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Amplificadores operacionales de baja potencia: perfectos para aplicaciones IIdC con batería

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Los amplificadores operacionales (AO) se han estado usando durante más de ochenta años y su origen se remonta a los primeros ordenadores analógicos. Siguen presentes en los cursos de ingeniería electrónica, y se presentan como un elemento analógico indispensable que se puede emplear en muchas aplicaciones. Estos dispositivos analógicos de gran ganancia y entrada diferencial son increíblemente versátiles y están disponibles en una amplia gama de especificaciones.

El objetivo de este artículo es repasar los aspectos prácticos de los amplificadores operacionales, explicar algunos de los parámetros básicos de su ficha técnica y mostrar algunas aplicaciones potenciales de las que son una parte importante.

 

El amplificador operacional: un elemento modesto

Se empezó a hablar de los amplificadores operacionales en la década de los cuarenta del siglo pasado, cuando el concepto de amplificador de tensión de gran ganancia y acoplamiento CC empleaba válvulas de vacío termoiónicas. Los primeros AO se empezaron a usar rápidamente en distintas aplicaciones, desde los radares hasta los ordenadores analógicos, y su utilidad sigue aumentando. En la actualidad, los AO son la base de casi cualquier dispositivo electrónico, desde los relojes de fitness hasta los robots industriales, los vehículos autónomos y los satélites de comunicación.

Uno de los AO más populares es el 741, que aún se fabrica actualmente. Aunque no es el primer amplificador operacional de circuito integrado monolítico semiconductor (ese es el Fairchild 702), el Fairchild µA741 se convirtió rápidamente en el AO de referencia para cualquier diseño. Se lanzó en 1968, sigue fabricándose actualmente y un gran número de proveedores lo venden en paquetes compatibles en pines, por ejemplo, STMicroelectronics y Texas Instruments.


Imagen 1: esquema interno del AO genérico y multietapa UA741CD de STMicroelectronics (fuente: ST).

Normalmente, un amplificador operacional contiene una salida asimétrica y entradas diferenciales inversoras y no inversoras. Si se usa como un amplificador de lazo abierto, su gran ganancia crea una salida miles de veces superior a la diferencia potencial entre las entradas. EL AO se usa con frecuencia en lazo cerrado (imagen 2) con realimentación negativa para limitar y controlar la ganancia según lo que necesite la aplicación. La tensión de salida del amplificador operacional está limitada por la alimentación, con independencia de las especificaciones de ganancia.

Imagen 2: AO no inversor y en lazo cerrado, con realimentación negativa a través de R2 (fuente: Mouser).

La ganancia del amplificador no inversor se puede observar en la imagen 2, la tensión de salida (Vout) está determinada por el conjunto de resistencias R1 y R2.

Los amplificadores operacionales se pueden configurar como amplificadores diferenciales, seguidores de tensión, diferenciadores o integradores. Son perfectos para distintas aplicaciones y algunas de las más comunes son los filtros activos, los conversores de nivel, el «buffering», el acondicionamiento de señales, la amplificación de pequeñas señales (CA/CC) y el generador de funciones. En resumen, se trata de un componente perfecto para prácticamente cualquier dispositivo.

A fin de entender cómo funciona un amplificador operacional, resulta útil entender que un dispositivo ideal tendría estas características:

  • Una ganancia infinita de tensión diferencial: la tensión de salida solo depende de la tensión de entrada y del circuito de realimentación.
  • Resistencia de entrada infinita, con lo que no habrá corriente en ninguna entrada.
  • La resistencia de salida es nula y, por lo tanto, la carga no afecta al rendimiento del amplificador.
  • Ancho de banda infinito, de modo que se adapta a la CC y a cualquier frecuencia sin cambios en la fase o la ganancia.
  • Salida nula cuando la entrada diferencial es nula.

Si quiere ver una útil infografía sobre los principios básicos de los AO y de algunas configuraciones populares de circuitos, aquí podrá descargarla desde Mouser: https://emea.info.mouser.com/opamp-reference?pid=Mouser&cid=TW

 

Los amplificadores operacionales en la práctica

Para entender la teoría de funcionamiento de un AO, es útil emplear un dispositivo ideal, pero, en la realidad, todos los AO tienen determinados atributos que los ingenieros deben comprender bien.

