Amp. operacional. Tensión, corriente de offset y corriente de polarización de entrada.

En el momento de diseñar un amplificador con un operacional, hay que tener en cuenta tres posibles causas (debidas a ‘defectos‘ del propio componente) que pueden hacer que la tensión de salida no sea exactamente la deseada. Esto no puede parecer importante en un amplificador de alterna pero si en un amplificador de instrumentación por ejemplo.

Esquema típico de un amplificador inversor en lazo cerrado.

Estos defectos son debidos a unas tensiones que pueden aparecer en la entrada sin nosotros desearlo. Estas tensiones son debidas a las siguientes razones:

Error 1. Corriente de polarización de entrada.
Error 2. Corriente de offset de entrada.
Error 3. Tensión de offset de entrada.

Vamos a ver con detenimiento cada una de las razones anteriormente expuestas:

Corriente de polarización de entrada.

A continuación se muestra el esquema de un amplificador diferencial, que está presente en la totalidad de los operacionales que hagan uso de esta tecnología (transistores bipolares).

Amplificador diferencial de entrada del operacional.

Está corriente está causada por las betas diferentes de los amplificadores de entrada (todos los AO tienen un amplificador diferencial de entrada).

$Iin(polarizacion) = \frac{IB1 + IB2}{2}$

Ejemplo: IB1 = 80nA y IB2 = 60nA

$Iin(polarizacion) = \frac{80+60}{2} = 70 nA$

Los operacionales que usan JFET consumen del orden de pico amperios.

Corriente de offset de entrada.

Es debida a diferencias entre los dos transistores del amplificador diferencial de entrada del operacional.

$Iin(offset) = IB1 - IB2$

Si recurrimos al ejemplo del apartado anterior, tendríamos:

$Iin(offset) = 80 - 60 = 20 \ nA$

Si queremos obtener las corrientes de base:

$IB1 = Iin(polarizacion) + \frac {Iin(offset)}{2}$

$IB2 = Iin(polarizacion) - \frac {Iin(offset)}{2}$

Por ejemplo, pongamos que tenemos que Iin(polarizacion) es de 70 nA y Iin(offset) es de 20 nA. Hagamos cálculos:

$IB1 = 70 + \frac {20}{2} = 80 \ nA$

$IB2 = 70 - \frac {20}{2} = 60 \ nA$

Si solo se usa una resistencia de base, tendríamos que:

$V1 = -IB1 \cdot RB$

Vamos a poner un ejemplo: Si RB es de 1k e IB1 es de 80 nano-amperios, ¿Cual será la tensión de la entrada en concreto?

$V = 80 nA \cdot 1k = 80 \mu V$

Observación: La manera de reducir la tensión de error de salida del operacional, consiste en añadir a la otra entrada una resistencia idéntica a la de la otra entrada, en lugar de colocarla directamente a tierra.

Se añade una resistencia R3 para reducir la tensión de error de salida.

Si recordamos el esquema de un amplificador diferencial de antes:

Al añadir una segunda RB, la tensión de entrada continua diferencial del siguiente valor:

$Vin = IB1 \cdot RB - IB2 \cdot RB = (IB1 - IB2) \cdot RB$

O lo que es lo mismo:

$Vin = Iin(offset) \cdot RB$

Pongamos un ejemplo: Si Iin(polarizacion) es de 70 nA y la Iin(offset) es de 20 nA, con una resistencia de base de 1k; ¿Cual sería la tensión de error de entrada?

$Vin = Iin(offset) \cdot RB = 20 nA \cdot 1k = 20 \mu V$

Esta tensión es bastante menor que los 80 micro-voltios que teníamos antes de prescindir de la corriente de polarización.

Tensión de offset de entrada.

Esta tensión de error depende de las resistencias de colector y de las uniones base emisor del amplificador diferencial que está en la entrada del amplificador operacional.

Para poder medirla, habría que poner las dos bases del diferencial de entrada a tierra, y medir la tensión de salida.

Configuración para medir el offset sabiendo la ganancia.

Sabiendo la ganancia cuanto es, tendríamos:

$Vin(offset) = \frac{Verror}{Av}$

Veámoslo con un ejemplo: La tensión de error de salida es de 0.7 voltios y la ganancia es de 250.

$Vin(offset) = \frac{0.7}{250} = 2.8 \ mV$

De los tres «defectos», el mas sencillo de corregir es la corriente de polarización de entrada, que basta con añadir una resistencia en la otra entrada a masa. En los otros dos casos hay que recurrir a circuitería externa, que será la que nos recomiende el datasheet.

Si desarrollamos las formulas anteriormente expuestas, llegaremos a las siguientes conclusiones:

$Verror1 = (RB1-RB2) \cdot In(polarizacion)$