Me da mucho gusto de tenerte una vez más por aquí, hoy vamos a retomar el tema de los amplificadores operacionales (AO). Sin embargo, sólo retomaremos los conceptos más importantes, ya que, te hablaré específicamente del amplificador operacional 741, sus características y las múltiples aplicaciones que puedes hacer con este circuito integrado.

El objetivo es que al final identifiques con facilidad las propiedades que tiene este amplificador y lo puedas aplicar en la práctica de manera exitosa, verás que será muy fácil ¿Estás listo? Puede que sea un viaje largo, pero, estoy seguro que te será de gran ayuda.

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Conceptos básicos del amplificador

• Recordemos rápidamente que un AO es un tipo de circuito integrado que fue diseñado con el objetivo principal de realizar cálculos analógicos; en su comienzo, estos componentes no eran circuitos integrados como tal, si no tubos de vacío.
• Avanzó el tiempo, y se descubrió que, no solo sirven para realizar funciones matemáticas, como la suma, resta, diferenciación e integración, sino que en conjunto con otros componentes electrónicos (resistencias y capacitores) el amplificador operacional se puede utilizar como amplificador, como filtro y hasta como comparador.
• De esta manera, los AO forman parte esencial de muchos circuitos y sistemas analógicos. Muchos modelos de circuitos integrados han tenido éxito y funcionado de manera óptima; sin embargo, uno de los modelos más utilizados y que son los favoritos para muchos profesionales y estudiantes, es el amplificador operacional LM741.

¿Qué es un amplificador operacional 741?

El LM741 es un circuito integrado correspondiente a la serie de los amplificadores operacionales, los cuales, son diseñados para propósitos generales, ya que, son utilizados como comparadores, multivibradores, o amplificadores.

Este amplificador nace en 1963, a manos de Fairchild semiconductores, con la misión de realizar un amplificador operacional “todoterreno”. El número de matrícula de este circuito integrado no es casualidad:

• El numero 741 quiere decir que el amplificador operacional consta de 7 pines funcionales
• 4 pines con la capacidad de recibir una señal de entrada
• Y solo 1 pin de salida
• Y es por ello que se forma el número 7-4-1.

Solo como dato, en su interior se encuentra un complejísimo arreglo de resistencias, capacitores y sobre todo transistores, este arreglo es el que permite toda la magia y que se encuentra encapsulado en un solo circuito.

En definición, esto es el OpAmp 741. Ahora veamos para que sirve.

¿Para qué sirve el LM741?

La función principal del LM741 es realizar amplificaciones de voltaje con alguna entrada de tipo diferencial, con el objetivo de tener una salida amplificada y que a la vez esté referenciada a tierra. Sin embargo, pueden servir para otros objetivos, como, por ejemplo:

• Convertidor corriente – voltaje.
• Amplificador operacional diferencial.
• Amplificador de instrumentación.
• Comparador de voltaje.
• Detectores de voltaje.

Todo lo anterior es gracias a:

1. Su gran eficiencia de trabajo
2. Funcionamiento garantizado en un rango de temperatura de -55°C a 125°C
3. Tiene una alta protección ante posibles sobrecargas de voltaje, tanto en las entradas como en la salida.
4. Puede operarse con una amplia gama de voltajes.

Todos estos puntos positivos se deben a su diseño, puesto que es para propósitos generales.

Estos son algunos ejemplos de para qué sirve este amplificador; pueden existir más aplicaciones, pero eso lo veremos mucho más adelante. Por ahora, basta con que te des cuenta de la gran versatilidad que tiene este circuito amplificador.

Características eléctricas del amplificador LM741

Una de las cosas que tienes que tomar MUCHO en cuenta al utilizar un componente o dispositivo electrónico, son sus especificaciones eléctricas, esto es muy importante, ya que, te dice como trabajarlo de manera correcta, y así, evitar descomponerlo o quemarlo.

Esta información la puedes encontrar fácilmente en las hojas de datos (Datasheet) de cada componente o dispositivo, las puedes encontrar en la mayoría de las ocasiones en Internet.

Hoy te ahorro esa visita, ya que a continuación te daré las especificaciones más importantes, de una manera resumida y sencilla de entender. ¡Vamos allá!

