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8.14: Modelos de Amplificadores Operacionales

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    Si bien la mención de amplificadores operativos generalmente provoca visiones de dispositivos semiconductores construidos como circuitos integrados en un chip de silicio en miniatura, los primeros amplificadores operacionales fueron en realidad circuitos de tubo de vacío. El primer amplificador operacional comercial de propósito general fue fabricado por George A. Philbrick Researches, Incorporated, en 1952. Designado como el K2-W, se construyó alrededor de dos tubos de triodo gemelos montados en un conjunto con una toma octal (8 pines) para una fácil instalación y servicio en el chasis de equipos electrónicos de esa época. El montaje se veía algo así:

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    El diagrama esquemático muestra los dos tubos, junto con diez resistencias y dos condensadores, un diseño de circuito bastante simple incluso para los estándares de 1952:

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    En caso de que no esté familiarizado con el funcionamiento de los tubos de vacío, funcionan de manera similar a los transistores IGFET de tipo agotamiento de canal N: es decir, conducen más corriente cuando la rejilla de control (la línea discontinua) se hace más positiva con respecto al cátodo (la línea doblada cerca de la parte inferior del símbolo del tubo), y conducir menos corriente cuando la rejilla de control se hace menos positiva (o más negativa) que el cátodo. El tubo triodo gemelo de la izquierda funciona como un par diferencial, convirtiendo las entradas diferenciales (señales de voltaje de entrada inversora y no inversora) en una sola señal de voltaje amplificada que luego se alimenta a la red de control del triodo izquierdo del segundo par de triodos a través de una tensión divisor (1 MΩ—2.2 MΩ). Ese triodo amplifica e invierte la salida del par diferencial para una mayor ganancia de voltaje, luego la señal amplificada se acopla al segundo triodo del mismo tubo de triodo dual en una configuración de amplificador no inversor para una mayor ganancia de corriente. Los dos “tubos incandescentes” de neón actúan como reguladores de voltaje, de manera similar al comportamiento de los diodos zener semiconductores, para proporcionar una tensión de polarización en el acoplamiento entre los dos triodos de amplificador de extremo único.

    Con un voltaje de alimentación dual de +300/-300 voltios, este amplificador operacional solo podría oscilar su salida +/- 50 voltios, lo cual es muy pobre para los estándares actuales. Tenía una ganancia de voltaje de bucle abierto de 15,000 a 20,000, una tasa de respuesta de +/- 12 voltios/µsegundo, una corriente de salida máxima de 1 mA, un consumo de energía en reposo de más de 3 vatios (¡sin incluir la potencia para los filamentos de los tubos!) , y costó alrededor de 24 dólares en 1952 dólares. Se podría haber logrado un mejor rendimiento usando un diseño de circuito más sofisticado, pero solo a expensas de un mayor consumo de energía, mayor costo y menor confiabilidad.

    Con la llegada de los transistores de estado sólido, los amplificadores operacionales con un consumo de energía mucho menos quiescente y una mayor confiabilidad se hicieron factibles, pero muchos de los otros parámetros de rendimiento permanecieron aproximadamente los mismos. Tomemos, por ejemplo, el modelo P55A de Philbrick, un amplificador operacional de estado sólido de propósito general alrededor de 1966. El P55A lucía una ganancia de bucle abierto de 40,000, una tasa de respuesta de 1.5 voltios/µsegundo y una oscilación de salida de +/- 11 voltios (a un voltaje de fuente de alimentación de +/- 15 voltios), una corriente de salida máxima de 2.2 mA y un costo de $49 (o aproximadamente $21 para la versión de “grado de utilidad”). El P55A, así como otros amplificadores operacionales en la línea de Philbrick de la época, era de construcción de componentes discretos, sus transistores constituyentes, resistencias y condensadores alojados en un “ladrillo” sólido que se asemeja a un gran paquete de circuitos integrados.

    No es muy difícil construir un amplificador operacional crudo usando componentes discretos. Un esquema de uno de tales circuitos se muestra en la Figura a continuación.