En esta sección del artículo, explicaremos algunos de los parámetros más importantes que hay en la ficha técnica de un AO. Es posible que algunos de estos criterios influyan directamente en el dispositivo que vayamos a elegir, en función del tipo de aplicación.

Tensión de offset de entrada: en un AO ideal, la salida debería ser cero cuando la entrada diferencial sea también nula. Sin embargo, debido a pequeñas diferencias en la fabricación del dispositivo, no todas las puertas de transistor son iguales. La tensión de offset de entrada es la tensión que se debe aplicar en las entradas diferenciales para generar una salida de cero voltios (Vio). Los valores comunes de Vio pueden variar mucho, desde unos µV hasta cientos de mV. La Vio es una proporción importante al medir tensiones de entrada muy bajas, lo que generará una tensión de salida errónea.

Corriente de polarización de entrada: es la corriente no deseada que llega a las entradas diferenciales. Suele producirse debido a las corrientes de fuga y el valor puede variar según la tecnología de procesamiento, aunque también puede generarse cuando haya componentes de polarización cerca de las entradas. Incluso cuando una corriente de polarización de entrada (Iib) es muy pequeña (normalmente, pA o nA), puede generar una reducción importante en la tensión de los circuitos de entrada con impedancias altas, de modo que puede influir en la salida.

Producto ganancia/ancho de banda (GBP): este factor ilustra el rendimiento de un AO en un rango de frecuencias. Normalmente, la ganancia baja gradualmente a medida que la frecuencia aumenta. Indica la frecuencia a la que la ganancia se reduce en 20 dB.

Entradas carril a carril: un AO con entradas carril a carril puede albergar tensiones de entrada entre +Vcc y -Vcc.

Salidas carril a carril: como en el elemento anterior, la tensión de salida de un AO puede ir de +Vcc a -Vcc.

Velocidad de cambio: la velocidad de cambio determina la rapidez a la que la salida del AO puede cambiar en función de la señal de entrada. En aplicaciones de alta frecuencia, este factor es crucial, ya que, si la salida no puede seguir el ritmo de cambio de la entrada, la señal quedará distorsionada. Se mide en mV/s, y la tensión de salida puede oscilar entre el 10 y el 90 % del valor de pico (imagen 3).

Imagen 3: medición de la velocidad de cambio de un amplificador operacional considerando los cambios en la señal de entrada (fuente: TI).

Capacitancia de entrada: la capacitancia de entrada de un AO puede influir en su rendimiento a medida que la frecuencia de la señal de entrada aumenta. La importancia de este factor dependerá de la aplicación. En la medición de la tensión en baterías no tiene gran relevancia, pero con señales de filtros activos o ultrasonidos, es algo que debemos tener en cuenta.

Nivel de ruido: como ocurre con un gran número de componentes, los amplificadores operacionales tienen distintas fuentes de ruido capaces de llevar ese ruido a la señal de salida cuando no hay entrada, por ejemplo, el ruido térmico o el ruido en 1/f. Es recomendable escoger un AO con un bajo nivel de ruido en aplicaciones de gran ganancia y ancho de banda.

Desviación cero: el impacto de factores como la tensión de offset de entrada, descrita anteriormente, depende de la temperatura y el tiempo. En un AO con desviación cero, se utiliza una técnica de intercambio o corte de entradas para eliminar estas influencias.

Consumo de corriente: el consumo energético se está convirtiendo en una prioridad en muchas aplicaciones, no solo para optimizar la eficacia energética, sino también para prolongar la vida útil de la batería, sobre todo con sensores IdC/IIdC. Los AO tienen especificaciones de potencia mucho menores que otros dispositivos CI, como un microcontrolador. Sin embargo, hay amplificadores operacionales con un nivel de potencia especialmente bajo e intensidades de funcionamiento de tan solo 900 nA por entrada que son una opción ideal para aplicaciones con batería.

