Amplificador operacional

Un amplificador operacional (a menudo llamado op amp , op-amp u opamp ) es un amplificador electrónico acoplado en CC con una entrada diferencial , una tensión de salida (generalmente) de terminación simple ^[¹^] y una ganancia extremadamente alta . Su nombre proviene de su uso original para realizar operaciones matemáticas en computadoras analógicas . El amplificador operacional de realimentación de tensión ( VFOA o VFA , el tema central de este artículo) amplifica la diferencia de tensión entre sus dos entradas, mientras que el amplificador operacional de realimentación de corriente (CFOA), menos común, amplifica la corriente entre sus dos entradas. ^[²^]

Mediante la retroalimentación negativa , las características de un circuito de aplicación con amplificador operacional (por ejemplo, su ganancia, impedancia de entrada y salida , ancho de banda y funcionalidad) pueden determinarse mediante componentes externos y dependen poco de los coeficientes de temperatura o las tolerancias de ingeniería del propio amplificador operacional. Esta flexibilidad ha convertido al amplificador operacional en un componente básico muy popular en los circuitos analógicos .

Hoy en día, los amplificadores operacionales se utilizan ampliamente en la electrónica de consumo, industrial y científica. Muchos amplificadores operacionales de circuitos integrados estándar cuestan solo unos centavos; sin embargo, algunos amplificadores operacionales integrados o híbridos con especificaciones de rendimiento especiales pueden costar más de 100 dólares estadounidenses . ^[³^] Los amplificadores operacionales pueden empaquetarse como componentes o utilizarse como elementos de circuitos integrados más complejos .

El amplificador operacional es un tipo de amplificador diferencial . Otros tipos de amplificadores diferenciales incluyen el amplificador totalmente diferencial (un amplificador operacional con una salida diferencial en lugar de una de un solo extremo), el amplificador de instrumentación (generalmente construido con tres amplificadores operacionales), el amplificador de aislamiento (con aislamiento galvánico entre la entrada y la salida) y el amplificador de retroalimentación negativa (generalmente construido con uno o más amplificadores operacionales y una red de retroalimentación resistiva).

Operación

$Las$ entradas diferenciales del amplificador consisten en una entrada no inversora (+) con voltaje $V +$ y una entrada inversora ( − ) con voltaje $V-$ ; idealmente, el amplificador operacional amplifica solo la diferencia de voltaje entre ambas, que se denomina voltaje de entrada diferencial . El voltaje de $salida$ del amplificador operacional $Vout$ viene dado por la ecuación $V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}),$ donde $A OL$ es la ganancia en lazo abierto del amplificador (el término "lazo abierto" se refiere a la ausencia de un lazo de retroalimentación externo desde la salida a la entrada).

Amplificador de lazo abierto

La magnitud de $A OL$ suele ser muy grande (100 000 o más para amplificadores operacionales de circuito integrado, lo que corresponde a +100 $dB$ ) . Por lo tanto, incluso pequeñas diferencias de microvoltios entre $V$ $+$ y $V-$ pueden provocar que el amplificador se sature o se sature . La magnitud de $A$ $OL$ no se controla bien mediante el proceso de fabricación, por lo que no es práctico utilizar un amplificador de lazo abierto como amplificador diferencial independiente .

Sin retroalimentación negativa , y opcionalmente con retroalimentación positiva para la regeneración , un amplificador operacional de lazo abierto actúa como un comparador , aunque los circuitos integrados comparadores son más adecuados. ^{[ 4 ]} Si la entrada inversora de un amplificador operacional ideal se mantiene a tierra (0 V), y la tensión de entrada $V in$ aplicada a la entrada no inversora es positiva, la salida será positiva máxima; si $V in$ es negativa, la salida será negativa máxima.