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    Un amplificador operacional simple hecho de componentes discretos.

    Si bien su rendimiento es bastante deprimente para los estándares modernos, demuestra que la complejidad no es necesaria para crear un amplificador operacional mínimamente funcional. Los transistores Q 3 y Q 4 forman el corazón de otro circuito de par diferencial, el equivalente semiconductor del primer tubo triodo en el esquema K2-W. Al igual que en el circuito del tubo de vacío, el propósito de un par diferencial es amplificar y convertir un voltaje diferencial entre los dos terminales de entrada en un voltaje de salida de un solo extremo.

    Con la llegada de la tecnología de circuito integrado (IC), los diseños de amplificador operacional experimentaron un aumento dramático en el rendimiento, la confiabilidad, la densidad y la economía. Entre los años de 1964 y 1968, la corporación Fairchild introdujo tres modelos de amplificadores operacionales IC: el 702, el 709 y el aún popular 741. Si bien el 741 ahora se considera anticuado en términos de rendimiento, sigue siendo uno de los favoritos entre los aficionados por su simplicidad y tolerancia a fallas (protección contra cortocircuitos en la salida, por ejemplo). La experiencia personal abusando de muchos 741 amplificadores operacionales me ha llevado a la conclusión de que es un chip duro de matar.

    El diagrama esquemático interno para un amplificador operacional modelo 741 se muestra en la Figura a continuación.

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    Diagrama esquemático de un amplificador operacional modelo 741.

    Por estándares de circuito integrado, el 741 es un dispositivo muy simple: un ejemplo de integración a pequeña escala, o tecnología SSI. No sería poca cosa construir este circuito utilizando componentes discretos, para que pueda ver las ventajas de incluso la tecnología de circuitos integrados más primitiva sobre los componentes discretos donde están involucrados altos recuentos de piezas.

    Para el aficionado, estudiante o ingeniero que desea un mayor rendimiento, hay literalmente cientos de modelos de amplificador operacional para elegir. Muchos venden por menos de un dólar cada uno, ¡incluso al por menor! La instrumentación especial y los amplificadores operacionales de radiofrecuencia (RF) pueden ser bastante más caros. En esta sección mostraré varios amplificadores operacionales populares y asequibles, comparando y contrastando sus especificaciones de rendimiento. El venerable 741 se incluye como “punto de referencia” para la comparación, aunque es, como dije antes, considerado un diseño obsoleto.

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    En la Tabla anterior se enumeran solo algunos de los modelos de amplificadores operativos de bajo costo ampliamente disponibles de proveedores de electrónica. La mayoría de ellos están disponibles a través de tiendas de suministros minoristas como Radio Shack. Todos están por debajo de $1.00 costo directo del fabricante (precios año 2001). Como puede ver, existe una variación sustancial en el rendimiento entre algunas de estas unidades. Tomemos por ejemplo el parámetro de la corriente de polarización de entrada: el CA3130 gana el premio por menor, a 0.05 nA (o 50 pA), y el LM833 tiene el más alto en poco más de 1 µA. El modelo CA3130 logra su corriente de polarización increíblemente baja mediante el uso de transistores MOSFET en su etapa de entrada. Un fabricante anuncia la impedancia de entrada del 3130 como 1.5 tera-ohmios, ¡o 1.5 x 10 12 Ω! Otros amplificadores operacionales mostrados aquí con cifras de corriente de polarización baja usan transistores de entrada JFET, mientras que los modelos de corriente de polarización alta usan transistores de entrada bipolares.

    Si bien el 741 se especifica en muchos esquemas electrónicos de proyectos y se exhibe en muchos libros de texto, su desempeño ha sido superado durante mucho tiempo por otros diseños en cada medida. Incluso algunos diseños originalmente basados en el 741 se han mejorado a lo largo de los años para superar con creces las especificaciones de diseño originales. Un ejemplo de ello es el modelo 1458, dos amplificadores operacionales en un paquete DIP de 8 pines, que a la vez tenían exactamente las mismas especificaciones de rendimiento que el 741 único. En su última encarnación, cuenta con un rango de voltaje de fuente de alimentación más amplio, una tasa de respuesta 50 veces más grande y casi el doble de la capacidad de corriente de salida de un 741, al tiempo que conserva la característica de protección contra cortocircuitos de salida del 741. Los amplificadores operacionales con transistores de entrada JFET y MOSFET superan con creces el rendimiento del 741 en términos de corriente de polarización, y generalmente logran superar al 741 en términos de ancho de banda y velocidad de giro también.

