Hace tiempo que quería escribir sobre los Amplificadores Operacionales. Son la solución a muchos de los problemas más cotidianos en electrónica, y a menudo, son grandes desconocidos para la mayoría de los aficionados a la electrónica. No tanto porque existan y sus funciones básicas, sino más bien por saber explotarlos al 100% y por conocer todas sus características para seleccionar el más adecuado para nuestra aplicación concreta. Vamos a intentar explicarlos un poco.

Empecemos por la definición que nos da Wikipedia:

Un amplificador operacional, a menudo conocido op-amp por sus siglas en inglés (operational amplifier) es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.

Esta definición, un tanto genérica y que a priori, genera más preguntas que respuestas, la vamos a desglosar por puntos y vamos a empezar a sacar características concretas que serán útiles para el análisis de circuitos.

  • Dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia: Se entiende que la relación salida / entrada es un cociente positivo y mayor que uno. A este cociente se le suele denominar como ganancia en bucle abierto (GOL), y dependiendo del tipo de amplificador, se puede referir a ganancia en corriente o en voltaje.
  • Acoplado en corriente continua: Esto simplemente quiere decir que propaga la continua desde la entrada a la salida. Puede ser algo confuso, pero tenemos que entenderlo como "si existe una diferencia de potencial en la entrada, éste aparecerá amplificado a la salida". ¿Qué quiere decir esto? Pues que si hay un offset en nuestra entrada, tenemos que tener cuidado, porque aparecerá amplificado a la salida.
    • Para que ya se entienda súper-bien: Si fuera acoplado en corriente alterna, un offset continuo en la entrada no se propagaría a la salida, ya que la continua estaría bloqueada como cuando ponemos un condensador en serie.
  • Tiene dos entradas y una salida: Se tiene que entender este concepto ampliamente en el sentido de que una tensión diferencial a la entrada es convertida a una tensión sencilla (single-ended) a la salida, referenciada con respecto a las tensiones de alimentación del amplificador operacional. Esto quiere decir que puede ocurrir que una diferencia de 0 voltios en la entrada no se traduzca en 0 voltios a la salida, ya que veremos que una diferencia nula llevará al amplificador, de manera natural, a la tensión del modo común, VCM.

No obstante, esto no deja claro ni definido lo que cualquier ingeniero eléctrico / electrónico que se haya leído Teoría de Circuitos de Carlson sabe, que no son más que reglas empíricas del comportamiento de cualquier amplificador operacional si de verdad es un amplificador operacional:

  • La diferencia entre las entradas es cero (o casi).
  • Las intensidades en las entradas es cero (o casi).
  • La entrada presenta una alta impedancia.
  • La salida presenta una baja impedancia.

Pero bueno, ¿Qué es realmente un amplificador operacional? Pues como muestra, un botón: El 741, o UA741, uno de los amplificadores más ampliamente utilizados por aficionados y para proyectos genéricos.

El 741 está compuesto por 20 transistores (que no os engañe la imagen inferior, ya que no se ha rotulado Q18 ni Q21, de ahí que se llegue hasta Q22) y 11 resistencias. En rojo podemos ver las etapas que hacen de espejos de corriente. En azul, tenemos la entrada diferencial. En magenta, el amplificador clase A con transistores NPN. En verde, el convertidor de niveles de voltaje. Y, finalmente, en cian, la etapa de salida. Vamos a verlos más detenidamente, ya que nos ayudarán posteriormente a entender mejor cualquier op-amp y las características genéricas previamente descritas.

741 op amp internal structure

  •  Espejos de corriente o sistema de fuentes de corriente constante:

    Las condiciones de reposo de la etapa de entrada se fijan mediante una red de alimentación negativa de alta ganancia cuyos bloques principales son los dos espejos de corriente. El propósito principal de la realimentación negativa (suministrar una corriente estable a la etapa diferencial de entrada) se realiza como sigue.

