Saltar al contenido principal

# 11.3: PRECAUCIONES GENERALES

$$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$$

$$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$$

$$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) $$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$$

$$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$$ $$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$$

$$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$$ $$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$$

$$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$$

$$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$

$$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$$

$$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$

$$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$$

$$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$$

$$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$$

$$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$$

$$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$$

$$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$$

$$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$$

$$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$ $$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$$

$$\newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow$$

$$\newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow$$

$$\newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$$

$$\newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}}$$

$$\newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}}$$

$$\newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}}$$

$$\newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}}$$

$$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$$

$$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$$

$$\newcommand{\avec}{\mathbf a}$$ $$\newcommand{\bvec}{\mathbf b}$$ $$\newcommand{\cvec}{\mathbf c}$$ $$\newcommand{\dvec}{\mathbf d}$$ $$\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}$$ $$\newcommand{\evec}{\mathbf e}$$ $$\newcommand{\fvec}{\mathbf f}$$ $$\newcommand{\nvec}{\mathbf n}$$ $$\newcommand{\pvec}{\mathbf p}$$ $$\newcommand{\qvec}{\mathbf q}$$ $$\newcommand{\svec}{\mathbf s}$$ $$\newcommand{\tvec}{\mathbf t}$$ $$\newcommand{\uvec}{\mathbf u}$$ $$\newcommand{\vvec}{\mathbf v}$$ $$\newcommand{\wvec}{\mathbf w}$$ $$\newcommand{\xvec}{\mathbf x}$$ $$\newcommand{\yvec}{\mathbf y}$$ $$\newcommand{\zvec}{\mathbf z}$$ $$\newcommand{\rvec}{\mathbf r}$$ $$\newcommand{\mvec}{\mathbf m}$$ $$\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}$$ $$\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}$$ $$\newcommand{\real}{\mathbb R}$$ $$\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}$$ $$\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}$$ $$\newcommand{\bcal}{\cal B}$$ $$\newcommand{\ccal}{\cal C}$$ $$\newcommand{\scal}{\cal S}$$ $$\newcommand{\wcal}{\cal W}$$ $$\newcommand{\ecal}{\cal E}$$ $$\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}$$ $$\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}$$ $$\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}$$ $$\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}$$ $$\newcommand{\row}{\text{Row}}$$ $$\newcommand{\col}{\text{Col}}$$ $$\renewcommand{\row}{\text{Row}}$$ $$\newcommand{\nul}{\text{Nul}}$$ $$\newcommand{\var}{\text{Var}}$$ $$\newcommand{\corr}{\text{corr}}$$ $$\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}$$ $$\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}$$ $$\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}$$ $$\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}$$ $$\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}$$ $$\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}$$ $$\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}$$ $$\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}$$ $$\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}$$ $$\newcommand{\lt}{<}$$ $$\newcommand{\gt}{>}$$ $$\newcommand{\amp}{&}$$ $$\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}$$

El amplificador operacional es un circuito complejo que se utiliza en una amplia variedad de conexiones. Los problemas que se encuentran con frecuencia incluyen la destrucción del amplificador debido a tensiones excesivas o disipación de potencia y oscilación. Las precauciones necesarias para evitar estos peligros dependen del amplificador operacional específico que se utilice. Generalmente encontramos, por ejemplo, que los amplificadores de componentes discretos son más tolerantes al abuso que las unidades de circuito de rejilla inte, ya que con frecuencia se incluyen características de protección más sofisticadas en diseños discretos.

En esta sección se indican algunas de las áreas problemáticas más comunes y se sugieren técnicas que se pueden utilizar para evitarlas.

## Procesos Destructivos

Las tensiones excesivas de la fuente de alimentación son una causa frecuente de daños en el amplificador. El aislamiento de niveles inciertos de suministro-voltaje a través de una combinación de resistencia-diodo Zener, como se muestra en la Figura 11.6, es una forma de eliminar este peligro. Los diodos Zener también conducen en la dirección de avance en caso de inversión de voltaje de suministro. Una mejor solución en sistemas que incluyen una gran cantidad de amplificadores operativos es asegurarse de que las fuentes de alimentación incluyan protección tipo “palanca” que limite los voltajes a niveles seguros en caso de falla de la fuente de alimentación.