• Rango de voltaje: esta especificación también es tomada como una limitación practica dentro del circuito 741, ya que las entradas deben mantenerse en un rango especifico de voltaje.
  • El rango de alimentación va desde los ±5 hasta los ±15V.
  • En modo común, este rango de voltaje está entre los ±12v a los ±14 volts.
  • En ambos modos, si se sobrepasa de los ±15 volts, el amplificador puede presentar problemas.
  • Otro dato que debes conocer sobre el voltaje, es que el voltaje de salida jamás podrá superar a la de alimentación.
• Corriente de alimentación: 2.8mA a 3.3mA de valores máximos, pero de forma típica es de 1.7mA.
• Corriente de entrada en Offset: 10nA.
• Corriente de compensación de entrada: esta corriente tiene un valor máximo de 200nA-300nA, mientras que el valor típico no pasa de los 20nA.
• Corriente de bias de entrada: de 500nA a 800nA, pero el valor típico no pasa de los 80nA.
• Corriente de salida: 20mA máximos.
• Alta impedancia de entrada: el valor de esta impedancia esta por el orden de los mega ohms (1MW)
• Velocidad de respuesta de 0.5v/ms.
• Impedancia de salida finita de 75 ohms. Esto puede limitar la corriente de salida y la oscilación en la tensión de salida.
• Ancho de banda: 1MHz
• La ganancia permanece en 200,000 si se opera con una frecuencia de entrada inferior a los 10Hz. Si la frecuencia de la señal de entrada aumenta, la ganancia se reduce.
• Rango de temperatura de funcionamiento en aire libre: 0°C a 70°C
• Capacitancia de entrada de 14pF.
• Encapsulamiento de 8 pines (más adelante lo veremos a detalle).
• El circuito tiene una protección ante la sobrecarga en las entradas y salidas.

Las características que tiene el 741 hacen que este amplificador sea casi ideal, de ahí su versatilidad. Son muchos los puntos que debes tomar en cuenta al trabajar con este componente, por eso te recomiendo que, ante cualquier duda específica, visites su Datasheet.

Diagrama de pines del AO 741

Es importante que conozcas la distribución de los pines en este circuito, ya que esta información te dará la clave para saber cómo conectar de manera correcta este circuito y no llegar a descomponerlo. Claro está que esto no solo se limita a este circuito integrado, sino a muchos; siempre que tengas duda sobre la conexión de un componente en específico, busca su hoja de datos, te ayudara muchísimo, viajero.

A continuación, te muestro el diagrama de pines del 741 y la descripción de cada uno:

¿Qué significan estos pines y para que sirven?

1. Señal para quitar el offset: tiene la función de remover el offset de la señal de salida. Recuerda que el offset es aquella señal de voltaje inherente de los amplificadores que aparece en la salida.
2. Señal de entrada invertida (V-)
3. Señal de entrada no invertida (V+)
4. Fuente negativa.
5. Entrada para eliminar offset (funciona igual que el pin #1).
6. Salida del amplificador.
7. Fuente positiva.
8. No es funcional, no se conecta.

Como puedes ver, los pines destacables son el 4 y el 7, ya que estos son los pines dedicados a la alimentación del amplificador. Recuerda que es recomendable que la tensión de alimentación no debe sobrepasar los +22v -23v, y -11v en la entrada de voltaje negativo.

Diagrama interno del circuito

A continuación, te voy a mostrar como es el amplificador operacional internamente. Es todo un conjunto de elementos trabajando en sincronía y que hacen posible todas las aplicaciones que tiene este fenomenal componente.

Este “pequeño” circuito está compuesto por:

• 11 resistencias.
• 22 transistores.
• 1 capacitor.
• 1 diodo.

¿Imagina si no existiese el encapsulamiento de circuitos? En dicho caso, tendríamos que realizar este circuito cada vez que queramos obtener las funciones del amplificador operacional, y eso no es nada viable.

Te dejo la siguiente liga que te llevará directo a la hoja de datos y más detalle sobre el circuito interno, da clic aquí.

¿Cómo conectar el amplificador operacional 741?

Para conocer las conexiones del amplificador operacional 741, primero debes conocer su simbología.

Símbolo del amplificador LM741

El amplificador operacional 741 es representado por medio de un triángulo, donde:

• En sus extremos se encuentra la entrada inversora (V+, pin #3), no inversora (V-, pin #2) y la salida de voltaje (Vout, pin #6)
• Mientras tanto, a sus costados se encuentran las patillas de alimentación de tensión, tanto de forma positiva (V+, pin #7) como de forma negativa (V-, pin #4).