Amplificador de bucle cerrado

Si se desea un funcionamiento predecible, se utiliza la retroalimentación negativa aplicando una porción de la tensión de salida a la entrada inversora. La retroalimentación en lazo cerrado reduce considerablemente la ganancia del circuito. Cuando se utiliza la retroalimentación negativa, la ganancia y la respuesta generales del circuito están determinadas principalmente por la red de retroalimentación, en lugar de por las características del amplificador operacional. Si la red de retroalimentación está compuesta por componentes con valores pequeños en relación con la impedancia de entrada del amplificador operacional, el valor de la respuesta en lazo abierto $(A OL)$ del amplificador operacional no afecta seriamente el rendimiento del circuito. En este contexto, una alta impedancia de entrada en los terminales de entrada y una baja impedancia de salida en los terminales de salida son características particularmente útiles de un amplificador operacional.

The response of the op-amp circuit with its input, output, and feedback circuits to an input is characterized mathematically by a transfer function; designing an op-amp circuit to have a desired transfer function is in the realm of electrical engineering. The transfer functions are important in most applications of op amps, such as in analog computers.

In the non-inverting amplifier on the right, the presence of negative feedback via the voltage divider $R f$ , $R g$ determines the closed-loop gain $A CL = V out / V in$ . Equilibrium will be established when $V out$ is just sufficient to pull the inverting input to the same voltage as $V in$ . The voltage gain of the entire circuit is thus $1 + R f / R g$ . As a simple example, if $V in = 1 V$ and $R f = R g$ , $V out$ will be 2 V, exactly the amount required to keep $V -$ at 1 V. Because of the feedback provided by the $R f$ , $R g$ network, this is a closed-loop circuit.

Another way to analyze this circuit proceeds by making the following (usually valid) assumptions:^[5]

When an op amp operates in linear (i.e., not saturated) mode, the difference in voltage between the non-inverting (+) and inverting (−) pins is negligibly small.
The input impedance of the (+) and (−) pins is much larger than other resistances in the circuit.

The input signal $V in$ appears at both (+) and (−) pins per assumption 1, resulting in a current $i$ through $R g$ equal to $V in / R g$ : $i={\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}.$

Because Kirchhoff's current law states that the same current must leave a node as enter it, and because the impedance into the (−) pin is near infinity per assumption 2, we can assume practically all of the same current $i$ flows through $R f$ , creating an output voltage $V_{\text{out}}=V_{\text{in}}+iR_{\text{f}}=V_{\text{in}}+\left({\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}R_{\text{f}}\right)=V_{\text{in}}+{\frac {V_{\text{in}}R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}\right).$

By combining terms, we determine the closed-loop gain $A CL$ : $A_{\text{CL}}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}=1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}.$

Characteristics

Ideal op amps

An ideal op amp is usually considered to have the following characteristics:^[6]^[7]^[8]

Arbitrarily high open-loop gain $G = v out / v in$
Infinite input impedance $R in$ , and thus zero input current
Zero input offset voltage
Unbounded output voltage range
Unrestricted bandwidth with zero phase shift and infinite slew rate
Zero output impedance $R out$ , and thus ability to source or sink unbounded output current
Zero noise
No effect of common-mode voltages, as described by common-mode rejection ratio (CMRR)
No effect of supply variations on the output, i.e., perfect rejection of power supply variation.

These ideals can be summarized by the two golden rules:

In a negative feedback configuration the output does whatever is necessary to make the voltage difference between the inputs zero.
The inputs draw zero current.^[9]^:177

The first rule only applies in the usual case where the op amp is used in a negative feedback design, where there is a signal path of some sort feeding back from the output to the inverting input. These rules are commonly used as a good first approximation for analyzing or designing op-amp circuits.^[9]^:177

None of these ideals can be perfectly realized. A real op amp may be modeled with non-infinite or non-zero parameters using equivalent resistors and capacitors in the op-amp model. The designer can then include these effects in the overall performance of the final circuit. Some parameters may turn out to have negligible effect on the final design, while others represent actual limitations of the final performance.

Real op amps

Real op amps differ from the ideal model in various aspects.