La unión de base a emisor puede quemarse si se le aplica suficiente energía. Un problema más sutil, sin embargo, es que la ruptura inversa de base a emisor, incluso a bajos niveles de potencia, a menudo disminuye irreversiblemente la ganancia de corriente de los transistores bipolares. Así, la corriente de entrada de un amplificador puede ser incrementada permanentemente por este mecanismo. El potencial de ruptura de base a emisor de bajo nivel de potencia existe en muchas conexiones. Considera, por ejemplo, la conexión habitual del integrador. Si la potencia del amplificador se apaga con el condensador de retroalimentación cargado, se puede exceder el límite de voltaje de entrada diferencial.

Una solución práctica es incluir un par de diodos de sujeción entre los terminales de entrada del amplificador. Dado que el voltaje entre estos terminales es casi cero en condiciones normales de funcionamiento, los diodos no tienen efecto hasta que se alcanzan niveles de voltaje excesivos.

La disipación de potencia excesiva puede resultar en algunos diseños si el terminal de salida está cortocircuitado a tierra. Esta posibilidad existe principalmente en los primeros diseños de circuitos integrados que no incluyen circuitos limitadores de corriente. Los diseños de circuitos integrados más modernos, así como la mayoría de los circuitos discretos, están protegidos para cortocircuitos de salida a tierra a niveles normales de voltaje de suministro y funcionamiento a temperatura ambiente. Algunos de estos amplificadores no están protegidos para cortocircuitos de salida a voltaje de suministro o cortocircuitos de salida a tierra a temperaturas elevadas.

Los terminales de compensación o equilibrio de los amplificadores operacionales se conectan frecuentemente a puntos críticos de bajo nivel, y cualquier señal aplicada a

estas terminales invitan al desastre. El autor es particularmente experto en el demonio strating este modo de destrucción cortocircuitando pines adyacentes entre sí o un pin a tierra con una sonda de osciloscopio.

## Oscilación

Una de las quejas más frecuentes sobre los amplificadores operativos es que oscilan en conexiones que el usuario siente que deben ser estables. Este fenómeno suele reflejar un problema con el usuario más que con el amplificador, y la mayoría de estas inestabilidades pueden corregirse mediante una práctica de diseño adecuada.

Una razón frecuente para la oscilación es que la dinámica asociada con la carga aplicada al amplificador o la red de retroalimentación conectada a su alrededor se combinan con la función de transferencia de bucle abierto del amplificador para producir inestabilidades de retroalimentación. El material presentado en los capítulos sobre retroalimentación proporciona las pautas generales para eliminar este tipo de oscilaciones. En el Capítulo 13 se dan ejemplos específicos.

Otra causa común de oscilación es la impedancia excesiva de conexión de energía. Este problema es particularmente grave con los amplificadores de alta frecuencia debido a la inductancia de los cables que acoplan la fuente de alimentación al amplificador. Para minimizar las dificultades, es esencial desacoplar o eludir adecuadamente todos los cables de fuente de alimentación a los amplificadores sin redes de desacoplamiento internas. La buena práctica de diseño incluye el uso de un condensador electrolítico de tantalio sólido de valor ($$>1\ \mu F$$) bastante grande desde la fuente de alimentación positiva y negativa a tierra en cada placa de circuito. Los amplificadores individuales deben tener capacitores cerámicos ($$0.01\ \mu F$$a$$0.1\ \mu F$$) conectados directamente desde sus terminales de suministro a un punto de tierra común. La conexión a tierra única entre los dos condensadores de desacoplamiento también debería servir como punto de enlace para la señal de entrada común, si es posible. La longitud del cable tanto en la tensión de alimentación como en el lado de tierra de estos condensadores es crítica ya que la inductancia en serie niega su valor. Los planos de tierra pueden ser obligatorios en los circuitos de alta frecuencia para una inductancia de cable de tierra aceptablemente baja. Si se anticipan corrientes de suministro bajas, la diafonía entre amplificadores se puede reducir al incluir resistencias pequeñas ($$\simeq 22 \Omega$$) en serie en cada red de desacoplamiento, como se muestra en la Figura 11.7.

Además de reducir la impedancia de la línea de suministro, las redes de desacoplamiento a menudo reducen la amplitud de cualquier transitorios de voltaje de suministro. Tales transitorios son particularmente problemáticos con amplificadores que utilizan retroalimentación capacitiva de bucle menor para compensación, ya que el elemento de retroalimentación puede acoplar transitorios aplicados a un terminal de voltaje de alimentación directamente a la salida del amplificador.

La función de transferencia de bucle abierto de muchos amplificadores operativos depende de la impedancia conectada a la entrada no inversora del amplificador. En particular, si se conecta una gran resistencia en serie con este terminal (posiblemente para equilibrar las resistencias vistas en ambas entradas, reduciendo así los efectos de las corrientes de polarización), el ancho de banda del amplificador puede deteriorarse, conduciendo a la oscilación. En estos casos, se debe usar un condensador para derivar la entrada no inversora del amplificador a la señal de entrada común y al punto de tierra de desacoplamiento de la capa de alimentación.

