OPAMP – Cap. 4 – Parámetros de entrada

Los Amplificadores Operacionales reales no son perfectos. Tienen límites en todos sus parámetros eléctricos. Conocer estos límites nos ayudará en el diseño de circuitos que incluyan OPAMP.

Un OPAMP contiene diversos parámetros de entrada. A continuación se detallan dos de los más usados en el diseño de circuitos.

4.1 Límite de los voltajes de entrada

Los OPAMP reales, no funcionan con cualquier valor de voltaje para las entradas, sino que existe un rango de valores permitidos, que depende del modelo de OPAMP usado.

Consideremos el siguiente circuito:

Asumamos ahora, que nuestro OPAMP funciona muy bien y que el voltaje de salida es cero, cuando Vc es cero y que el rechazo al modo común es tan alto (Ac muy bajo) que la salida apenas cambia unos milivoltios por cada voltio de Vc.

Preguntémonos ahora: ¿Desde qué voltaje y hasta qué voltaje se puede variar a Vc para que el OPAMP funcione bien (Que la salida se mantenga en cero o cerca a cero)?

La respuesta es «depende». Pero en general siempre se cumple que:

-V < V_c < +V \\

Esto, en pocas palabras, significa que los voltajes que se pueden poner a la entrada de un OPAMP deben ser siempre mayores que el voltaje de alimentación negativa y menores que el voltaje de alimentación positiva. Así, por ejemplo, si el amplificador se alimenta con +12VDC y -12VDC, el voltaje a la entrada, incluyendo el modo común y diferencial, no debería ser mayor a +12VDC ni menor a -12VDC con respecto a tierra. Esto tiene sentido porque la mayoría de circuitos electrónicos funcionan así.

Pero un OPAMP común ni siquiera cubre el rango completo <-V, +V>, sino que el rango real es todavía más angosto. El siguiente diagrama ilustra el rango de voltajes en el que se pueden mover las entradas de un OPAMP típico:

Este rango permitido de voltajes es conocido, en las hojas de datos del OPAMP, como «Rango de voltaje en modo común» («Common-mode voltage range» o «Common-mode input voltage range» en versión inglés) y se debería expresar como un intervalo.

Normalmente las zonas prohibidas son del orden de 1V más o menos, y dependerá del modelo de OPAMP en particular. El uA741, por ejemplo, tiene una zona prohibida superior e inferior de 2V, cuando se alimenta a +-15V.

En la siguiente imagen se resalta la sección que indica el «Common-mode voltage range» para el uA741:

Cuando las zonas prohibidas no existen (son de 0V de ancho), se dice que el OPAMP tiene entradas de «riel a riel» o «rail to rail» en versión inglesa. Uno de esos OPAMP es el TLV2401 cuyo rango de voltaje de entrada supera inclusive a <-Vcc, +Vcc>.

Cuando las entradas del OPAMP superan el rango permitido, deja de responder de forma normal, y pierde sus características de amplificador diferencial y su salida puede responder de forma no lineal o inestable. Si se supera ampliamente el rango permitido, se puede dañar de forma irreparable al OPAMP.

El Rango de voltaje en modo común se suele expresar para el modo común (ambas entradas al mismo voltaje o muy cercano), porque es la forma común de trabajo, pero esta limitación se puede aplicar también a cada entrada individualmente. Así que la recomendación es mantener siempre a las entradas del OPAMP en el rango establecido.

La solución más directa sería conectar una de las entradas a tierra, pero eso puede resultar impráctico en algunos diseños.

Por ello, es recomendable que, si vamos a medir un voltaje diferencial a un elemento del que no conozcamos su voltaje (con respecto a nuestra circuito), conectemos el punto de tierra también al elemento, tal como se muestra en la siguiente figura:

Este tipo de conexión se puede apreciar, por ejemplo, en equipos biomédicos, en donde, el elemento a medir es una persona, a quien se le conecta un tercer electrodo, no porque se quiera recoger una señal más, sino que se quiere poner una referencia para asegurar las lecturas correctas.

Si no se conectara el punto 3 [0. Esto dejaría al elemento de entrada «al aire» y dependiendo del elemento en particular, podría recibir corrientes parásitas o servir como antena. En ambos casos generaría potenciales que pueden ser altos], podríamos colocar potenciales muy altos a la entrada del OPAMP que lo colocarían fuera del rango de funcionamiento normal, además de que podrían deteriorar al equipo.

Pero tener el punto 3 conectado, no nos garantiza que el OPAMP se mantenga en su rango de funcionamiento normal, porque podría darse el caso en que, los puntos 1 y 2 de la figura anterior, tengan un voltaje considerable con respecto al punto 3. En ese caso habría que tomar las precauciones necesarias o usar circuitos adicionales de protección.