Finite gain

Open-loop gain is finite in real operational amplifiers. Typical devices exhibit open-loop DC gain exceeding 100,000. So long as the loop gain (i.e., the product of open-loop and feedback gains) is very large, the closed-loop gain will be determined entirely by the amount of negative feedback (i.e., it will be independent of open-loop gain). In applications where the closed-loop gain must be very high (approaching the open-loop gain), the feedback gain will be very low and the lower loop gain in these cases causes non-ideal behavior from the circuit.

Non-zero output impedance

Low output impedance is important for low-impedance loads; for these loads, the voltage drop across the output impedance effectively reduces the open-loop gain. In configurations with a voltage-sensing negative feedback, the output impedance of the amplifier is effectively lowered; thus, in linear applications, op-amp circuits usually exhibit a very low output impedance. Low-impedance outputs typically require high quiescent (i.e., idle) current in the output stage and will dissipate more power, so low-power designs may purposely sacrifice low output impedance.

Finite input impedances

The differential input impedance of the operational amplifier is defined as the impedance between its two inputs; the common-mode input impedance is the impedance from each input to ground. MOSFET-input operational amplifiers often have protection circuits that effectively short circuit any input differences greater than a small threshold, so the input impedance can appear to be very low in some tests. However, as long as these operational amplifiers are used in a typical high-gain negative feedback application, these protection circuits will be inactive. The input bias and leakage currents described below are more important design parameters for typical operational amplifier applications.

Input capacitance

Additional input impedance due to parasitic capacitance can be a critical issue for high-frequency operation, where it reduces input impedance and may cause phase shifts.

Input current

Due to biasing requirements or leakage, a small amount of current^{[nb 2]} flows into the inputs. When high resistances or sources with high output impedances are used in the circuit, these small currents can produce significant voltage drops. If the input currents are matched, and the impedance looking out of both inputs are matched, then those voltages at each input will be equal. Because the operational amplifier operates on the difference between its inputs, these matched voltages will have no effect. It is more common for the input currents to be slightly mismatched. The difference is called input offset current, and even with matched resistances a small offset voltage (distinct from the input offset voltage below) can be produced. This offset voltage can create offsets or drift in the operational amplifier.

Input offset voltage

La tensión de offset de entrada es la tensión necesaria entre los terminales de entrada del amplificador operacional para que la tensión de salida sea cero. ^{[ 10 ]}^{[ nb 3 ]} En un amplificador ideal, no habría tensión de offset de entrada. Sin embargo, existe debido a imperfecciones en la etapa de entrada del amplificador diferencial de los amplificadores operacionales. La tensión de offset de entrada crea dos problemas: Primero, debido a la alta ganancia de tensión del amplificador, prácticamente garantiza que la salida del amplificador entrará en saturación si se opera sin retroalimentación negativa, incluso cuando los terminales de entrada están conectados entre sí. Segundo, en una configuración de bucle cerrado con retroalimentación negativa, la tensión de offset de entrada se amplifica junto con la señal, lo que puede plantear un problema si se requiere una amplificación de CC de alta precisión o si la señal de entrada es muy pequeña. ^{[ nb 4 ]}

Ganancia en modo común

Un amplificador operacional ideal amplifica únicamente la diferencia de voltaje entre sus dos entradas, rechazando por completo todos los voltajes comunes a ambas. Sin embargo, la etapa de entrada diferencial de un amplificador operacional nunca es perfecta, lo que conlleva cierta amplificación de estos voltajes comunes. La medida estándar de este defecto se denomina relación de rechazo en modo común (CMRR). La minimización de la ganancia en modo común es importante en amplificadores no inversores que operan con alta ganancia.

Rechazo de la fuente de alimentación

La salida de un amplificador operacional ideal es independiente de las fluctuaciones de la tensión de alimentación. Todo amplificador operacional real posee una relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) finita, que refleja su capacidad para evitar que el ruido de la fuente de alimentación se propague hasta la salida. Con el aumento de la frecuencia, el rechazo de la fuente de alimentación suele empeorar.