La capacitancia de entrada de un amplificador operacional puede combinarse con la red de retroalimentación para introducir un polo que comprometa la estabilidad. La Figura 11.8 se utiliza para ilustrar este problema. Se supone que la conductancia de entrada del amplificador es insignificantemente pequeña, y que su capacitancia de entrada es modelada por el condensador que$$C_i$$ se muestra en la Figura 11.8. Si los condensadores mostrados con conexiones punteadas en esta figura no están presentes, la transmisión en bucle incluye un término$$1/[(R_1||R_2)C_i s + 1]$$. Si$$C_2$$ se incluye condensador y se eligen valores de manera que$$R_2 C_2 = R_1C_i$$, la función de transferencia de la red de retroalimentación desde la salida del amplificador a su entrada inversora se vuelve independiente de la frecuencia. En la práctica, no es necesario hacer coincidir con precisión las constantes de tiempo. Un desajuste menor introduce un doblete polo-cero estrechamente espaciado, que normalmente tiene poco efecto sobre la estabilidad, en la expresión de transmisión de bucle.

Una posible dificultad es que la inclusión del condensador$$C_2$$ cambia la ganancia ideal de bucle cerrado del amplificador a

$\dfrac{V_o(s)}{V_i (s)} = -\dfrac{R_2}{R_1 (R_2 C_2 s + 1)} \nonumber$

Una alternativa es incluir tanto capacitores$$C_1$$ como$$C_2$$. Si$$R_1 C_1 = R_2 C_2$$ y$$C_1 + C_2 \gg C_i$$, la ganancia ideal de bucle cerrado mantiene su valor original

$\dfrac{V_o}{V_i} = -\dfrac{R_2}{R_1} \nonumber$

mientras que la función de transferencia de red de retroalimentación desde la salida a la entrada de inversión del amplificador operacional se convierte esencialmente en pendiente inde frecuencia.

## Problemas de puesta a tierra

Una conexión a tierra inadecuada es una causa frecuente de un bajo rendimiento del amplificador. Si bien un estudio detallado de este tema está más allá del alcance de este libro, alguna discusión está en orden.

Un problema frecuente de conexión a tierra proviene de las caídas de voltaje en las líneas de tierra como consecuencia del flujo de corriente a través de estas líneas. La Figura 11.9 ilustra una configuración obviamente pobre. Aquí tanto una fuente de señal como una fuente de alimentación están conectadas a un solo punto de tierra. Sin embargo, la corriente a través de una carga se devuelve al lado bajo de la fuente de alimentación a través de un cable que también establece el potencial en la entrada no inversora del amplificador operacional. Si esta corriente crea un potencial$$V_g$$ en la entrada no inversora con respecto a la tierra del sistema, la tensión de salida del amplificador con respecto a la tierra del sistema será

$V_o = -\dfrac{R_2}{R_1} V_i + \dfrac{R_1 + R_2}{R_1} V_g \nonumber$

El término de error que implica el flujo de corriente a través de la línea de retorno a tierra puede ser sustancial, ya que los conductores de circuito impreso estrechos y las clavijas de conector pueden tener una resistencia e inductancia considerables.

Si bien la topología obvia ilustrada en la Figura 11.9 es relativamente fácil de evitar, ocurren variaciones algo mejor disfrazadas con frecuencia perturbadora. La solución es diseñar el sistema con dos redes terrestres diferentes. Una de estas redes, llamada tierra de señal, sirve como retorno para puntos críticos como fuentes de señal, redes de retroalimentación y referencias de voltaje de precisión. Se hace todo lo posible para mantener pequeñas las corrientes a-c y d-c en esta red para que sea esencialmente una red equipotencial. Las altas corrientes de cargas no críticas (un excelente ejemplo es la lógica que a menudo se encuentra en sistemas complejos que incluyen componentes analógicos y digitales) tienen su propia red de retorno a tierra llamada tierra de energía. Estos dos terrenos se conectan en un solo punto, que también es el lado bajo de todas las fuentes de alimentación del sistema.

## Selección de Componentes Pasivos

Los componentes pasivos utilizados en conjunto con los amplificadores operacionales deben seleccionarse con cuidado para obtener un rendimiento satisfactorio.

