IC 741 (amplificador operativo) Fundamentos | Funcionamiento del circuito | Características

INTRODUCCIÓN:

Los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente en nuestros amplificadores de audio, computadoras internas (es decir, DAC y ADC, etc.), amplificadores de instrumentación (es decir, utilizados en industrias para la detección), comparadores, osciladores, filtros, amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos, V-I e I-V convertidores, integradores, diferenciadores, dentro de 555 temporizadores, generadores de ondas, etc.

¿Alguna vez pensaste qué hay básicamente dentro de un amplificador operacional (IC 741)? , cómo está configurado para realizar varias funciones como se mencionó anteriormente y cuáles son sus características. Espero que este artículo le proporcione los conocimientos básicos sobre el amplificador operacional.

Como su nombre lo indica AMPLIFICADOR OPERACIONAL, ¿qué pensará usted de la palabra OPERACIONAL?. Si estás pensando en operaciones matemáticas entonces tienes razón. Es un dispositivo diseñado originalmente para realizar una operación matemática (es decir, suma, resta, integración y diferenciación) y para manejar señales analógicas. Con la adición de componentes externos adecuados, los amplificadores operacionales de hoy en día se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones, como se mencionó anteriormente. También se puede usar para amplificar señales de CA y CC, la palabra AMPLIFICADOR se refiere a aumentar la fuerza de una señal.

Es un amplificador de muy alta ganancia que consta de amplificadores diferenciales, consiste en el traductor de nivel y una etapa de salida. OP-amp es básicamente una configuración de transistores con un valor adecuado de resistencias.

HAGAMOS UNA BREVE RESEÑA SOBRE IC 741:

En 1965, Fairchild presentó uA709, que es un amplificador operacional de primera generación. Tiene varias desventajas, que requiere componentes externos para su protección. La desventaja es:no hay protección contra cortocircuitos, problema de bloqueo, problema de compensación de frecuencia que requiere componentes externos (es decir, 2 condensadores y una resistencia).

En 1968, Fairchild presentó uA741, una propiedad compensada interna. A diferencia de uA709, no tiene problemas de enganche, está protegido contra cortocircuitos y tiene estabilidad de frecuencia. uA741 también se conoce como amplificador operacional de segunda generación.

IDENTIFICACIÓN DE IC Y CONFIGURACIÓN DE PIN DE IC 741

Ya que hoy en día muchos fabricantes están produciendo 741 amplificadores operacionales. ¿Cómo podemos identificar que los amplificadores operacionales 741 son fabricados por un fabricante en particular? Muchos amplificadores operacionales se identifican mediante un código de identificación de siete caracteres. Por ejemplo

En primer lugar, el prefijo identifica a un fabricante en particular. En segundo lugar, el designador que nos dice dos cosas ((i) el número de tres dígitos identifica el tipo de amplificador operacional. (ii) la última letra indica la temperatura de funcionamiento de un amplificador operacional en particular). En tercer lugar, el sufijo indica el tipo de paquetes.   

El pin 7 y el pin 4 se utilizan como pines de suministro, en el pin 7 se debe conectar el suministro positivo y en el pin 4 se debe conectar el suministro negativo. Tiene dos entradas (es decir, una es el pin 2 de entrada inversora y el otro es el pin 3 de entrada no inversora). El pin 1 y el pin 5 son pines nulos compensados, se conecta un potenciómetro (valor típico de 10k) entre estos terminales para establecer la salida en cero. El pin 8 no tiene conexión con el circuito interno del amplificador operacional, está hecho para llenar completamente el IC estándar de 8 pines.

CIRCUITO INTERNO DEL AMP OP IC741:

Básicamente, el circuito integrado de amplificador operacional de transistor bipolar 741 consta de 20 transistores BJT. Ahora, para entender el circuito interno, dividamos el circuito en diferentes bloques.

1. El bloque delineado en azul se compone de un amplificador diferencial.
2. Los bloques delineados en rojo comprenden espejos actuales.
3. El bloque delineado en magenta, forma parte del amplificador de clase A (es decir, amplificador de voltaje)
4. El bloque resaltado en verde y cian se compone de un traductor de nivel y un amplificador de salida (es decir, un amplificador de clase AB).

Ahora entendamos cada uno de los bloques:

El amplificador diferencial consta en primer lugar de un seguidor de emisor NPN emparejado Q1 y Q2 que proporciona una alta impedancia de entrada y proporciona ganancia; en segundo lugar, transistores PNP de base común emparejados Q3 y Q4 que se utilizan para impulsar la carga activa Q7, Q5 y P6. Q5 y Q6 son el par emparejado y realizan la función del amplificador diferencial para la señal de entrada nula compensada. La corriente de Q5 y ​​Q6 se controla variando un potenciómetro de 10k conectado entre los pines de entrada 1 y 5. Los transistores Q1 y Q3 están conectados en cascada en serie y Q2 y Q4 también lo están, lo que proporciona una alta ganancia cuando la entrada se aplica en sus terminales de entrada. El amplificador diferencial también tiene la capacidad de rechazar señales comunes (es decir, ruidos que son comunes en ambos terminales de entrada).

Los espejos actuales se componen de (Q8-Q9) y (Q12-Q13) están configurados como espejo actual de Wilson. Mientras que los transistores Q10-Q11 están configurados como un espejo de corriente más ancho, estos espejos de corriente mantienen una corriente de reposo constante en el circuito para un funcionamiento estable.

El amplificador de clase A consta de dos transistores NPN Q15 y Q19 que están configurados como un par Darlington y proporcionan ganancia de voltaje, el transistor Q22 se usa para evitar el exceso de corriente que se proporciona a Q20 (es decir, el transistor sumidero que recibe corriente del colector común del par Darlington) .