Efectos de la temperatura

El rendimiento y las propiedades del amplificador suelen variar, en cierta medida, con los cambios de temperatura. La variación de la tensión de compensación de entrada con la temperatura es especialmente importante.

Deriva

Los parámetros reales de los amplificadores operacionales están sujetos a cambios lentos con el tiempo y con las variaciones de temperatura, las condiciones de entrada, etc.

Ancho de banda finito

All amplifiers have finite bandwidth. To a first approximation, the op amp has the frequency response of an integrator with gain. That is, the gain of a typical op amp is inversely proportional to frequency and is characterized by its gain–bandwidth product (GBWP). For example, an op amp with a GBWP of 1 megahertz (MHz) would have a gain of 5 at 200 kilohertz, and a gain of 1 at 1 MHz. This dynamic response, coupled with the very high DC gain of the op amp, gives it the characteristics of a first-order low-pass filter with very high DC gain and low cutoff frequency given by the GBWP divided by the DC gain. The finite bandwidth of an op amp can be the source of several problems, including:

Stability: Associated with the bandwidth limitation is a phase difference between the input signal and the amplifier output that can lead to oscillation in some feedback circuits. For example, a sinusoidal output signal meant to interfere destructively with an input signal of the same frequency will interfere constructively if delayed by 180 degrees, forming positive feedback. In these cases, the feedback circuit can be stabilized by means of frequency compensation, which increases the gain or phase margin of the open-loop circuit. The circuit designer can implement this compensation externally with a separate circuit component. Alternatively, the compensation can be implemented within the operational amplifier with the addition of a dominant pole that sufficiently attenuates the high-frequency gain of the operational amplifier. The location of this pole may be fixed internally by the manufacturer or configured by the circuit designer using methods specific to the op amp. In general, dominant-pole frequency compensation reduces the bandwidth of the op amp even further. When the desired closed-loop gain is high, op-amp frequency compensation is often not needed because the requisite open-loop gain is sufficiently low; consequently, applications with high closed-loop gain can make use of op amps with higher bandwidths.
Distortion, and other effects: Limited bandwidth also results in lower amounts of feedback at higher frequencies, producing higher distortion, and output impedance as the frequency increases.

El término "rápido" o "de alta velocidad" se utiliza para referirse a amplificadores operacionales con un ancho de banda de ganancia unitaria (GBWP) de al menos 50 MHz y una alta velocidad de respuesta. ^[¹¹^]^[¹²^] Si bien los amplificadores operacionales típicos de bajo costo y propósito general presentan un GBWP de unos pocos megahercios, existen amplificadores operacionales especiales y de alta velocidad que pueden alcanzar un GBWP de cientos de megahercios. Los circuitos de muy alta frecuencia suelen utilizar un amplificador operacional con realimentación de corriente , ya que su ancho de banda no disminuye con la ganancia como ocurre con los amplificadores operacionales con realimentación de voltaje.

Ruido

Los amplificadores generan ruido intrínseco, incluso cuando no se les aplica ninguna señal. Esto puede deberse al ruido térmico interno y al ruido de parpadeo del dispositivo. Para aplicaciones con alta ganancia o gran ancho de banda, el ruido se convierte en un factor importante, y puede ser necesario un amplificador de bajo ruido , diseñado específicamente para minimizar el ruido intrínseco, a fin de cumplir con los requisitos de rendimiento.

Imperfecciones no lineales

Estructura interna simplificada del amplificador operacional. La primera etapa de amplificación multiplica la tensión de entrada diferencial ( $V$ _in ) por una transconductancia (g _m ) para producir una corriente ( $I$ ). La siguiente etapa convierte esa corriente en una tensión ( $V 2$ ) y proporciona compensación de frecuencia integrando dicha corriente a través de una capacitancia Miller ( $C$ ). La corriente máxima $I sat$ que se puede extraer de la primera etapa limitará la velocidad de respuesta en esta etapa de integración a $I sat$ / $C$ . Una etapa final (no mostrada) amortigua $V 2$ para proporcionar una corriente de salida alta (tanto de sumidero como de fuente) para la tensión de salida. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

