El amplificador operacional ideal
10.1 Simbología y aplicaciones
El Amplificador Operacional (AO) es un circuito integrado que contiene varias etapas de transistores interconectados de manera que el conjunto puede amplificar señales 
"amplificador"
"amplificador"
Además, permite operar con señales 
"operacional".
"operacional".
Encapsulado:
Símbolo circuital:
Donde:
V_ = entrada inversora
V+ = entrada no inversora
VO = salida
+VCC, -VDD = Alimentación necesaria para polarizar los transistores en región activa.
Simplificación:
Se entiende que existe +VCC, -VDD , de otra manera el amplificador operacional no funcionaría.
NOTA: Todas las tensiones se dan respecto a un único nodo de referencia (tierra/masa)
¿Qué operaciones puede realizar un amplificador operacional?
- Generar señales, actuar como fuente de corriente o de tensión
- Amplificar
- Sumar, restar, invertir señales
- Comparar señales
- Integrar o derivar señales
- Eliminar ruido
- Convertir señal alterna en directa
- Convertir tensión en corriente
10.2 Funcionamiento básico de un amplificador operacional ideal
La tensión de salida de un amplificador operacional ideal es la diferencia de tensión en las entradas multiplicada por un factor A (ganancia en lazo abierto), donde A>>0 [en el caso ideal A= ∞]
Circuito equivalente del AO:
CONDICIONES DE IDEALIDAD
Consideramos un AO ideal cuando cumple las siguientes condiciones:
- Ganancia en tensión en lazo abierto infinita ( A = ∞ )
Consecuencia:
- Corriente por los terminales de entrada nula
RIN = ∞ (impedancia de entrada).
Esta condición, unida a (1) recibe el nombre de condición o principio de cortocircuito virtual (CCV)
- Corriente de salida muy grande
RO = 0 (impedancia de salida)
Función característica del amplificador operacional ideal:
10.3 El amplificador operacional real. Desviaciones de la idealidad.
En la práctica los amplificadores operacionales se desvían del comportamiento ideal
- A =
, en realidad A
, aunque (
)
(muy pequeña).
, en realidad
Tenemos pequeñas corrientes de entrada que deben compensarse.
- Ro
0, en realidad
.
Curva característica del amplificador operacional no ideal:
Estimación de la anchura (ε) de la región lineal:
Supuestos |VCC| = |VDD| = 10V
Anchura máxima= 2mV (supuesto A = 104)
Anchura mínima = 2 µV (supuesto A = 106)
Para |V+ - V-| > 1mV 
El AO entra en saturación
El AO entra en saturación
10.4 Resolución de problemas con amplificadores operacionales ideales.
OJO: solo aplicable en casos con realimentación negativa.
Realimentación negativa ≡ conexión entre la entrada inversora (V-) y la salida Vo del AO.
La resolución se basa siempre en la aplicación del CCV (cortocircuito virtual).
- V+ = V-
- i+ = 0 i- = 0 (corrientes de entrada al AO)
- Aplicar KCL a las entradas expresando las corrientes en función de las tensiones en los nodos.
Ejemplo 1: Amplificador inversor
PASOS:
- Comprobar que hay realimentación negativa.
- Indicar tensiones en nodos y corrientes en ramas.
- Aplicar V+ = V- , así como i+ = 0, i- = 0
- Aplicar KCL a los nodos principales.
Así, tendremos:
V+ = 0 aplicando CCV → V+ = V- = 0
Definimos las corrientes de cada rama:
Aplicando KCL: I1 = I2 + 0
Despejando:
¿Qué ocurre si ponemos una resistencia en el terminal no inversor?
Definimos la corriente I3:
Pero: i+ = 0, así i3 = 0, v+ = 0
Y el resultado sería el mismo que antes:
¿Para qué valor de entrada V1 se saturará el amplificador operacional?
La zona lineal de funcionamiento:
El amplificador operacional se satura si:
Amplificador operacional ideal.
Un amplificador operacional ideal debería reunir las siguientes características:
- a) Ganancia en lazo abierto (A) infinita.
- b) Ancho de banda infinito.
- c) Impedancia de entrada infinita.
- d) Impedancia de salida nula.