    La corriente a través de la resistencia de 39 kΩ actúa como una referencia de corriente para las demás corrientes de polarización usadas en el integrado. La tensión sobre esta resistencia es igual a la tensión entre los bornes de alimentación ({\displaystyle V_{S\!+}-V_{S\!-}}) menos dos caídas de diodo de transistor (Q11 y Q12), por lo tanto la corriente es {\displaystyle I_{\text{ref}}=(V_{S\!+}-V_{S\!-}-2V_{\text{be}})/(39{\text{ k}}\Omega )}. El espejo de corriente Widlar formado por Q10, Q11, y la resistencia de 5Kohm genera una pequeña fracción de Iref en el colector de Q10. Esta pequeña corriente constante entregada por el colector de Q10 suministra las corrientes de base de Q3 y Q4, así como la corriente de colector de Q9. El espejo Q8/Q9 fuerza a la corriente de colector de Q9 a ser igual a la suma de las corrientes de colector de Q1 y Q2. Por lo tanto las corrientes de base de Q1 y Q2 combinadas (que son del mismo orden que las corrientes de entrada del integrado) serán una pequeña fracción de la ya pequeña corriente por Q10.

    Entonces, si la etapa de entrada aumenta su corriente por alguna razón, el espejo de corriente Q8/Q9 tomará corriente de las bases de Q3 y Q4, reduciendo la corriente de la etapa de entrada, y viceversa. El lazo de realimentación además aísla el resto del circuito de señales de modo común al forzar la tensión de base de Q3/Q4 a seguir {\displaystyle 2V_{\rm {be}}} por debajo de la mayor de las dos tensiones de entrada.

  • Amplificador diferencial de entrada:

    El bloque delineado con azul es un amplificador diferencial. Q1 y Q2 son seguidores de emisor de entrada y junto con el par en base común Q3 y Q4 forman la etapa diferencial de entrada. Además, Q3 y Q4 actúan como desplazadores de nivel y proporcionan ganancia de tensión para controlar el amplificador clase A. También ayudan a mejorar la máxima tensión {\displaystyle V_{\rm {be}}} inversa de los transistores de entrada (la tensión de ruptura de las junturas base-emisor de los transistores NPN Q1 y Q2 es de 7 V aproximadamente, mientras que los transistores PNP Q3 y Q4 tienen rupturas del orden de 50 V).

    El amplificador diferencial formado por los cuatro transistores Q1-Q4 controlan un espejo de corriente como carga activa formada por los tres transistores Q5-Q7 (Q6 es la verdadera carga activa). Q7 aumenta la precisión del espejo al disminuir la fracción de corriente de señal tomada de Q3 para controlar las bases de Q5 y Q6. Esta configuración ofrece una conversión de diferencial a asimétrica de la siguiente forma:

    La señal de corriente por Q3 es la entrada del espejo de corriente mientras que su salida (el colector de Q6) se conecta al colector de Q4. Aquí las señales de corriente de Q3 y Q4 se suman. Para señales de entrada diferenciales, las señales de corriente de Q3 y Q4 son iguales y opuestas. Por tanto, la suma es el doble de las señales de corriente individuales. Así se completa la conversión de diferencial a modo asimétrico.

    La tensión en vacío en este punto está dada por el producto de la suma de las señales de corriente y el paralelo de las resistencias de colector de Q4 y Q6. Como los colectores de Q4 y Q6 presentan resistencias dinámicas altas a la señal de corriente, la ganancia de tensión a circuito abierto de esta etapa es muy alta.

    Nótese que la corriente de base de las entradas no es cero y la impedancia de entrada efectiva (diferencial) de un 741 es del orden de 2 MΩ. Las patas "offset null" pueden usarse para conectar resistencias externas en paralelo con las dos resistencias internas de 1 kΩ (generalmente los extremos de un potenciómetro) para balancear el espejo Q5/Q6 y así controlar indirectamente la salida del operacional cuando se aplica una señal igual a cero a las entradas.