El transistor Q16 junto con la resistencia de 4,5k y 7,5k (conocido como cambiador de nivel de voltaje), este circuito se usa para evitar que la señal de salida se distorsione. Ahora el amplificador en la etapa de salida en un amplificador de clase AB (que consta de Q14, Q17 y Q20). Q14 y Q20 son un amplificador de clase AB complementario que proporciona una impedancia de salida (típicamente de 50 a 75 ohmios) y proporciona ganancia de corriente. Mientras que Q17 limita la corriente en la salida.

La corriente del espejo de corriente (Q8 y Q9) se divide en el amplificador diferencial compuesto por (Q1-Q3) y (Q2-Q4). Ahora, la corriente de los transistores de base común (Q3 y Q4) se suma a la corriente del espejo de corriente más amplio (Q10 y Q11), Q7 se usa para controlar Q5 y ​​Q6. La corriente de reposo se establece en Q16 y Q19 se establece debido al espejo de corriente de Wilson (Q12 y Q13). El valor de 30pF se utiliza para la compensación de frecuencia.

CONFIGURACIÓN  DE OP-AMP (IC 741):

Dos configuraciones principales de amplificador operacional

1) Configuración de bucle abierto:en esta configuración, el 741IC se puede utilizar como un amplificador de muy alta ganancia. En bucle abierto, la ganancia es idealmente infinita, por lo que la salida se saturará en voltaje de suministro positivo o en voltajes de suministro negativos. Este sistema de bucle abierto tiene tres configuraciones básicas:

a) AMPLIFICADOR DIFERENCIAL:
b) AMPLIFICADOR INVERSOR:
c) AMPLIFICADOR NO INVERSOR:

2) Configuración de circuito cerrado:en esta configuración, se conecta como disposición de retroalimentación negativa. La red de retroalimentación es a través de una resistencia (es decir, un componente pasivo)

a) AMPLIFICADOR NO INVERSOR: la entrada se aplica en el terminal de entrada no inversora. La ganancia se puede calcular utilizando el valor de las resistencias. Rf es resistencia de retroalimentación.

Av=1 + (Rf / R1)

b) AMPLIFICADOR INVERSOR:la entrada se aplica en el terminal inversor.

       Av=– (Rf / R1)

c) AMPLIFICADOR DIFERENCIAL:en esta entrada se aplica en ambas entradas, lo que amplificará la diferencia entre las dos entradas.

Av=

d) SEGUIDOR DE VOLTAJE:Es un arreglo usando un amplificador no inversor, en este en lugar de dar una realimentación a través de una resistencia, cortaremos la realimentación Rf y abriremos R1. La ganancia del circuito de realimentación se reducirá a (Av=1), se utiliza como amortiguador. En esto, la salida es igual a la entrada. Por ejemplo, utilizado en amplificadores de instrumentación, para recoger una señal muy pequeña (es decir, en mV) de un transductor.

CARACTERÍSTICAS DEL IC 741 (OP-AMP):

1) CORRIENTE DE SESGO DE ENTRADA:

Dado que el amplificador operacional se compone de transistores BJT, un amplificador diferencial que requiere corriente de polarización de CC para un funcionamiento estable. El valor de la corriente de polarización de CC en reposo consumida por el amplificador operacional se denomina clasificación de corriente de polarización de entrada de un amplificador.

uA741 la calificación es entre 80 nA (típico) y 500 nA (máximo). La corriente de polarización de entrada es el promedio de dos corrientes base de entrada.

I(sesgo) = ( I(b1) + I(b2)  ) / 2

2) CORRIENTE DE COMPENSACIÓN DE ENTRADA:

La diferencia entre la corriente en los terminales de entrada inversora y no inversora se denomina corriente de compensación de entrada. Nos dice qué tan grande es una corriente de otra. 741 tiene típicamente 20 nA de esta corriente.

Cuanto más pequeña sea la corriente de compensación, mejor será el amplificador operacional.

I(b1)=corriente de terminal de entrada no inversora

I(b2)=corriente de terminal de entrada inertizante

I(io)=| Yo(b1) – Yo(b2)  |

3) TENSIÓN DE COMPENSACIÓN DE ENTRADA:

Este voltaje se aplica entre dos terminales de entrada para hacer que la salida de un amplificador operacional sea nula. 741 tiene un voltaje de compensación de entrada en el peor de los casos de 5 mV.

4) TASA DE CAMBIO:

La velocidad de respuesta identifica la cantidad de frecuencia máxima en la entrada que se aplica para evitar que la salida se distorsione. 741 tiene una velocidad de respuesta típica de 0,5 voltios por microsegundo (V/us). Se mide aplicando un pulso usando un generador de funciones en la entrada mientras se conectan los canales del osciloscopio en la entrada y la salida (configurar el osciloscopio en modo dual). Este es un parámetro muy importante.

5) Carga de salida:

Requiere carga a una salida superior a 2k Ohm. Tiene una impedancia de entrada de aproximadamente 2 megaohmios y una impedancia de salida entre (50-75) ohmios. Su ganancia de bucle abierto es de unos 200.000 para frecuencias más bajas.

RESPUESTA DE FRECUENCIA:

En lazo abierto, el op-amp 741 tiene una ganancia muy alta, esta respuesta no es muy buena. Para mejorar la ganancia, aplicamos una red de retroalimentación negativa, al aplicar una red de retroalimentación negativa, la ganancia comienza a disminuir drásticamente, al aplicar más retroalimentación negativa, el ancho de banda se vuelve más amplio. (el ancho de banda se refiere a los rangos de frecuencias que admitirá el amplificador operacional).