Modelos de amplificador operacional

Si bien la mención de amplificadores operacionales generalmente provoca visiones de dispositivos semiconductores construidos como circuitos integrados en un chip de silicio en miniatura, los primeros amplificadores operacionales eran 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 K2-W, se construyó alrededor de dos tubos de triodo gemelos montados en un ensamblaje con un octal (8 pines) zócalo para una fácil instalación y mantenimiento en chasis de equipos electrónicos de esa época. El ensamblaje se veía así:

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:

¿Cómo funcionan los tubos de vacío?

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 de agotamiento de canal N:es decir, conducen más corriente cuando la rejilla de control (la línea discontinua) se hace más positiva con respecto a la cátodo (la línea doblada cerca de la parte inferior del símbolo del tubo) y conduce menos corriente cuando la rejilla de control se hace menos positiva (o más negativa) que el cátodo. El tubo de triodo gemelo de la izquierda funciona como un par diferencial , convirtiendo las entradas diferenciales (señales de voltaje de entrada inversoras y no inversoras) en una única señal de voltaje amplificada que luego se alimenta a la rejilla de control del triodo izquierdo del segundo par de triodos a través de un divisor de voltaje (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 doble triodo en una configuración de amplificador no inversor para una mayor ganancia de corriente. Los dos "tubos luminosos" de neón actúan como reguladores de voltaje, similar al comportamiento de los diodos zener semiconductores, para proporcionar un voltaje de polarización en el acoplamiento entre los dos triodos amplificadores de un solo extremo.

Con un voltaje de suministro dual de + 300 / -300 voltios, este amplificador operacional solo podía oscilar su salida +/- 50 voltios, que es muy pobre para los estándares actuales. Tenía una ganancia de voltaje de bucle abierto de 15.000 a 20.000, una velocidad 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 de los filamentos de los tubos). !), y cuesta alrededor de $ 24 en dólares de 1952. Se podría haber obtenido un mejor rendimiento utilizando un diseño de circuito más sofisticado, pero solo a expensas de un mayor consumo de energía, un mayor costo y una menor confiabilidad.

Impacto de los transistores de estado sólido en los amplificadores operacionales

Con el advenimiento de los transistores de estado sólido, los amplificadores operacionales con mucho menos consumo de energía en reposo y mayor confiabilidad se volvieron factibles, pero muchos de los otros parámetros de rendimiento permanecieron más o menos iguales. 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 velocidad de respuesta de 1,5 voltios / µsegundo y una oscilación de salida de +/- 11 voltios ( con un voltaje de suministro de energía de +/- 15 voltios), una corriente de salida máxima de 2.2 mA y un costo de $ 49 (o alrededor de $ 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, resistencias y capacitores constituyentes alojados en un "ladrillo" sólido que se asemeja a un paquete de circuito integrado grande.

No es muy difícil construir un amplificador operacional tosco usando componentes discretos. En la Figura siguiente se muestra un esquema de uno de estos circuitos.

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. 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. Como sucedía 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.

Impacto de la tecnología de circuitos integrados en los diseños de amplificadores operacionales

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

El diagrama esquemático interno de un amplificador operacional modelo 741 se muestra en la Figura siguiente.

Diagrama esquemático de un amplificador operacional modelo 741.

Según los estándares de circuitos integrados, el 741 es un dispositivo muy simple:un ejemplo de integración a pequeña escala o SSI tecnología. No sería poca cosa construir este circuito utilizando componentes discretos, de modo que pueda ver las ventajas de incluso la tecnología de circuito integrado más primitiva sobre los componentes discretos en los que se trata de una gran cantidad de piezas.

Comparación de las especificaciones de rendimiento de algunos amplificadores operacionales

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

Amplificadores operacionales ampliamente utilizados

Modelo Dispositivos / paquete Fuente de alimentación Ancho de banda Corriente de sesgo Velocidad de respuesta Corriente de salida número (recuento) (V) (MHz) (nA) (V / µS) (mA) TL082212 / 36481317LM301A110 / 3612500.525LM318110 / 40155007020LM32443 / 321450.2520LF353212 / 36481320LF356110 / 36581225LF411110 / 364201525741C110 / 3615000.525LM10584532731 / 361830

En la tabla anterior se enumeran algunos de los modelos de amplificadores operacionales de bajo costo que se encuentran ampliamente disponibles en los proveedores de productos electrónicos. La mayoría de ellos están disponibles a través de tiendas minoristas de suministros como Radio Shack. Todos tienen un costo de menos de $ 1.00 directamente del fabricante (precios del 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 el más bajo, a 0.05 nA (o 50 pA), y el LM833 tiene el más alto con un 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 que se muestran aquí con cifras de corriente de baja polarización utilizan transistores de entrada JFET, mientras que los modelos de corriente de alta polarización utilizan transistores de entrada bipolares.