    Mis propias recomendaciones personales para amplificadores operacionales son como tales: cuando la corriente de polarización baja es una prioridad (como en los circuitos integradores de baja velocidad), elija el 3130. Para el trabajo de amplificador de CC de propósito general, el 1458 ofrece un buen rendimiento (y obtienes dos amplificadores operacionales en el espacio de un paquete). Para una actualización en el rendimiento, elija el modelo 353, ya que es un reemplazo compatible con pines para el 1458. El 353 está diseñado con circuitos de entrada JFET para corriente de polarización muy baja, y tiene un ancho de banda 4 veces son grandes como el 1458, aunque su límite de corriente de salida es menor (pero aún así protegido contra cortocircuitos). Puede ser más difícil de encontrar en la estantería de su casa de suministros de electrónica local, pero tiene un precio tan razonable como el 1458.

    Si el bajo voltaje de la fuente de alimentación es un requisito, recomiendo el modelo 324, ya que funciona en tan solo 3 voltios CC. Sus requisitos de corriente de polarización de entrada también son bajos y proporciona cuatro amplificadores operacionales en un solo chip de 14 pines. Su principal debilidad es la velocidad, limitada a 1 MHz de ancho de banda y una velocidad de salida de solo 0.25 voltios por µs. Para circuitos amplificadores de CA de alta frecuencia, el 318 es un muy buen modelo de “propósito general”.

    Los amplificadores operacionales de propósito especial están disponibles para un costo modesto que proporcionan mejores especificaciones de rendimiento. Muchos de estos están diseñados para un tipo específico de ventaja de rendimiento, como el ancho de banda máximo o la corriente de polarización mínima. Tomemos, por ejemplo, los amplificadores operacionales, ambos diseñados para un ancho de banda alto en la Tabla siguiente.

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    El CLC404 cotiza en 21.80 dólares (casi tanto como el primer op-amp comercial de George Philbrick, aunque sin corrección por inflación), mientras que el CLC425 es bastante menos costoso a $3.23 por unidad. En ambos casos se logra una alta velocidad a expensas de corrientes de polarización altas y rangos de voltaje de fuente de alimentación restrictivos. Algunos amplificadores operacionales, diseñados para una salida de alta potencia se enumeran en la Tabla a continuación.

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    Sí, ¡el LM12CL en realidad tiene una clasificación de corriente de salida de 13 amperios (13,000 miliamperios)! Se cotiza en 14.40 dólares, lo que no es mucho dinero, considerando la potencia bruta del dispositivo. El LM7171, por otro lado, comercializa la capacidad de salida de corriente alta para una capacidad de salida de voltaje rápido (una alta tasa de respuesta). Se cotiza en 1.19 dólares, aproximadamente tan bajos como algunos amplificadores operacionales de “propósito general”.

    Los paquetes de amplificadores también se pueden comprar como circuitos de aplicación completos en lugar de amplificadores operativos desnudos. Las corporaciones Burr-Brown y Analog Devices, por ejemplo, ambas conocidas desde hace mucho tiempo por sus líneas de productos de amplificadores de precisión, ofrecen amplificadores de instrumentación en paquetes prediseñados, así como otros dispositivos amplificadores especializados. En diseños donde la alta precisión y repetibilidad después de la reparación es importante, podría ser ventajoso para el diseñador de circuitos elegir tal “bloque” de amplificador prediseñado en lugar de construir el circuito a partir de amplificadores operacionales individuales. Por supuesto, estas unidades suelen costar bastante más que los amplificadores operacionales individuales.


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