4.2 Voltaje de Offset de Entrada

Este es otro de los parámetros que tienen que ver con las entradas de un OPAMP.

Para entender el concepto consideremos el siguiente circuito:

La pregunta de rigor sería: ¿Cuánto vale el voltaje de salida?

Si somos idealistas y pensamos en un OPAMP perfecto, la respuesta sería que vale cero voltios.

Pero en este mundo terrenal, los OPAMP no funcionan tan bien. Lo más seguro es que su salida esté saturada hacia su valor máximo positivo, o su valor máximo negativo. En un caso práctico, si la alimentación del OPAMP es de +-12V, la salida puede aparecer saturada a +11V o a -11V, o a valores cercanos.

Lo que sucede es que los OPAMP reales no son tan precisos y lo que amplifican en realidad no es solo el voltaje diferencial de las entradas:

V_o = A_d.(In_+-In_-)

Sino que existe un pequeño voltaje de desplazamiento (offset) que se debe colocar a la entrada para obtener el verdadero valor cero a la salida:

V_o = A_d.(In_+-In_-+V_{offset})

Esto explica porque la salida se satura fácilmente en ausencia de voltaje diferencial: El V_offset, que puede ser de pocos milivoltios, se ve multiplicado por la Ganancia del OPAMP que al ser muy grande, puede producir desplazamientos de varios voltios a la salida, originando la saturación.

Este Voltaje de compensación o corrección, conocido como «Input Offset Voltage» (VOS o Vio) y se puede leer de las hojas de datos técnicos del OPAMP. Por ejemplo un modelo de uA741, podemos leer:

Este Voltaje de corrección de entrada es el voltaje que se debería aplicar a la entrada del OPAMP para obtener el cero efectivo en la salida. Un caso de corrección directa sería el que se muestra en la siguiente figura:

Habría que ser cuidadoso para obtener el voltaje preciso que haga la corrección necesaria. Además, el voltaje requerido depende del OPAMP usado, del voltaje de alimentación y de la temperatura. Y de hecho es muy variable para un mismo modelo como se puede apreciar en la Figura 6.

Algunos CI, especialmente los que incluyen un solo OPAMP y tienen pines disponibles, como el TL081, proporcionan acceso a una estradas que permiten hacer la corrección del Offset de entrada:

Los pines 1 y 5 de este chip, permiten acceder a las líneas de corrección del Offset de entrada.

Para este OPAMP en particular, la compensación de la entrada consiste en colocar una resistencia de 100K entre las líneas 1 y 5, en la forma en que se muestra en el siguiente diagrama:

En la práctica, no es necesario hacer la compensación de entrada porque, en la mayoría de aplicaciones con OPAMP, se corrige el estado de la salida con realimentación, como se vio en el Capítulo 3, o simplemente no se necesita tanta precisión en el voltaje de entrada.

Es por ello, que muchos CI que incluyen uno varios OPAMP, simplemente, no tienen pines para compensar el Offset de entrada.

4.3 Ejercicios

EJERCICIO 1. Si un Amplificador Operacional está siendo alimentado con +12v y -12V, ¿qué pasaría si a las entradas se le poner un voltaje de -13V? Justificar.

EJERCICIO 2. ¿Qué voltaje aparecerá a la salida de un OPAMP si sus entradas se conectan a tierra?

EJERCICIO 3. Si el voltaje de offset de entrada de un OPAMP es de 5mV y su ganancia es de 100dB. ¿Qué voltaje aparecerá a su salida cuando el voltaje diferencial es de -4mV? Considerar que el OPAMP está siendo alimentado con +/-18V.

Solución:

Como se tienen los voltajes de entrada, se puede aplicar directamente la fórmula de salida de un OPAMP, considerando del voltaje de offset :

V_o = A_d.(In_+-In_-+V_{offset})

Como tenemos el voltaje diferencial de entrada, reemplazamos la diferencia de entradas:

V_o = A_d.(-4mV+5mV)\\
V_o = A_d.(-1mV)\\

La ganancia en modo diferencial la obtenemos convirtiendo 100dB a un factor adimensional:

A_d = 10^{(100/20)} = 100000

Luego reemplazamos en la fórmula inicial:

V_o = 100000.(-1mV)\\
V_o = -100V\\

Este sería el voltaje ideal de salida. Pero como estamos alimentando nuestro OPAMP con -18V, el voltaje de salida no podrá sobrepasar este valor. De modo que el verdadero voltaje de salida se saturará al valor negativo máximo:

V_o = -18V\\

Como no se especifica el modelo del OPAMP, otra respuesta válida sería, simplemente, decir que la salida será el voltaje de saturación negativa o que simplemente será mayor o igual a -18V:

V_o >= -18V\\