  • Amplificador de ganancia clase A:

    Es la etapa de ganancia clase A. El espejo superior derecho Q12/Q13 carga esta etapa con una corriente constante, desde el colector de Q13, que es prácticamente independiente de la tensión de salida. La etapa consiste en dos transistores NPN en configuración Darlington y utiliza la salida del espejo de corriente como carga activa de alta impedancia para obtener una elevada ganancia de tensión. El condensador de 30 pF ofrece una realimentación negativa selectiva en frecuencia a la etapa clase A como una forma de compensación en frecuencia para estabilizar el amplificador en configuraciones con relimentación. Esta técnica se llama compensación Miller y funciona de manera similar a un circuito integrador con amplificador operacional. También se la conoce como "compensación por polo dominante" porque introduce un polo dominante (uno que enmascara los efectos de otros polos) en la respuesta en frecuencia a lazo abierto. Este polo puede ser tan bajo como 10 Hz en un amplificador 741 e introduce una atenuación de -3 dB a esa frecuencia. Esta compensación interna se usa para garantizar la estabilidad incondicional del amplificador en configuraciones con realimantación negativa, en aquellos casos en que el lazo de realimentación no es reactivo y la ganancia de lazo cerrado es igual o mayor a uno. De esta manera se simplifica el uso del amplificador operacional ya que no se requiere compensación externa para garantizar la estabilidad cuando la ganancia sea unitaria; los amplificadores sin red de compensación interna pueden necesitar compensación externa o ganancias de lazo significativamente mayores que uno.

  • Convertiidor de niveles de tensión de salida:

    Este bloque es un convertidor de nivel de tensión (o multiplicador de {\displaystyle V_{\rm {be}}}); un tipo de fuente de tensión. En el circuito se puede ver que Q16 suministra una caída de tensión constante entre colector y emisor independientemente de la corriente que lo atraviesa. Si la corriente de base del transistor es despreciable, y la tensión entre base y emisor (y a través de la resistencia de 7.5 kΩ) es 0.625 V (un valor típico para un BJT en la región activa), entonces la corriente que atraviesa la resistencia de 4.5 kΩ será la misma que atraviesa 7.5 kΩ, y generará una tensión de 0.375 V. Esto mantiene la caída de tensión en el transistor, y las dos resistencias en 0.625 + 0.375 = 1 V. Esto sirve para polarizar los dos transistores de salida ligeramente en condición reduciendo la distorsión "crossover". En algunos amplificadores con componentes discretos esta función se logra con diodos de silicio (generalmente dos en serie).

  • Etapa de salida:

    La etapa de salida es un amplificador seguidor de emisor push-pull Clase AB (Q14, Q20) cuya polarización está fijada por el multiplicador de {\displaystyle V_{\rm {be}}} Q16 y sus dos resistencias de base. Esta etapa está controlada por los colectores de Q13 y Q19. Las variaciones en la polarización por temperatura, o entre componentes del mismo tipo son comunes, por lo tanto la distorsión "crossover" y la corriente de reposo pueden sufrir variaciones. El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menos que la tensión de alimentación, debido en parte a la tensión {\displaystyle V_{\rm {be}}} de los transistores de salida Q14 y Q20.

    La resistencia de 25 Ω en la etapa de salida sensa la corriente para limitar la corriente que entrega el seguidor de emisor Q14 a unos 25 mA aproximadamente para el 741. La limitación de corriente negativa se obtiene sensando la tensión en la resistencia de emisor de Q19 y utilizando esta tensión para reducir tirar hacia abajo la base de Q15. Versiones posteriores del circuito de este amplificador pueden presentar un método de limitación de corriente ligeramente diferente. La impedancia de salida no es cero, como se esperaría en un amplificador operacional ideal, sin embargo se aproxima a cero con realimentación negativa a frecuencias bajas.