Los amplificadores operacionales (amplificadores OP) continúan desarrollando un papel importante en los circuitos con interfaz con señales analógicas de procesamiento de sistemas. Estos dispositivos de amplificación de tensión están diseñados para su uso con componentes de respuesta externos, como resistores y capacitores entre sus terminales de salida y entrada.
Los amplificadores OP son algunos de los dispositivos electrónicos más ampliamente utilizados en la actualidad y se utilizan en una gran variedad de dispositivos de consumo, industriales y científicos. Existe un gran número de IC de amplificadores operacionales disponibles para cada aplicación posible, desde estándar bipolares, precisión, alta velocidad, bajo ruido, alta tensión, etc., en configuración estándar o con transistores de efecto de campo de unión (JFETs) internos.
Desde la invención del primer amplificador OP (con diseño de tubo de vacío) por Karl D. Swartzel, Jr. de Bell Labs en 1941, los fabricantes se han esforzado por diseñar mejores amplificadores OP. Las características de un amplificador OP "ideal" o perfecto incluyen ganancia de bucle abierto infinito Ao, resistencia de entrada infinita Rin, resistencia de salida cero Rout, ancho de banda infinito 0 a ∞ y cero corrección (la salida es exactamente cero cuando la entrada es cero).
En la realidad, las limitaciones de costo y diseño físico y eléctrico han forzado a los fabricantes a crear amplificadores OP que conjugan las ventajas y desventajas en rendimiento y diseño.
Por ejemplo, los amplificadores OP no poseen ganancia ni ancho de banda infinito, pero poseen una "ganancia de bucle abierto" típica, que se define como la amplificación de salida del amplificador sin señales de respuesta externas conectadas y para un amplificador operacional típico es de 100 dB en CC (cero Hz). Esta ganancia de salida disminuye linealmente con una frecuencia hasta la "ganancia de unidad" o 1, alrededor de 1 MHz.
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Con aplicaciones que continúan expandiendo los límites del rendimiento o que requieren funcionalidades adicionales, muchos de los nuevos amplificadores son circuitos altamente optimizados para un propósito específico o para una clase de necesidad de rendimiento, de acuerdo con Brian Black, gerente de marketing de Linear Technology. Black da el ejemplo de un amplificador OP configurado como un amplificador de transimpedancia en una aplicación de fotodiodos. Linear Technology ha desarrollado dos amplificadores OP estables de ganancia de unidad, el LTC6268 (ver Imagen 1) y el LTC6269, los que están optimizados para aplicaciones de circuitos de alta impedancia.
Imagen 1: amplificador OP LTC6268 de Linear Technology. (Fuente: Linear Technology)
Linear Technology diseñó los amplificadores OP con una capacitancia de entrada baja de 0,45 pF, además de una tensión de referencia de entrada y ruido de corriente de 4,3 nV/√Hz a 1 MHz y 5.5 fA√Hz a 100 kHz, respectivamente. Los amplificadores OP alcanzan un ancho de banda de ganancia de 4 GHz.
Con amplificadores OP que ofrecen un rendimiento para más soluciones analógicas integradas, ahora se utilizan cada vez más en sistemas de alto rendimiento y menos en equipos electrónicos de consumo, de acuerdo con John Caldwell, ingeniero de sistemas del departamento de amplificadores operacionales para audio de Texas Instruments. "Las empresas que crean sistemas de adquisición de datos para aplicaciones de pruebas y medición o control de procesos industriales están muy interesadas en amplificadores OP, mientras que una empresa que fabrica altavoces Bluetooth posiblemente no necesite amplificadores OP porque sus productos se pueden fabricar más rápida y económicamente con una solución integrada".
Un desafío continuo para el diseño de los amplificadores OP es intentar alcanzar un bajo ruido con un consumo moderado de energía, según Dwight Byrd, gerente de marketing del departamento de amplificadores OP de Texas Instruments.
"Un gran problema que enfrentamos en TI es la creación de etapas de salida de baja potencia que mantengan la estabilidad en las cargas capacitivas. Los amplificadores OP se pueden fabricar para que consuman cantidades extremadamente bajas de energía, si no van a interactuar nunca con cargas capacitivas. Pero este no es el caso en la vida real. El circuito, la placa de la PC y el paquete de IC de la aplicación pueden contribuir a la capacitancia que puede desestabilizar el amplificador OP, si no se diseña correctamente. Resolver este problema sin consumir demasiada energía siempre es un desafío de diseño".
Mejores técnicas de diseño han mejorado el rendimiento del amplificador OP. Byrd de Texas Instruments da el ejemplo del TL072 (Imagen 2) de la empresa, el cual fue considerado como un amplificador de bajo ruido en el pasado, gracias a su especificación de ruido de tensión de banda ancha de 18 nV/√Hz.
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De acuerdo con Byrd, Texas Instruments ahora ofrece el OPA170, cuyo ruido de banda ancha es 18 nV√Hz, pero que consume una décima parte de la energía (110 µA en vez de 1,4 mA). Los amplificadores OP de entrada JFET como el OPA827 han llegado a la región inferior a 4 nV/√Hz de ruido y los amplificadores OP bipolares como el OPA211 y el LME49990 están cerca de 1 nV√Hz.
Imagen 2: amplificador OP TL072 de Texas Instruments. (Fuente: Texas Instruments)
Las tecnologías de recorte modernas y de amplificadores de corte también han conseguido reducciones en los errores de CC debido a tensiones compensadas y variaciones de temperatura, según lo que afirma Byrd de Texas Instruments.
Gracias a que las tensiones de suministro en circuitos analógicos continúan disminuyendo por debajo de 5 V a 3,3 V y, algunas veces, 1,8 V, siguen apareciendo amplificadores OP capaces de funcionar con tensiones cada vez menores.
"Para compensar la tensión de entrada reducida y proporcionar un rendimiento de distorsión armónica aún mejor, muchos controladores de conversión analógico a digital ahora poseen entradas diferenciales", afirmó Brian Black de Linear Technology.
Los amplificadores completamente diferenciales como el LTC6363 de Linear Technology incluyen entradas diferenciales y pueden aceptar una entrada de extremo único o diferencial. El LTC6363 también representa la tendencia en la industria por tener amplificadores OP que posean salida de riel a riel (la señal de salida puede variar desde la tensión de suministro más baja hasta la más alta). El amplificador OP posee una tensión de suministro de 2,8 a 11 V. Presenta una baja distorsión de 115 dB a 2 kHz y un tiempo de retorno a valores nominales rápido de 780 ns a 18 bits, con salida de pico a pico de 8 V.
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Alcanzar los objetivos de rendimiento de los amplificadores OP es cada vez más fácil gracias al mayor uso de modelación de dispositivos IC y herramientas de software para el diseño de IC, según Dwight Byrd de Texas Instruments.
"Ahora el proceso de diseño incluye una examinación sobre cómo los elementos dependientes en el diseño de IC afectan la funcionalidad y el rendimiento del circuito. Al examinar los efectos de los elementos dependientes, podemos reducir la posibilidad de que aparezcan sorpresas al recibir el silicio, como la degradación en la eliminación del modo común debido a una incongruencia en las capacitancias de entrada de un amplificador".