Amplificador operacional

De Viquipèdia

Un amplificador operacional (sovint anomenat simplement operacional o per l'abreviació anglèsa op-amp) és un mòdul de circuits electrònics (normalment construït en forma de circuit integrat, però a vegades mitjançant transistors discrets o vàlvules de buit) que té una entrada no-inversora (+), una inversora (-) i una sortida. La tensió de sortida és la diferència entre les entrades + i - multiplicades pel guany de llaç obert (open-loop gain): V_sortida = (V ₊ − V ₋ )G, on G és el valor del guany de llaç obert. Degut a que els amplificadors operacionals tenen paràmetres uniformes, un encapsulat estàndard i uns requeriments d'alimentació també estàndards, són molt útils a l'hora de dissenyar ràpidament aplicacions electròniques.

[edita] Introducció

Originalment, els amplificadors operacionals van rebre aquest nom perquè es feien servir per a modelar les operacions matemàtiques bàsiques (suma, resta, integració, derivació), etc.) en computadores analògiques electròniques. En aquest sentit entenem l'amplificador operacional com un element circuital ideal. Els que usem en realitat, fets de transistors, vàlvules, etc., són aproximacions a aquest ideal. Aquest amlificador operacional ideal (sovint referit com a l'amplificador operacional ideal) té un guany de llaç obert indefinidament gran, un ample de bandaindefinidament gran, impedàncies d'entrada indefinidament grans, una impedància de sortida de valor zero, soroll nul, així com un desplaçament d'entrades (input offset voltage) de valor zero (sortida de 0V quan les dues entrades són exactament igual). Els amplificadors operacionals moderns de circuits integrats tipus MOSFET s'aproximen cada vegada més a aquests ideals en amples de banda limitats, en aplicacions de gran senyal a temperatura ambient. Quan l'aproximació és suficientment propera a l'ideal, al circuit l'anomenem 'amplificador operacional', oblidem els seus límits, i fem servir la formulació donada en aquest article.

L'amplificador operacional és un dispositiu molt útil en circuits electrònics analògics. Amb uns pocs components externs, es poden realitzar una gran varietat de tasques sobre processament de senyal analògic. Els dissenys amb ells també solen ser barats, ja que la majoria d'amplificadors operacionals de propòsit general es venen per menys de seixanta cèntims d'euro la peça. Els dissenys moderns han estat realitzats tenint en compte la durabilitat també: bastants de 'op-amps' són fabricats de manera que poden suportar curtcircuits en les seves sortides sense cap dany resultant. Una de les claus de la utilitat d'aquests circuits recau en el principi de realimentació, particularment la realimentació negativa, que constitueix el fonament en quasi tots els procéssos automàtics de control. Els principis relacionats amb els amplificadors operacionals, doncs, valen fins i tot en àmbits més enllà dels de l'electrònica.

[edita] Notació

Un símbol típic per a representar un amplificador operacional en un circuit elèctric té aquest aspecte:

Els seus terminals fan referència a:

• V ₊ : Entrada no inversora
• V ₋ : Entrada inversora
• V_out: Sortida
• V_{S +} : Alimentació positiva
• V_{S −} : Alimentació negativa

Els contactes d'alimentació (V_{S +} i V_{S −} ) poden ser etiquetats de vàries maneres. Pels op-amps basats en FET, l'alimentació positiva de drenador comú és anomenada V_DD i la negativa de sortidor comú és anomenada V_SS. En els basats en BJT, el contacte V_{S +} obté l'etiqueta de V_CC i el de V_{S −} , V_EE. A vegades també són anomenats V_{CC +} i V_{CC −} , o fins i tot V ₊ i V ₋ , on en aquest cas les entrades haurien estat etiquetades diferent. En tots els casos la funció continua essent la mateixa. Sovint aquests contactes no s'inclouen en el diagrama per a claredat, i la configuració de l'alimentació es sobrentén per la resta de circuit.

La polaritat dels contactes d'entrada sovint és invertida en els diagrames per a claredat. En aquest cas, els contactes d'alimentació restarien en la mateixa posició: el contacte més positiu sempre és a la part de dalt, i el més negatiu a la part de baix. No es capgira tot el símbol; només les entrades.

[edita] Comportament en contínua

El guany de llaç obert és definit com l'amplificació de l'entrada a la sortida sense aplicar cap realimentació. Per als càlculs més pràctics, el guany de llaç obert s'assumeix indefinidament gran. En realitat, però, està limitat pel voltatge aplicat a l'alimentació de l'amplificador operacional, o sigui, a V_{S +} i v_{S −} en el diagrama superior. Dispositius corrents mostren un guany en contínua de llaç tancat d'entre 100.000 fins a 1 milió. Això permet definir el guany per a la nostra aplicació de manera simple i exacta utilitzant realimentació negativa. Com sempre la teoria i la pràctica difereixen, ja que els op-amps tenen vàris límits que el dissenyador no ha d'oblidar.

[edita] Comportament en alterna

El guany de l'amplificador calculat en contínua no és l'obtingut a altes freqüències. Aquest efecte es deu a límits de dins el mateix operacional, com el seu ample de banda finit, i les característiques d'alterna de la resta de circuit on hem situat l'operacional. El problema més gran que es sol trobar a l'hora de dissenyar amb operacionals és la tendència del dispositiu a ressonar a altes freqüències, on la realimentació negativa resulta positiva degut a desfasaments paràsits.

Amplificadors operacionals típics de baix cost, per a fins genèrics, mostren un producte de guany-ample de banda d'uns pocs MHz. Alguns operacionals especials, i d'alta velocitat, poden arribar a productes guany-ample de banda de centenars de MHz. En circuits de freqüència molt alta, es sol fer servir una forma modificada d'operacional anomenada amplificador operacional realimentat per corrent.