Si bien el 741 se especifica en muchos esquemas de proyectos electrónicos y se muestra en muchos libros de texto, su rendimiento ha sido superado durante mucho tiempo por otros diseños en todos los aspectos. Incluso algunos diseños basados ​​originalmente 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 en un momento tenía exactamente las mismas especificaciones de rendimiento que el único 741. En su última encarnación, cuenta con un rango de voltaje de fuente de alimentación más amplio, una gran cantidad Tasa 50 veces más grande, y casi el doble de la capacidad de corriente de salida de un 741, mientras conserva la función de protección contra cortocircuitos de salida del 741. Amplificadores operacionales con transistores de entrada JFET y MOSFET lejos superan el rendimiento del 741 en términos de corriente de sesgo y, en general, logran superar al 741 en términos de ancho de banda y velocidad de respuesta también.

Mis propias recomendaciones personales para amplificadores operacionales son las siguientes:cuando la corriente de baja polarización 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 usted obtenga dos amplificadores operacionales en el espacio de un paquete). Para mejorar 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 una corriente de polarización muy baja y tiene un ancho de banda 4 veces mayor que el 1458, aunque su límite de corriente de salida es más bajo (pero aún protegido contra cortocircuitos). Puede ser más difícil de encontrar en el estante de su casa de suministros electrónicos local, pero tiene un precio tan razonable como el 1458.

Si se requiere un voltaje bajo de la fuente de alimentación, recomiendo el modelo 324, ya que funciona con tan solo 3 voltios de 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 mayor debilidad es la velocidad, limitada a un ancho de banda de 1 MHz y una velocidad de respuesta de salida de solo 0,25 voltios por µs. Para circuitos amplificadores de CA de alta frecuencia, el 318 es un modelo muy bueno de "propósito general".

Muestras de amplificadores operacionales de gran ancho de banda y alta corriente

Los amplificadores operacionales de propósito especial están disponibles a un costo modesto que brindan 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 gran ancho de banda en la Tabla siguiente.

Amplificadores operacionales de gran ancho de banda

Modelo Dispositivos / paquete Fuente de alimentación Ancho de banda Corriente de sesgo Velocidad de respuesta Corriente de salida número (recuento) (V) (MHz) (nA) (V / µS) (mA) CLC404110 / 1423244,000260070 CLC42515 / 14190040,00035090

El CLC404 tiene un precio de $ 21,80 (casi tanto como el primer amplificador operacional comercial de George Philbrick, aunque sin corrección por inflación), mientras que el CLC425 es bastante menos caro a $ 3,23 por unidad. En ambos casos, la alta velocidad se logra a expensas de altas corrientes de polarización y rangos de voltaje de suministro de energía restrictivos. En la siguiente tabla se enumeran algunos amplificadores operacionales diseñados para una salida de alta potencia.

Amplificadores operacionales de alta corriente

Modelo Dispositivos / paquete Fuente de alimentación Ancho de banda Corriente de sesgo Velocidad de respuesta Corriente de salida número (recuento) (V) (MHz) (nA) (V / µS) (mA) LM12CL115 / 800.71000913,000 LM717115.5 / 3620012,0004100100

Sí, el LM12CL en realidad tiene una clasificación de corriente de salida de 13 amperios (13.000 miliamperios)! Tiene un precio de $ 14,40, que no es mucho dinero, considerando la potencia bruta del dispositivo. El LM7171, por otro lado, intercambia la capacidad de salida de alta corriente por la capacidad de salida de voltaje rápido (una alta velocidad de respuesta). Tiene un precio de $ 1,19, aproximadamente tan bajo como algunos amplificadores operacionales de "propósito general".

Los paquetes de amplificadores también se pueden comprar como circuitos de aplicación completos en lugar de amplificadores operacionales simples. 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 del circuito elegir un “bloque” de amplificador prediseñado en lugar de construir el circuito a partir de amplificadores operacionales individuales. Por supuesto, estas unidades suelen costar un poco más que los amplificadores operacionales individuales.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de amplificadores operacionales básicos