La limitación de la velocidad de respuesta puede distorsionar señales grandes o rápidas. Una señal sinusoidal de entrada de 250 kHz (magenta) se amplifica mediante un amplificador operacional con un límite de velocidad de respuesta de 720 mV/μs. Con una señal sinusoidal de entrada pequeña, la salida (amarilla) prácticamente no presenta distorsión. Sin embargo, a medida que aumenta la amplitud de la entrada, la salida no puede transitar con la suficiente rapidez para reproducir la pendiente más pronunciada de la señal sinusoidal de mayor amplitud y se asemeja más a una onda triangular.

Saturación: El voltaje de salida está limitado a un valor mínimo y máximo cercano a los voltajes de la fuente de alimentación . ^{[ nb 5 ]} La salida de los amplificadores operacionales más antiguos puede llegar a estar a uno o dos voltios de los rieles de alimentación. La salida de los llamadosLos amplificadores operacionales de riel a riel pueden alcanzar valores cercanos a los milivoltios de los rieles de alimentación cuando proporcionan corrientes de salida bajas.^{[ 15 ]}
Limitación de la velocidad de giro: La tensión de salida del amplificador alcanza su velocidad máxima de cambio, la velocidad de respuesta ( slew rate ), que se suele especificar en voltios por microsegundo (V/μs). Cuando se produce la limitación de la velocidad de respuesta, los aumentos adicionales en la señal de entrada no afectan a la velocidad de cambio de la salida. Esta limitación suele deberse a la saturación de la etapa de entrada; el resultado es una corriente constante $I sat$ que alimenta una capacitancia $C$ en el amplificador (especialmente las capacitancias utilizadas para implementar su compensación de frecuencia ); la velocidad de respuesta está limitada por $d v /d t = I sat / C.$ Los amplificadores operacionales modernos de alta velocidad pueden tener velocidades de respuesta superiores a 5000 V por microsegundo. Sin embargo, es más común que los amplificadores operacionales tengan velocidades de respuesta en el rango de 5 a 100 V por microsegundo. Por ejemplo, el amplificador operacional de propósito general TL081 tiene una velocidad de respuesta de 13 V por microsegundo. Por regla general, los amplificadores operacionales de baja potencia y ancho de banda reducido tienen velocidades de respuesta bajas. Por ejemplo, el amplificador operacional de micropotencia LT1494 consume 1,5 microamperios, pero tiene un producto ganancia-ancho de banda de 2,7 kHz y una velocidad de respuesta de 0,001 V por microsegundo.
Relación entrada-salida no lineal: Es posible que la tensión de salida no sea directamente proporcional a la diferencia entre las tensiones de entrada, lo que produce distorsión. Este efecto será mínimo en un circuito práctico donde se utilice una retroalimentación negativa considerable.
inversión de fase: En algunos amplificadores operacionales integrados, cuando se viola la tensión de modo común publicada (por ejemplo, cuando una de las entradas se conecta a una de las tensiones de alimentación), la salida puede cambiar a la polaridad opuesta a la esperada en el funcionamiento normal. ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]} En tales condiciones, la retroalimentación negativa se vuelve positiva, lo que probablemente provoque que el circuito se bloquee en ese estado.