De esta forma, ya conoces como se conecta, sin embargo, debes saber que dentro de los amplificadores operacionales hay dos circuitos o configuraciones que son básicos conocer: configuración inversora y configuración no inversora.

Es en serio cuando te digo que es básico conocer cómo se conectan estas configuraciones, ya que de aquí se basan la mayoría de aplicaciones, como el amplificador diferencial, amplificador sumador o amplificador integrador.  En el siguiente apartado te mostraré un ejemplo de uso y conexión de ambas configuraciones 

Ejemplos: diseñando amplificadores con el LM741

Como te dije anteriormente, veremos algunos ejemplos de uso con el amplificador 741. Analizaremos el amplificador inversor, no inversor y comparador. ¡Vamos allá!

Generalidades de un Amplificador inversor con un LM741

Probablemente ya conozcas de que va el amplificador inversor y los que veremos en este apartado, no obstante, vale la pena refrescarte un poco la memoria. Para más detalles, tenemos disponible un tutorial donde hablamos específicamente de cada amplificador, puedes ir a echarles un ojo.  

El AO inversor recibe este nombre gracias a su principal resultado: la señal de salida es inversa a la entrada. Esta configuración puede constar de 3 resistencias:

• Una resistencia de realimentación.
• Y una en cada entrada del inversor

Sin embargo, es común que te encuentres con ejemplos donde solo existan dos. El principio de funcionamiento es sencillo:

1. Se aplica una señal en el pin inversor o negativo del amplificador.
2. Mientras que el pin no inversor o positivo del amplificador es llevado a tierra o a negativo.
3. Esta señal de entrada es invertida y se le confiere una ganancia que puede ser menor, igual o mayor a 1, depende también de los valores que las resistencias poseen.

La expresión matemática con la cual se representa el funcionamiento de este amplificador es la siguiente:

Ejemplo: diseño de un amplificador inversor con un LM741

Observa el siguiente ejemplo, en el cual podrás apreciar cómo se conecta el amplificador 741 para que se comporte como un amplificador inversor. Recuerda que es recomendable que no lo alimentes con más de 15 volts, en este caso, se utilizará una alimentación de 1.5 volts.

Como puedes ver, la conexión es demasiado sencilla, y solo debemos disponer de dos resistencias y una alimentación en la entrada inversora, mientras que la no inversora se coloca a tierra.

Para calcular cual es el voltaje de salida de este amplificador, solo debemos sustituir los valores de las resistencias y del voltaje de entrada, que en este caso es de 1.5v.

El voltaje de salida del circuito 741 es de -1.5v

Como puedes ver, el resultado es el mismo voltaje, pero con símbolo distinto (invertido). En este diseño, tu puedes calcular el valor de las resistencias y determinar con que voltaje alimentaras dicho circuito; sin embargo, no olvides las especificaciones del amplificador 741.

Generalidades de un Amplificador no-inversor con un LM741

El amplificador no inversor permite aumentar cualquier señal eléctrica, la cual es multiplicada por una constante llamada ganancia (Av). Esta aplicación, hablando en términos de funcionalidad, es muy parecida a su contraparte, sin embargo, la señal de entrada se introduce por el terminal no inversor, haciendo que la señal de salida esté en fase con la señal de entrada, es decir, va a tener el mismo signo.

El voltaje de salida se puede obtener con la siguiente expresión:

Ejemplo: diseño de un amplificador no inversor con un 741

Al igual que en el ejemplo anterior, podrás apreciar cómo se conecta el amplificador operacional 741 para que se comporte como un amplificador no inversor. Posteriormente calcularemos el valor del voltaje de salida con las resistencias propuestas y teniendo una alimentación de entrada (Vi) de 9v.

Puedes darte cuenta que la conexión es muy sencilla, ya que es similar a la conexión del amplificador inversor. Ahora calculemos el voltaje de salida de este circuito.

El voltaje de salida del circuito 741 es de 11.25v

Generalidades de un Amplificador comparador con un LM741

El amplificador comparador es uno de los más sencillos, ya que no requiere ningún arreglo de realimentación ni nada por el estilo. Este circuito es capaz de comparar dos señales de entrada, y dependiendo de cuál sea mayor o menor, se establecerá la señal de salida. Puede ser de naturaleza inversora o no inversora.