 

Ejemplos de amplificadores operacionales

Los proveedores de semiconductores suelen optimizar su gama de amplificadores operacionales organizándolos en distintas categorías según las especificaciones del dispositivo. Por ejemplo, ST los divide en productos de baja potencia, baja tensión de offset de entrada, alta tensión, precisión, carril a carril y alta velocidad. Analog Devices utiliza un método similar e identifica productos para aplicaciones específicas.

La serie ST TSZ121 es un ejemplo de AO de precisión, con un nivel bajo de offset de entrada y desviación cero. Está disponible en distintos encapsulados (individual, doble o cuádruple) y es un dispositivo con entrada y salida carril a carril. Puede funcionar con una tensión de entrada de entre 1,8 y 5,5 V CC, tiene un perfil de baja potencia máximo de 40 µA (a 5 V) y una tensión offset típica de 5 µV (a 25 °C). Esta serie es ideal para aplicaciones portátiles y de batería, circuitos de acondicionamiento de señal e instrumentación médica.

En la imagen 4 se puede ver el uso del TSZ121 en el circuito de medición de corriente de un dispositivo con batería.

Imagen 4: ejemplo de uso del AO de precisión TSZ121 de ST para medir corriente en un equipo portátil: es importante seleccionar un AO con un nivel bajo de tensión de offset de entrada (fuente: ST).

Se coloca una resistencia de derivación de precisión de 8 mΩ en serie con la carga de la batería. Una corriente de 100 mA pasa por esta resistencia, lo que genera una tensión de 800 µV, que se aplica a las entradas diferenciales mediante dos resistencias de 10 Ω. La configuración del AO tiene una ganancia de 1000, así que debería haber 0,8 V en la salida. Sin embargo, en la práctica, con una tensión de offset de entrada de 5 µV, la tensión real medida en la salida es de 0,805 V. Este ejemplo muestra la importancia de la tensión de offset de entrada en una medición. Por ejemplo, si hubiéramos seleccionado un AO con una tensión de offset de entrada de 200 µV, el error de medición hubiera sido mucho mayor.

Existe una placa de prototipos de lado bajo para acelerar los diseños con el TSZ121, la STEVAL-ISQ014V1, que incluye una resistencia de derivación de 30 mΩ. Además, para ayudar a los ingenieros a desarrollar y emular circuitos con amplificadores operacionales, la eDesignSuite de ST ofrece un método práctico y rápido para seleccionar un diseño y crear prototipos (véase la imagen 5).

Imagen 5: un diseño de medición de corriente en la eDesignSuite de ST con un AO TSZ121 (fuente: ST).

Los AO también se usan frecuentemente en los circuitos de filtro activo. En la imagen 6 se puede ver el diseño de un filtro de paso de banda de audiofrecuencia con el Analog Design Filter Wizard.

Imagen 6: diseño de un filtro de paso de banda con el Analog Design Filter Wizard (fuente: Analog Devices).

Los parámetros del filtro son una frecuencia central de 800 Hz y una banda de paso de 300 Hz a 3 dB. Podemos ajustar rápidamente los parámetros del filtro para lograr la banda de paso que queramos. Lo siguiente que debemos hacer es seleccionar los componentes (véase la imagen 7). Podemos aceptar lo que diga el asistente o escoger manualmente lo que queramos en el catálogo de AO de Analog Devices.

Imagen 7: esquema del circuito del filtro paso banda con un AO ADA4062 de baja potencia seleccionado para la primera etapa (fuente: Analog Devices).

El ADA4062 de Analog Devices tiene una velocidad de cambio típica de 3,3 V/µs, una baja corriente de polarización de entrada (50 pA) y una tensión de offset de entrada de 500 µV. Puede funcionar con carriles de ±5 a ±15 V y su consumo típico de potencia es de 165 µA.

 

¿Por qué no añade un AO a su próximo diseño?

Los amplificadores operacionales juegan un papel importante en las aplicaciones con batería. Gracias a sus especificaciones de intensidad ultrabaja, pueden medir o acondicionar señales continuamente sin influir demasiado en la vida útil de la batería. Son dispositivos flexibles que pueden tener cabida en cualquier diseño.

 

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

 

 

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