Consideraciones sobre el poder

Corriente de salida limitada: La corriente de salida debe ser finita. En la práctica, la mayoría de los amplificadores operacionales están diseñados para limitar la corriente de salida y evitar daños al dispositivo, generalmente alrededor de 25 mA para un amplificador operacional IC tipo 741. Los diseños modernos son electrónicamente más robustos que las implementaciones anteriores, y algunos pueden soportar cortocircuitos directos en sus salidas sin sufrir daños.
Voltaje de salida limitado: Output voltage cannot exceed the power supply voltage supplied to the op amp. The maximum output of most op amps is further reduced by some amount due to limitations in the output circuitry. Rail-to-rail op amps are designed for maximum output levels.^[15]
Output sink current: The output sink current is the maximum current allowed to sink into the output stage. Some manufacturers provide an output voltage vs. the output sink current plot, which gives an idea of the output voltage when it is sinking current from another source into the output pin.
Limited dissipated power: The output current flows through the op amp's internal output impedance, generating heat that must be dissipated. If the op amp dissipates too much power, then its temperature will increase above some safe limit. The op amp must shut down or risk being damaged. Modern integrated FET or MOSFET op amps approximate more closely the ideal op amp than bipolar ICs when it comes to input impedance and input bias currents. Bipolars are generally better when it comes to input voltage offset, and often have lower noise. Generally, at room temperature, with a fairly large signal and limited bandwidth, FET and MOSFET op amps now offer better performance.

Classification

Op amps may be classified by their construction:

discrete, built from individual transistors or tubes/valves,
hybrid, consisting of discrete and integrated components,
full integrated circuits — most common, having displaced the former two due to low cost.

IC op amps may be classified in many ways, including:

Device grade, including acceptable operating temperature ranges and other environmental or quality factors. For example: LM101, LM201, and LM301 refer to the military, industrial, and commercial versions of the same component. Military and industrial-grade components offer better performance in harsh conditions than their commercial counterparts but are sold at higher prices.
Classification by package type may also affect environmental hardiness, as well as manufacturing options; DIP, and other through-hole packages are tending to be replaced by surface-mount devices.
Classification by internal compensation: op amps may suffer from high frequency instability in some negative feedback circuits unless a small compensation capacitor modifies the phase and frequency responses. Op amps with a built-in capacitor are termed compensated, and allow circuits above some specified closed-loop gain to be stable with no external capacitor. In particular, op amps that are stable even with a closed loop gain of 1 are called unity gain compensated.
Single, dual and quad versions of many commercial op-amp IC are available, meaning 1, 2 or 4 operational amplifiers are included in the same package.
Rail-to-rail input (and/or output) op amps can work with input (and/or output) signals very close to the power supply rails.^[15]
CMOS op amps (such as the CA3140E) provide extremely high input resistances, higher than JFET-input op amps, which are normally higher than bipolar-input op amps.
Programmable op amps allow the quiescent current, bandwidth and so on to be adjusted by an external resistor.
Manufacturers often market their op amps according to purpose, such as low-noise pre-amplifiers, wide bandwidth amplifiers, and so on.

Applications

Historical timeline

1941: A vacuum tube op amp. An op amp, defined as a general-purpose, DC-coupled, high-gain, inverting feedback amplifier, is first found in U.S. patent 2,401,779 "Summing Amplifier" filed by Karl D. Swartzel Jr. of Bell Labs in 1941. This design uses three vacuum tubes to achieve a gain of 90 dB and operates on voltage rails of ±350 V. It has a single inverting input rather than differential inverting and non-inverting inputs, as are common in today's op amps. Throughout World War II, Swartzel's design proved its value by being liberally used in the M9 artillery director designed at Bell Labs. This artillery director worked with the SCR-584 radar system to achieve extraordinary hit rates (near 90%) that would not have been possible otherwise.^[18]

1947: Un amplificador operacional con entrada no inversora explícita. En 1947, el amplificador operacional fue definido y nombrado formalmente por primera vez en un artículo de John R. Ragazzini de la Universidad de Columbia. ^{[ 19 ]} En este mismo artículo, una nota al pie menciona un diseño de amplificador operacional realizado por un estudiante que resultaría ser bastante significativo. Este amplificador operacional, diseñado por Loebe Julie , presenta dos innovaciones importantes. Su etapa de entrada utiliza un par de triodos de cola larga con cargas adaptadas para reducir la deriva en la salida y, mucho más importante, es el primer diseño de amplificador operacional con dos entradas (una inversora y otra no inversora). La entrada diferencial posibilita una amplia gama de nuevas funcionalidades, pero no se utilizaría durante mucho tiempo debido al auge del amplificador estabilizado por chopper. ^{[ 18 ]}

