno de los
terminales de entrada.

Deriva Térmica
hay que tener en cuenta que las intensidades de
entrada varían con la temperatura, con las fuentes
de alimentación del OPAM y con el tiempo. Los OPAM
con entrada FET aventajan a los de entrada BJT a
temperatura ambiente, pero no a temperaturas altas,
como se observa en la figura.

Deriva Térmica de IB e IOS
La deriva térmica de las intensidades de entrada se
define como:
Si las derivas térmicas son excesivas, se han de
elegir amplificadores operacionales de bajas
derivas, como por ejemplo el LH0044A de National
Semiconductor, que es un amplificador operacional de
precisión de altas prestaciones con ΔIOS/ΔT=5pA/°C.

Tensión de offset de entrada (VOS)
En un OPAM real, si ambas entradas se conectan a
tierra, la salida no es 0V (como sucedería en un
OPAM ideal) debido a las disparidades en el circuito
de entrada. Esto significa que la característica
entrada/salida del OPAM real es como se muestra en
la figura

Para que la salida sea nula, se debe aplicar un
voltaje de corrección a la entrada del OPAM, lo que
se denomina voltaje de offset de entrada, VOS. Esto
es, VOS es la tensión que debe aplicarse entre los
terminales de entrada del OPAM para forzar el
voltaje de salida a cero. La presencia de VOS es un
problema importante en la detección de señales de
bajo nivel.
El AD741C tiene VOS=1mV (typ) y 6mV (max), y el 627BP
tiene VOS=100μV (tip) y 250μV (max)

Para tener en cuenta el comportamiento debido a VOS,
se modela el OPAM real como un amplificador
operacional ideal (con VOS=0) al que se conecta una
fuente de tensión de valor VOS en serie con uno de
sus terminales de entrada, como se muestra en la
figura donde el efecto de VOS se calcula sustituyendo
el amplificador operacional por el modelo mostrado y
anulando fuentes independientes

Así, por ejemplo, para un OPAM inversor y no
inversor se obtiene el circuito de la figura y, a
partir de él, se calcula la tensión de salida debido
a VOS, Vo(VOS), como:
Si se utiliza un AD741C en el amplificador inversor
o no inversor, y (1+R2/R1)=1000, se obtiene
Vo(VOS)=1V (tip) y 6V (max).

Deriva térmica del VOS
El parámetro VOS se puede reducir en el proceso de
diseño de la circuitería interna del OPAM utilizando
técnicas especiales, dando lugar a los OPAM de bajo
VOS, tales como el OP-27 de Precision Monolithics que
tiene VOS=10µV (typ) y 25µV (max). El valor de VOS
varía con la temperatura, con las fuentes de
alimentación del OPAM y con el tiempo. La deriva
térmica de VOS se define como:

Compensación del Error de offset
La tensión de salida en un amplificador inversor y
no inversor debido a los parámetros IB, IOS y VOS del
OPAM se obtiene sumando las contribuciones dadas en
las expresiones:
(si se conecta la resistencia Rp=R1║R2 para eliminar el efecto de IB)
Si se considera el peor caso, en el que VOS e IOS
suman sus efectos, el error de offset total tiene la
expresión

Técnica de compensación interna del
error de offset
En aplicaciones de precisión, se debe compensar este
error de offset combinado. La compensación del error
de offset, también denominado offset nulling, offset
trimming y offset balancing, se puede conseguir de
varias formas dependiendo del amplificador
operacional y de la configuración usada.
La técnica de compensación interna del error de
offset se puede utilizar en aquellos amplificadores
operacionales que tienen patillas de anulación de
offset, tales como el AD741 y el OPA627/637, entre
otros.

error de offset
El efecto de IOS y VOS se compensa con un
potenciómetro conectado a las patillas de anulación
de offset. En un amplificador inversor o no inversor
con entrada nula, el circuito que se obtiene si el
amplificador operacional es un AD741 se muestra en
la figura. El potenciómetro se ajusta hasta que Vo
se anule.

error de offset
Esta técnica permite compensar el error de offset en
un rango determinado, de modo que se cumpla la
condición indicada en la expresión:
En el caso del AD741, el rango es de ±15mV, con un
potenciómetro de 10kΩ. En el caso del OPA627/637, el
rango es de ±10mV, con un potenciómetro de 100kΩ

Técnica de compensación externa del
error de offset
Si, al calcular VOS(max)+RpIOS(max), excede el rango
de ajuste, se ha de disminuir el valor de Rp=R1║R2 o
utilizar métodos de compensación externa. Si hay
varios amplificadores operacionales en el circuito,
basta compensar el offset en uno de ellos. Esta
técnica en algunos casos, degrada otros parámetros
del OPAM, tales como el CMRR y el PSRR.

error de offset
Consiste en conectar externamente a uno de los
terminales de entrada del amplificador un circuito
que genere a la salida una tensión de igual magnitud
que la debida a IOS y VOS, aunque de signo opuesto, de
modo que se cancelen sus efectos. VA se obtiene por
medio de un potenciómetro RC, conectado entre VCC y
VEE y un divisor de tensión, formado por RA y RB, para
escalar la tensión que proporciona el potenciómetro
en el rango de los mV. El valor máximo de VA que se
obtiene es:
El valor de VA debe ser tal que se verifique la
relación dada en la expresión

error de offset
Para no cargar excesivamente el contacto deslizante
se impone RB≥RC, y para evitar alterar los niveles de
resistencia existentes originalmente se impone RA<<Rp
o bien Rp se sustituye por una R’p =(Rp–Req), siendo
Req=RA║[RB+RC1║RC2], con RC1+RC2=RC
Para el amplificador no inversor, la red de
compensación externa del offset, formada por RA, RB y
RC, se conecta como se muestra en la figura, donde la
resistencia R1, que iría a tierra originalmente, se
conecta a la tensión VA que genera la red de
compensación.

error de offset
El valor de VA debe ser tal que se verifique la
relación dada en la expresión:
Los valores de RA y RB se eligen para que se
verifique RA<<R1, RA<<RB, con lo que el valor máximo
de VA que se obtiene es el de la expresión:

error de offset
La ganancia del amplificador no inversor no se ve
alterada como se puede comprobar en la expresión:
Si no se puede elegir una resistencia RA<<R1, se
sustituye R1 por una resistencia R’1=R1–RA, de modo
que la ganancia del amplificador no inversor no se
modifique, o bien se aísla la red de compensación
externa mediante un seguidor como se muestra en la
figura

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