Problemas de continua en los AO reales

Este tipo de problema suele ser de los más habituales que se presentan en los amplificadores operacionales, aunque no siempre tienen la misma importancia. Básicamente se pueden clasificar en dos categorías:

a) Tensión de desplazamiento (OFFSET)
b) Corrientes de polarización

En el primer caso (a) dependen generalmente de problemas de simetría y de condiciones como la temperatura.

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En el segundo caso (b), dependerán de la fabricación de los transistores y de los valores reales de las intensidades IB1 e IB2 que son parecidas pero no exactamente iguales.

Además, con el tiempo, se produce un envejecimiento de los componentes de manera que el OFFSET varía, siendo el mayor problema que nos vamos a encontrar.

La tensión de OFFSET se aprecia cuando, al unir los dos terminales de entrada a masa, en lugar de dar V0=A(V+– V)=0 como debía ser se observa una tensión diferente de cero en salida. Esto suele ocurrir por efecto de la falta de simetría. Si además, esta medida se hace a lo largo de un cierto tiempo, se observa que la tensión V0 no es constante sino que depende del tiempo y de la temperatura que, a corto plazo, es el factor más influyente.

Sin embargo, el OFFSET no se suele medir de la forma antedicha sino que se hace al contrario, definiéndose una tensión de OFFSET o de desplazamiento en la entrada como la tensión necesaria entre los terminales del amplificador para conseguir en salida una tensión nula. Se suele representar por una fuente de tensión VIO en uno de los dos terminales.

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La VIO llamada tensión de entrada de desplazamiento tiene un valor que oscila entre 0’1 mV y 100 mV. El fabricante da información sobre el valor máximo de esta tensión, así como de la variación de la misma con la temperatura: ∆VIO/ ∆T. Un valor típico de este último parámetro es 10 µV/ °C.

Se tiene por tanto un error en salida que además no es constante sino que varía con la temperatura y el envejecimiento.

Cuando se trabaja con continua habrá, por tanto, que eliminar dos errores. Vamos a ver cómo eliminar el offset. Para ello, consideraremos el amplificador como si fuese ideal concentrando el efecto del offset como una fuente en la entrada de uno de los terminales. Además anularemos las dos tensiones de entrada. Tendremos entonces un montaje como el de la fig:

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Hay que hacer notar que, una vez anuladas las tensiones en las entradas, ambos montajes, inversor y no inversor coinciden. La fuente VIO se dibuja sin polaridad ya que puede ser positiva o negativa, dependiendo del signo de la salida (El fabricante da valores absolutos).

Si analizamos la salida en el circuito dado se tiene que es:

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Ya que se comporta como un no inversor. Es decir es el producto de VIO por la ganancia en lazo cerrado. Por tanto el efecto del offset será importante si la ganancia en lazo cerrado lo es. Por ej. si VIO= 10 mV y la G es 100 tendremos una VO = 1 V lo cual es importante.

También depende de la magnitud el valor de la señal de entrada incluso aunque la ganancia no sea muy alta.

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En efecto, en el montaje de la fig. observamos que si consideramos el efecto del offset, el circuito está alimentado por una señal suma de Vi y VIO y por tanto la importancia de esta
última viene condicionada por la magnitud relativa de una fuente respecto a la otra.
El problema del offset tiene tres formas básicas de resolverse:

1) La más sencilla sería buscar un amplificador que tenga un offset mucho menor que la señal de entrada, es decir que VIO << Vi. De esta forma su efecto no tendría importancia.

2) Utilizando recursos del propio amplificador: además de los terminales habituales, la mayoría de los OP tienen otros dos terminales llamados de balance que se utilizan para anular el efecto del OFFSET. Para ello, se coloca un potenciómetro entre ambos terminales uniendo el cursor del mismo a la señal negativa de alimentación -VEE. El procedimiento para anular la tensión de desplazamiento es el que se muestra en la fig.

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Se anula la fuente de entrada y, midiendo la salida, se mueve el potenciómetro hasta conseguir que Vo=0.

3) Utilizando un sumador para conseguir cancelar la parte de salida no deseada debida a la tensión de desplazamiento. En el circuito de la fig.

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es:

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donde el término

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es la salida deseada y el segundo sumando

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representa el término de tensión de offset medido a la salida. El error que produce es de tipo aditivo, es decir independiente de la entrada. Para quitar este término basta por tanto sumarle otro igual de signo contrario de forma que ambos se anulen. Para ello se utiliza un circuito como el de la figura:

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Dado que no se conoce a priori si el VIO es positivo o negativo,  se introduce el potenciómetro conectado a ambas fuentes de alimentación positiva y negativa que anulará el efecto no deseado. Para ajustar el valor del potenciómetro, se anula la tensión de entrada Vi y se mueve el cursor hasta que se consiga VO=0.

Queda por resolver, sin embargo, el problema producido por la variación de temperatura sobre esta tensión de offset.

Supongamos, por ejemplo, un amplificador donde ∆VIO/∆T = 0’1 mV/°C. Sabemos que, según la ec. 1, el término de offset es VIO(1+ R2/R1), que se puede escribir teniendo en cuenta esta variación como

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donde δVIO representa la variación de dicha tensión con la temperatura. Se observa por tanto que, este término influirá más cuanto mayor sea ∆VIO/∆T y sobre todo cuanto mayor sea la variación de temperatura. Por tanto, cuando se elige un OP determinado el factor más importante a tener en cuenta no es el valor de la tensión de desplazamiento sino su variación con la temperatura ya que el error producido por esta variación no es eliminable. Además será tanto más importante cuanto menor se la tensión de entrada.

