Este es uno de los muchos artículos que he escrito. La versión es de 1976, pero sigue siendo actual por los conceptos que aborda. El lector podrá encontrar otros artículos sobre el tema en el sitio.
Un amplificador operacional consiste en un amplificador cuyas características son lineales en un determinado rango de operación, formando básicamente por una o más etapas de amplificación diferencial, acopladas a una etapa de potencia (figura 1).
Cuando ocurre una variación en la tensión aplicada a su entrada, hay una variación correspondiente de la tensión de salida. Esta excursión ampliada de la tensión de salida puede ser tanto positiva como negativa, dependiendo de la tensión de entrada y del modo en que se le aplica.
En un amplificador operacional hay dos entradas, siendo una inversora y una no inversora (figura 2).
Cuando la señal a ser amplificada se aplica a la entrada no inversora, la fase de la señal de salida será la misma de la señal de entrada, es decir, a las variaciones de tensión en el sentido positivo de la señal de entrada corresponderán variaciones en el sentido positivo de la señal de salida (figura 3).
Cuando la señal a ser amplificada se aplica a la entrada inversora, la fase de la señal de salida se opone a la de la señal de entrada, lo que quiere decir que las variaciones de la señal de entrada en el sentido positivo corresponderán a variaciones en el sentido negativo de la tensión de salida figura 4).
Cuando un amplificador operacional funciona sin ninguna retroalimentación, es decir, cuando ninguna parte de la señal de salida se vuelve a aplicar a su entrada, decimos que opera en lazo abierto o el "abierto bucle" y en esas condiciones su factor de amplificación es máximo.
Para los tipos comunes, las ganancias en estas condiciones se comprenden entre 1 000 y 100 000.
Las características de funcionamiento de un amplificador operacional pueden ser modificadas, sin embargo, en diversos sentidos, si hay una retroalimentación.
Conforme a la forma en que se hace esta realimentación, no sólo podemos cambiar la ganancia del amplificador, como también la impedancia de entrada, además de dotarlo de comportamientos tales que apunte a determinadas aplicaciones específicas.
Un primer caso de retroalimentación que podemos citar es el de la aplicación directa de toda la señal de salida a la entrada inversora. En estas condiciones tenemos una fuerte retroalimentación negativa que hace que la ganancia del amplificador se reduzca a la unidad, esto y, variaciones de tensión en la entrada corresponderán variaciones idénticas (de la misma amplitud) en la salida.
En estas condiciones, el amplificador operacional opera como un seguidor de tensión (figura 5).
Podemos utilizar los seguidores de tensión para casar una alta impedancia de entrada con una baja impedancia de salida, ya que la impedancia de entrada de un amplificador operacional en esta configuración puede ser del orden de decenas de millones de ohms, mientras que su impedancia de salida podrá llegar a ser tan pequeña como una fracción de ohms.
Para obtener ganancias intermedias entre el unitario y el máximo (open loop) empleamos redes de realimentación que pueden constar de simples resistores o de otros componentes.
En la figura 6 vemos un circuito típico en el que la ganancia del amplificador será dado por la siguiente ecuación:
GV = (R1 + R2) / R1
Por supuesto, las redes de realimentación también pueden tener condensadores, inductores, diodos, etc., lo que hará que la ganancia del amplificador sea función de ciertos parámetros como, por ejemplo, la frecuencia, el límite de tensión fijado, etc., lo que nos permite utilizarlo en una amplia gama de aplicaciones.
Como normalmente los amplificadores operativos operan con fuerte realimentación, es necesario proveer una compensación externa de frecuencia para evitar inestabilidad.
Esta red de desvío de fase hace que la señal de entrada desplaza la fase de la señal de retroalimentación para evitar las oscilaciones perjudiciales.
En los casos en que la realimentación del circuito amplificador operacional se hace en su entrada no inversora, sin desplazamiento de fase, podemos obtener oscilaciones, pudiendo el amplificador operar como oscilador.
En la figura 7 tenemos una aplicación típica para este caso.
También podemos realizar una retroalimentación selectiva en la entrada inversora o en la entrada no inversora de modo a términos ganados que dependen de la frecuencia de la señal, en cuyo caso podemos usarlo como filtros para las más diversas finalidades.
AMPLIFICADOR OPERACIONAL CON COMPENSACIÓN DE FRECUENCIA uA741
La denominación uA741 es la dada por Fairchild para este circuito integrado monolítico que, sin embargo, puede ser encontrado con otras denominaciones, de otros fabricantes, con envolturas diferentes pero con especificaciones que poco diferencian de las originales y que en la mayoría de los casos permiten una sustitución directa.
Así, podemos encontrarlo con las denominaciones de MC1741, SN72741, 741, LM741, etc.
Su gama de aplicaciones es muy extensa para ser descrita aquí, pero podemos citar los circuitos analógicos y digitales, amplificadores, preamplificadores, instrumentos, etc.
Algunas características en particular deben ser destacadas por su importancia en las aplicaciones prácticas. Entre ellas, la no necesidad de compensación de frecuencia, la existencia de protección contra cortocircuitos en la salida, la posibilidad de ajuste de nulo externo y la pequeña potencia de consumo.
Características eléctricas
Tensión de alimentación: 18-0-18Volts
Potencia de disipación (envoltura de plástico): 570 mW
Potencia de disipación (envoltura metálica): 500 mW
Tensión de entrada: 15-0-15 Volts
Ganancia de tensión (R1> 2k, VS = 10 V): 200 000 (típico)
Resistencia de salida: 75 ohms
Corriente de salida en cortocircuito: 25 mA
Corriente de alimentación: 1,7 mA (típico)
Potencia consumida: 85 mW