1949: Amplificador operacional estabilizado por chopper. En 1949, Edwin A. Goldberg diseñó un amplificador operacional estabilizado por chopper . ^{[ 20 ]} Esta configuración utiliza un amplificador operacional normal con un amplificador de CA adicional que se conecta junto al amplificador operacional. El chopper obtiene una señal de CA a partir de CC conmutando entre la tensión de CC y tierra a una velocidad rápida (60 o 400 Hz). Esta señal se amplifica, rectifica, filtra y se introduce en la entrada no inversora del amplificador operacional. Esto mejoró enormemente la ganancia del amplificador operacional, al tiempo que redujo significativamente la deriva de salida y el desplazamiento de CC. Desafortunadamente, cualquier diseño que utilizara un chopper no podía usar la entrada no inversora para ningún otro propósito. Sin embargo, las características mucho mejores del amplificador operacional estabilizado por chopper lo convirtieron en la forma dominante de usar amplificadores operacionales. Las técnicas que utilizaban la entrada no inversora no se practicaron ampliamente hasta la década de 1960, cuando los circuitos integrados de amplificadores operacionales estuvieron disponibles.

1953: Un amplificador operacional disponible comercialmente. En 1953, los amplificadores operacionales de válvulas de vacío se comercializaron con el lanzamiento del modelo K2-W de George A. Philbrick Researches . La designación en los dispositivos mostrados, GAP/R, es un acrónimo del nombre completo de la empresa. Dos válvulas de vacío 12AX7 de nueve pines estaban montadas en un encapsulado octal y contaba con un módulo chopper modelo K2-P disponible. Este amplificador operacional se basaba en un descendiente del diseño de Loebe Julie de 1947 y, junto con sus sucesores, daría inicio al uso generalizado de amplificadores operacionales en la industria. ^{[ 21 ]}

1961: A discrete IC op amp. With the birth of the transistor in 1947, and the silicon transistor in 1954, the concept of ICs became a reality. The introduction of the planar process in 1959 made transistors and ICs stable enough to be commercially useful. By 1961, solid-state, discrete op amps were being produced. These op amps are effectively small circuit boards with packages such as edge connectors. They usually have hand-selected resistors in order to improve things such as voltage offset and drift. The P45 (1961) has a gain of 94 dB and runs on ±15 V rails. It was intended to deal with signals in the range of ±10 V.

1961: A varactor bridge op amp. There have been many different directions taken in op-amp design. Varactor bridge op amps started to be produced in the early 1960s.^[22]^[23] They were designed to have extremely small input current and are still amongst the best op amps available in terms of common-mode rejection with the ability to correctly deal with hundreds of volts at their inputs.

GAP/R model PP65: a solid-state op amp in a potted module (1962)

1962: An op amp in a potted module. By 1962, several companies were producing modular potted packages that could be plugged into printed circuit boards. These packages were crucially important as they made the operational amplifier into a single black box which could be easily treated as a component in a larger circuit.

1963: A monolithic IC op amp. In 1963, the first monolithic IC op amp, the μA702 designed by Bob Widlar at Fairchild Semiconductor, was released. Monolithic ICs consist of a single chip as opposed to a chip and discrete parts (a discrete IC) or multiple chips bonded and connected on a circuit board (a hybrid IC). Almost all modern op amps are monolithic ICs; however, this first IC did not meet with much success. Issues such as an uneven supply voltage, low gain and a small dynamic range held off the dominance of monolithic op amps until 1965 when the μA709^[24] (also designed by Bob Widlar) was released.

1968: Lanzamiento del μA741 . La popularidad de los amplificadores operacionales monolíticos mejoró aún más con el lanzamiento del LM101 en 1967, que solucionó varios problemas, y el posterior lanzamiento del μA741 en 1968. El μA741 era extremadamente similar al LM101, excepto que los procesos de fabricación de Fairchild les permitieron incluir un condensador de compensación de 30 pF dentro del chip en lugar de requerir compensación externa. Esta simple diferencia ha convertido al 741 en un amplificador operacional canónico, y una variedad de amplificadores modernos basan su configuración de pines en el 741. El μA741 todavía se produce y se ha vuelto omnipresente en la electrónica; muchos fabricantes producen una versión de este chip clásico, reconocible por números de pieza que contienen 741 .