Las resistencias de película metálica o de película de carbono con tolerancias de 1% son económicas y están fácilmente disponibles. Estas resistencias se pueden obtener con coeficientes de temperatura tan bajos como 25 partes por millón por grado centígrado, y tienen una estabilidad justa a largo plazo. Son aceptables en aplicaciones menos exigentes. Debemos señalar, sin embargo, que si se utilizan resistencias al 1%, las transmisiones en bucle superiores a 100 se desperdician en muchas conexiones.

Las resistencias enrolladas de alambre se pueden usar donde la precisión, la estabilidad y el coeficiente de temperatura son de principal preocupación, ya que hay unidades disponibles que pueden mantener valores dentro de 0.01% o mejor con el tiempo y sobre las excursiones de temperatura moderadas. Las desventajas de estas resistencias incluyen un tamaño relativamente grande y malas características dinámicas debido a su naturaleza distribuida. Es importante darse cuenta de que la excelente estabilidad a la temperatura de estas resistencias se puede negar fácilmente si se combinan con componentes como potenciómetros para recorte. El procedimiento aceptado cuando se requieren ajustes es usar conexiones en derivación o en serie de resistencias seleccionables y estables para aproximarse estrechamente al valor requerido. Entonces se puede usar un potenciómetro con un rango total de una fracción de un porcentaje del valor deseado para completar el recorte. El coeficiente de temperatura del elemento relativamente menos estable tiene poco efecto ya que la resistencia del potenciómetro es una fracción muy pequeña del total.

Al menos un fabricante ofrece resistencias de película metálica de precisión relativamente gruesas con tolerancias de hasta 0.005%. Si bien la estabilidad a largo plazo y el coeficiente de temperatura de estas unidades no es tan bueno como el de las mejores heridas de alambre, su pequeño tamaño y excelentes características dinámicas las recomiendan en muchas aplicaciones exigentes.

La selección de capacitores aceptables es aún más difícil. Además de los problemas de tolerancia y estabilidad, los condensadores exhiben el fenómeno de absorción dieléctrica.Una manifestación de este efecto es que los condensadores tienden a “recordar” y retroceder hacia el voltaje anterior si se abren en circuito después de un cambio de voltaje escalonado. El tiempo requerido para completar este transitorio varía de milisegundos a miles de segundos, mientras que su magnitud puede variar desde una fracción de un porcentaje hasta hasta el 25% del cambio original, dependiendo principalmente del material dieléctrico del condensador. La absorción dieléctrica deteriora el rendimiento de cualquier circuito que utilice condensadores, con muestras y retenciones (donde los cambios de voltaje de paso son rutinarios) y los integradores son particularmente vulnerables.

El teflón y el poliestireno son los mejores materiales dieléctricos desde el punto de vista de la absorción dieléctrica. El coeficiente de absorción dieléctrica (aproximadamente igual a la recuperación fraccional después de un cambio de voltaje escalonado) puede ser inferior a 0.1% para los condensadores construidos adecuadamente a partir de estos materiales. También tienen una resistividad muy alta por lo que son posibles constantes de tiempo propio (producto de la capacitancia y la resistencia de derivación que resulta de la resistividad dieléctrica o de caja) superiores a 106 segundos. Si bien el coeficiente de temperatura para cualquiera de estos materiales es normalmente del orden de 100 partes por millón por grado centígrado, el procesamiento especial o combinaciones de condensadores con dos tipos de dieléctricos pueden disminuir el coeficiente de temperatura a unas pocas partes por millón por grado centígrado. Las principales desventajas son tamaño relativamente grande y alto costo (particularmente para teflón) y una temperatura máxima de$$85^{\circ} C$$ para poliestireno.

Los capacitores de mica o vidrio a menudo proporcionan características aceptables para unidades de menor valor. El policarbonato tiene una eficiencia volumétrica considerablemente mejor que el teflón o el poliestireno, y se utiliza para capacitores de valor moderado y grande. La absorción dieléctrica es algo más pobre, pero aún aceptable en muchas aplicaciones. Los capacitores Mylar-dieléctricos son económicos y tienen un coeficiente de absorción de aproximadamente 1%. Estas unidades se utilizan a menudo en aplicaciones no críticas.

Los condensadores cerámicos, particularmente aquellos construidos con materiales de alta constante dieléctrica, tienen una combinación particularmente desafortunada de características para la mayoría de los circuitos amplificadores operativos, y generalmente deben evitarse excepto como componentes de desacoplamiento o en otras ubicaciones donde la absorción dieléctrica no es importante.

This page titled 11.3: PRECAUCIONES GENERALES is shared under a CC BY-NC-SA 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by James K. Roberge (MIT OpenCourseWare) via source content that was edited to the style and standards of the LibreTexts platform.