Para aparatos que trabajen con tensiones pequeñas de entrada y sobre todo si van a situarse a la intemperie, habrá que aislarlos lo mejor posible. La forma más perfecta de mantener la temperatura invariable tanto si sube como si baja es introduciendo el aparato de medida en una caja a temperatura constante. La forma más fácil y barata de hacerlo es mediante una resistencia, calentando el aparato a una temperatura siempre superior a la posible máxima exterior al mismo.

Otra posible forma de disminuir el error producido por la variación de temperatura sería el añadir un terminal sumador en la entrada de forma que su tensión varíe de forma inversa a como lo hace el amplificador.

 En efecto, supongamos el circuito de la fig. en el que se ha añadido el efecto de la VIO como una fuente de tensión en la entrada.

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Se tiene entonces que si aplicamos superposición es:

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y segun la ec. 2 esto es:

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el término de VIO|Tamb se puede anular por alguno de los métodos enunciados anteriormente. Queda por tanto por anular el otro término no deseado. esto es lo que conseguimos mediante el terminal sumador citado. Para ello, como se muestra en la fig. debemos conseguir mediante un sensor de temperatura que la tensión de entrada a la rama añadida sea proporcional al ∆T.

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Aplicando superposición en este circuito queda:

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y con la igualdad de la ec. 2

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Eligiendo convenientemente los valores, se pueden eliminar los términos en VIO.

Hay que indicar que el offset sólo influye con alimentación de continua ya que en el caso de existir sólo alterna, el nivel de offset en salida podría ser evitado con un condensador en serie.

Independientemente de todos estos errores hay que tener en cuenta el envejecimiento que sufre el aparato y que obliga a calibrarlo cada cierto tiempo (de 6 meses a 1 año) ya que los
errores varían con el tiempo. Como norma hay que decir que todos los instrumentos de medida por muy buenos que sean necesitan una calibración periódica.

La segunda fuente importante de error a que hacíamos referencia es la aparición de corrientes de polarización. Hasta este punto hemos supuesto que la impedancia de entrada era infinita o, lo que es lo mismo, que la intensidad de entrada es nula. Pero para que el amplificador funcione como tal son necesarias unas intensidades de entrada que permitan a los transistores de la etapa de entrada entrar en conducción.

La etapa de entrada es diferencial y si está realizada en tecnología bipolar, los transistores de entrada al estar polarizados en activa tendrán una intensidad de base que es del orden del mA o como muy poco del µA. En el caso de que la etapa se fabrique en tecnología JFET la intensidad de entrada será la de puerta de un JFET en conducción que es del orden del pA.

Además estas intensidades, que representaremos por IB+ e IB, por efectos de simetría no son iguales aunque sí muy similares. Se define entonces una intensidad de offset como:

Iofset = IB+ IB-

que es de varios órdenes de magnitud inferior a cada una de las intensidades de entrada.
Como se ha indicado, estas intensidades son imprescindibles para el funcionamiento del amplificador. Si se está trabajando con alterna, el efecto de alta impedancia en entrada se puede conseguir mediante un condensador de desacoplo que impida el paso de la corriente de continua. Para el inversor de alterna el circuito sería el siguiente:

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Con este mismo procedimiento en el circuito no inversor tendríamos el montaje de la fig:

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que tiene el problema de que puede circular la IB- pero no la IB+ ya que el condensador se lo impide. Por tanto este montaje no funcionaría y hay que introducir una modificación. Esta consiste en colocar una resistencia entre el terminal + y tierra como se muestra:

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La intensidad IB+ puede circular por esta resistencia R sin problema. Sin embargo, este montaje presenta el inconveniente de que la impedancia de entrada se disminuye ya que se pone en paralelo con la R. Por tanto conviene que R sea alta para solventar en algo este problema. Un valor adecuado es R≥100KΩ.

Vamos ha realizar a continuación un estudio de las consecuencias que tienen estas intensidades. Por ser un estudio de continua, anulamos las fuentes de entrada ya que sólo nos interesa conocer el efecto producido por las fuentes de polarización. Como ya se ha indicado en otro punto, al anular la fuente de entrada es equivalente el estudio para el inversor y para el no inversor. Consideremos el amplificador ideal salvo en lo que se refiere a las corrientes de polarización.

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con lo que observamos que debiendo ser V0=0 no lo es sino que depende de la intensidad de base y de R2. Pero esta resistencia interviene en la ganancia en lazo cerrado en ambos montajes, inversor y no inversor, debiendo ser alta si queremos que la ganancia lo sea. Además en el inversor sabemos que la impedancia de entrada es R1 que debe ser alta por lo que aun con más razón lo debe ser R2 si se quiere una ganancia G alta. Se tiene por tanto que la influencia de la corriente de polarización en la salida tiene un valor no despreciable ya que aunque la IB- sea baja al multiplicarla por la R2 da una V0 que puede estar en torno a 0’1V.

Una posible modificación del circuito para evitar este efecto es poner una resistencia desde el terminal + de forma que el circuito inversor quede:

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Como se observa la resistencia R en ninguno de los dos casos modifica la impedancia de entrada. En el no inversor quedaría R en serie con la Zent que seguiría siendo muy alta.
Vamos a ver cómo influye esta resistencia R en la salida. Para ello analizamos en continua, anulando la fuente de entrada.

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Aplicando Kirchoff en el nudo

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pero V+=V y por tanto:

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Habrá que elegir la resistencia R de forma que Vo se haga lo menor posible. Hay que tener en cuenta que las intensidades de base no son exactamente iguales y por tanto no se puede hacer Vo=0 pero sí se puede conseguir muy pequeña sin más que hacer:

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ya que entonces la salida queda:

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Es evidente que esto disminuye la Vo considerablemente ya que la Ioffset es mucho menor que la IB- que aparecía antes en la expresión de Vo. Optamos entonces por esta solución que consiste en colocar una resistencia R de valor:

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