Como consecuencia de estas características, tenemos:
Como A tiende a infinito, Vi tenderá a 0.Como Zent. Es muy elevada, Ii será 0.Cuando se cumple Ii=0 y Vi=0 se dice que en la entrada existe una tierra virtual o cortocircuito virtual. Cortocircuito virtual o tierra virtual es pues el hecho de que entre dos puntos se cumple que a efectos de tensión es un cortocircuito y a efectos de intensidad un circuito abierto. También podemos decir que es aquel punto de un circuito que estando a 0V de tensión, no consume corriente.
Saturación.
Si introducimos en un amplificador operacional (A.O.) una cierta tensión de entrada, a la salida obtendremos esa misma tensión de entrada multiplicada por la ganancia Vo=A(Vi). Por ejemplo. Si un A.O. tiene una ganancia de 100.000 e introducimos una tensión de 1 voltio, se comprende fácilmente que a la salida no tendremos 100.000 voltios, sino que la tensión de salida estará limitada por la tensión de alimentación, por consiguiente la máxima tensión de salida de un A.O. es la tensión de alimentación, más exactamente el 90% de dicha tensión de alimentación; cuando el A.O. está en esta situación se dice que está saturado.
Formas de trabajo.
Las formas de trabajo de A.O. se pueden agrupar en:
- a) Sin realimentación (lazo abierto).
- b) Con realimentación positiva. Con aplicación en los osciladores.
- c) Con realimentación negativa.
También se pueden agrupar en dos:Aplicaciones no lineales (a y b).Aplicaciones lineales (c).
Parámetros fundamentales de un A.O.
Ganancia de tensión en bucle abierto.
Es como en todo amplificador, el cociente entre la tensión de salida y la de entrada cuando hay realimentación. En los A.O. actuales se alcanzan valores de 100.000 o más y es frecuente que el fabricante los especifique en dB.
Impedancia de entrada.
Normalmente expresa la parte resistiva vista desde los terminales de entrada. Son típicos los valores de algunos megaohmios.
Impedancia de salida Zo.
Es asimismo la parte resistiva vista desde los terminales de salida. Son típicos valores entre 100 y 200 ohmios.
Corriente de polarización de entrada (Input Bias Current).
Es la pequeña corriente que se deriva por los terminales de entrada. En general de del orden de algún microamperio.
Margen de tensiones de alimentación.Indican valores máximos y mínimos para un funcionamiento correcto del A.O. Vienen
Margen de tensiones de entrada Vi.
La tensión en los terminales de entrada no debe superar nunca la de alimentación, pues en caso contrario podría dañarse el circuito.
Margen de tensiones de salida.
Tal como hemos visto, la tensión máxima a la salida no puede ser superior a la de alimentación y cuando se alcanza esta tensión máxima de salida se dice que el A.O. está en saturación.
Tensión diferencial de descentrado a la salida (off-set).
En un A.O. ideal la tensión de salida es nula cuando ambas entradas se hallan a potencial cero. En la práctica no encontramos con que esto no se cumple, y aparecen en los circuitos internos de entrada pequeñas tensiones que, una vez amplificadas por la alta ganancia del dispositivo pueden llevar a la salida incluso hasta el estado de saturación. Para evitar este inconveniente la mayoría de A.O. poseen métodos externos de corrección, que será conveniente emplear en circuitos en los que se requiera alta precisión (por ejemplo en seguidores de tensión).
Relación de rechazo en modo común CMRR (Common mode rejection ratio).
En un A.O. ideal la salida es proporcional a la diferencia entre las señales de entrada, siendo ésta nula cuando el valor de ambas entradas es igual. En un A.O. real esto no se cumple exactamente, y entre dos pares de tensiones que mantengan la misma diferencia, la salida puede ser algo mayor en el caso de tensiones superiores. La CMRR es el cociente entre la amplificación diferencial y la de modo común; y cuanto mayor sea, más se acercará al caso ideal.
Frecuencia de transición.
A esta frecuencia la ganancia en ciclo abierto del A.O. se reduce a la unidad.
Velocidad de subida (stew-rate).
Es la velocidad de variación a la salida, y son valores típicos de 1V/ms a 10V/ms. Su principal afecto es limitar el ancho de banda de señales grandes.
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