DAQ Circuitos Plataforma Didáctica

  • Aumentar fuente
  • Fuente predeterminada
  • Disminuir fuente

Circuito Integrado op amp 741

De conformidad con la filosofía del diseño de circuitos integrados, el circuito utiliza un gran número de transistores, pero relativamente pocos resistores y sólo un condensador. Esta filosofía es dictada por la economía (área de silicio, facilidad de fabricación, calidad de los componentes terminados) de la fabricación de los componentes activos y pasivos en forma de circuito integrado.

Como sucede en el caso de los amplificadores operacionales de Ci más modernos, el 741 requiere dos fuentes de alimentación: +VCC  y  -VEE. Normalmente, VCC = VEE = 15 V, aunque el circuito opera satisfactoriamente con las fuentes de alimentación reducidas a valores mucho menores (hasta de ±5v). Es importante observar que ningún nodo del circuito se conecta a tierra, que es el terminal común de las dos fuentes.

Con un circuito relativamente grande como el de la siguiente figura, el primer paso en el análisis es la identificación de sus partes reconocibles y de sus funciones. Esto puede hacerse de la siguiente manera:

Integrado741 separados

CIRCUITO DE POLARIZACIÓN (cuadrado rojo)

La corriente de polarización de referencia del circuito 741, IREF, es generada en la rama de la extrema izquierda, que consiste en los dos transistores Q11 y Q12 conectados como diodos, y la resistencia R5. Utilizando la fuente de corriente de Widlar formada por Q11Q10 y R4, la corriente de polarización para la primera etapa se genera en el colector de Q10. Otro espejo de corriente formado por Q8 y Q9 toma parte en la polarización de la primera etapa.

La corriente de polarización de referencia, IREF, se utiliza para producir dos corrientes proporcionales en los colectores de Q13. Este transistor "pnp lateral" de colector doble puede considerarse como dos transistores cuyas uniones entre base y emisor están conectadas en paralelo. De esta forma, Q12 y Q13 forman un espejo de corriente de dos salidas: una salida, el colector de Q13B, proporciona corriente de polarización para Q17, y la otra salida, el colector de Q13A, proporciona corriente de polarización para la etapa de salida del op amp.

Otros dos transistores, Q18 y Q19, toman parte en el proceso de la polarización de cd. El propósito de Q18 y de Q19 es establecer dos caídas VBE entre las bases de los transistores de salida Q14 y Q20.

CIRCUITO DE PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITO (cuadrado rosa)

El circuito 741 incluye cierto número de transistores que normalmente se encuentran abiertos y que conducen sólo en caso de que el usuario intente tomar una elevada corriente del terminal de salida del op amp. Esto ocurriría, por ejemplo,  si el terminal de salida se pone en cortocircuito con una de las dos fuentes de alimentación. La red de protección contra cortocircuitos está formada por R6, R7, Q15, Q21, Q24 y Q22. En lo que sigue, supondremos que estos transistores están abiertos.

ETAPA DE ENTRADA (cuadrado azul)

El circuito 741 consta de tres etapas: una etapa diferencial de entrada, una etapa intermedia de alta ganancia y una etapa separadora de salida. La etapa de entrada está formada por los transistores Q1 al Q7, con la polarización realizada por Q8, Q9 y Q10. Los transistores Q1 y Q2 actúan como seguidores de emisor, ocasionando que la resistencia de entrada sea alta y entregando la señal diferencial de entrada al amplificador diferencial de base común formado por Q3 y por Q4.

Los transistores Q5, Q6 y Q7, así como los resistores R1, R2 y R3 forman el circuito de carga de la etapa de entrada. Éste es un elaborado circuito de carga de espejo de corriente. Este circuito de carga no sólo proporciona una carga de alta resistencia, sino que también convierte la señal de diferencial a forma asimétrica sin pérdida de ganancia o rechazo de modo común. La salida de la etapa de entrada se toma asimétrica en el colector Q6.

Todo circuito de op amp incluye un "desplazador de nivel" cuya función es desplazar el nivel de cd de la señal, de tal forma que en la salida del op amp, la señal pueda variar entre positivo y negativo. En el 741, el desplazamiento de nivel se realiza en la primera etapa utilizando los transistores pnp laterales Q3 y Q4. Aunque los transistores laterales pnp tienen un funcionamiento pobre a frecuencias altas, su uso en la configuración de base común (que se conoce por tener buena respuesta a alta frecuencia) no afecta seriamente la respuesta en frecuencia del op amp.

El uso de los transistores pnp laterales Q3 y Q4 en la primera etapa tiene otra ventaja: protección de los transistores  Q1 y Q2 de la etapa de entrada contra la ruptura de la unión entre emisor y base. Como la unión entre emisor y base de un transistor npn se rompe a unos 7 V de polarización inversa, las etapas diferenciales npn regulares sufrirían tal ruptura si, por ejemplo, el voltaje de alimentación se conectara accidentalmente entre los terminales de entrada. Los transistores pnp laterales, sin embargo, tienen voltajes de ruptura entre emisor y base altos (de unos 50 V); y debido a que se encuentran conectados en serie con Q1 y con Q2, proporcionan protección a los transistores de entrada del 741, Q1 y Q2.

SEGUNDA ETAPA (cuadrado verde)

La segunda etapa o intermedia se compone de Q16, Q17, Q13B y los dos resistores R8 y R9. El transistor Q16 actúa como seguidor de emisor, dando así a la segunda etapa una alta resistencia de entrada. Esto reduce al mínimo la carga en la etapa de entrada y evita pérdida de ganancia. El transistor Q17 actúa como un amplificador de emisor común con una resistencia de 100Ω en el emisor. Su carga está compuesta por la alta resistencia de salida del transistor pnp Q13B de la fuente de corriente en paralelo con la resistencia de entrada de la etapa de salida (viendo hacia la base de Q23). La utilización de una fuente de corriente con transistores como resistencia de carga, es una técnica denominada "carga activa", que hace posible obtener alta ganancia sin recurrir al uso de altas resistencias de carga, que ocuparían un área grande del chip y requerirían elevados voltajes de fuente de alimentación.

La salida de la segunda etapa se toma en el colector de Q17. El condensador CC se conecta en la trayectoria de realimentación de la segunda etapa, para obtener compensación de frecuencia, utilizando la técnica de compensación de Miller. El condensador CC relativamente pequeño le da al 741 un polo dominante a unos 4 Hz. Además, la división de polo ocasiona que otros polos se desplacen a frecuencias mucho más altas, dando al op amp una atenuación uniforme de ganancia de -20 dB/década con un ancho de banda de ganancia unitaria de aproximadamente 1 MHz. Debe hacerse resaltar que, aunque CC es pequeño en valor, el área del chip que ocupa es unas 13 veces el de un transistor npn estándar.

ETAPA DE SALIDA (cuadrado amarillo)

El propósito de la etapa de salida, es proporcionar al amplificador una baja resistencia de salida. Además, la etapa de salida debe ser capaz de suministrar corrientes de carga relativamente altas sin disipar una cantidad desmesuradamente grande de potencia en el IC. 

La etapa de salida consta del par complementario de Q14 y Q20, donde Q20 es un "sustrato pnp". Los transistores Q18 y Q19 son alimentados por la fuente de corriente Q13A y polarizan a los transistores de salida Q14 y Q20. El transistor Q23 (que es otro sustrato pnp) actúa como seguidor de emisor, reduciendo así al mínimo el efecto de carga de la etapa de salida en la segunda etapa.