1970: Primer diseño de FET de alta velocidad y baja corriente de entrada. En la década de 1970, comenzaron a fabricarse diseños de alta velocidad y baja corriente de entrada utilizando JFET .

1972: Comienza la producción de amplificadores operacionales con alimentación de un solo lado. Un amplificador operacional con alimentación de un solo lado es aquel en el que los voltajes de entrada y salida pueden ser tan bajos como el voltaje negativo de la fuente de alimentación, en lugar de tener que ser al menos dos voltios superiores. Como resultado, puede funcionar en muchas aplicaciones con el pin de alimentación negativa del amplificador operacional conectado a la tierra de la señal, eliminando así la necesidad de una fuente de alimentación negativa independiente. El LM324 , lanzado en 1972, fue uno de estos amplificadores operacionales que venía en un encapsulado cuádruple (cuatro amplificadores operacionales independientes en un solo paquete) y se convirtió en un estándar de la industria.

Tendencias recientes. Los voltajes de alimentación en los circuitos analógicos han disminuido (al igual que en la lógica digital) y, como consecuencia, se han introducido amplificadores operacionales de bajo voltaje. Son comunes las fuentes de alimentación de 5 V y, cada vez más, de 3,3 V (a veces incluso de 1,8 V). Para maximizar el rango de la señal, los amplificadores operacionales modernos suelen tener salida de riel a riel (la señal de salida puede variar desde el voltaje de alimentación más bajo hasta el más alto) y, en ocasiones, entradas de riel a riel. ^{[ 15 ]}

Véase también

Notas

1 2 Los pines de alimentación ( V _S+ y V _S− ) pueden etiquetarse de diferentes maneras ( véase Pines de alimentación del circuito integrado ). A menudo, estos pines se omiten en el diagrama para mayor claridad, y la configuración de alimentación se describe o se deduce del circuito.
↑ Normalmente ~10 nanoamperios, nA, paraamplificadores operacionales bipolares , decenas de picoamperios, pA, para etapas de entrada JFET , y solo unos pocos pA para etapas de entrada MOSFET .
↑This definition hews to the convention of measuring op-amp parameters with respect to the zero voltage point in the circuit, which is usually half the total voltage between the amplifier's positive and negative power rails.
↑Many older designs of operational amplifiers have offset null inputs to allow the offset to be manually adjusted away. Modern precision op amps can have internal circuits that automatically cancel this offset using choppers or other circuits that measure the offset voltage periodically and subtract it from the input voltage.
↑That the output cannot reach the power supply voltages is usually the result of limitations of the amplifier's output stage transistors.

References

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External links

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[ps-1] 1 2 Los pines de alimentación ( V _S+ y V _S− ) pueden etiquetarse de diferentes maneras ( véase Pines de alimentación del circuito integrado ). A menudo, estos pines se omiten en el diagrama para mayor claridad, y la configuración de alimentación se describe o se deduce del circuito.

[11] Normalmente ~10 nanoamperios, nA, paraamplificadores operacionales bipolares , decenas de picoamperios, pA, para etapas de entrada JFET , y solo unos pocos pA para etapas de entrada MOSFET .

[13] This definition hews to the convention of measuring op-amp parameters with respect to the zero voltage point in the circuit, which is usually half the total voltage between the amplifier's positive and negative power rails.

[14] Many older designs of operational amplifiers have offset null inputs to allow the offset to be manually adjusted away. Modern precision op amps can have internal circuits that automatically cancel this offset using choppers or other circuits that measure the offset voltage periodically and subtract it from the input voltage.

[19] That the output cannot reach the power supply voltages is usually the result of limitations of the amplifier's output stage transistors.

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