Las condiciones para la señal de salida son las siguientes:

Para no inversor:

Si V₂ > V_ref ➜ V_out = +V_cc(+Vsat)

Si V₂ < V_ref ➜ V_out = -V_cc(-Vsat)

Para inversor:

Si V₂ > V_ref ➜ V_out = -V_cc(-Vsat)

Si V₂ < V_ref ➜ V_out = +V_cc(+Vsat)

El amplificador 741 al ser diseñado para propósito general y gracias a sus características, es capaz de trabajar eficientemente como un amplificador comparador

Ejemplo: diseño de un amplificador comparador con un LM741

Observa el siguiente circuito:

La conexión es realmente sencilla, pues solo necesitas de las señales de entrada y la alimentación positiva y negativa. En este caso, en la entrada no inversora se tiene un voltaje de entrada de 5v, mientras que en la entrada inversora hay un voltaje de 3.3v.

Lo anterior significa que estamos frente a un comparador no inversor, si V₁ es nuestro voltaje a comparar y V₂ nuestra referencia. Finalmente, el amplificador es alimentado por 12v, tanto de forma negativa, como positiva.

Para conocer el voltaje de salida del amplificador, debemos recordar bien las reglas que anteriormente te mostré; en este caso, utilizamos las reglas del comparador no inversor.

Si V₂ > V_ref ➜ V_out = +V_cc(+Vsat)

Si V₂ < V_ref ➜ V_out = -V_cc(-Vsat)

Con estas relaciones, ya podemos conocer el voltaje de salida sustituyendo los valores de cada voltaje de entrada. Al ser V₂ menor que V₁, tenemos que utilizar la regla #2.

Si V₁ > V₂ ➜ V_out = +12v

El voltaje de salida del circuito comparador 741 es de +12v

Muy fácil ¿no? Y así podemos tener muchas aplicaciones dentro del amplificador 741, sin embargo, los que acabamos de ver son los básicos y los que te ayudarán a comprender en su totalidad las conexiones y sus procedimientos de cálculo.

• Recuerda respetar la distribución de pines y leer la hoja de datos de este componente si tienes dudas específicas sobre sus características eléctricas.

Aplicaciones comunes del LM741

Como ya has visto, el amplificador operacional está diseñado para ser de propósito general; esto significa que puedes utilizarlo como:

• Amplificador inversor y no inversor.
• Amplificador sumador.
• Amplificador derivador.
• Amplificador integrador.
• Amplificador restador.
• Amplificador comparador.
• Incluso puede utilizarse como amplificador de instrumentación.

Este AO tiene alta presencia en sistemas dedicados al análisis de señales y su descomposición.

En los rectificadores, el AO puede aplicarse eficazmente, ya que se puede configurar como diodo “ideal”, haciendo que no existan caídas de voltaje y haciendo que los rectificadores sean mucho más precisos.

Está presente en osciladores, ya que el amplificador 741 es ideal para crear distintas formas de onda en salidas eléctricas, como señales cuadradas y triangulares. Además, son ideales para los generadores PWM y sus modulaciones de ancho de pulso.

En la electrónica, el AO 741 se utiliza para convertir señales digitales a señales analógicas; esto se utiliza cuando necesitamos transformar las señales de un microcontrolador o un FPGA para utilizarlas en algún sistema analógico.

Hemos llegado al final de este tutorial sobre el amplificador 741, ¡te felicito! Ahora eres capaz de trabajar como todo un profesional con este amplificador tan utilizado y preferido por la comunidad; esta preferencia no es casualidad, ya que como has visto, tiene características que le prestan una versatilidad increíble.

Recuerda que, si tienes dudas específicas sobre este componente, visita la hoja de datos de este componente; ahí se encuentra todo lo relacionado con especificaciones eléctricas, conexiones y otras características importantes.

Como es ya costumbre por aquí, antes de irme te dejo algunos puntos que valen la pena que recuerdes y que tengas presente.

• El AO 741 es un amplificador diseñado para ser de propósito general.
• Una característica destacable dentro del 741, es que puede trabajar con un amplio rango de voltajes.
• El 741 es un circuito integrado encapsulado con 8 pines. La descripción de cada pin es la siguiente:
  1. Señal para quitar el offset: tiene la función de remover el offset de la señal de salida. Recuerda que el offset es aquella señal de voltaje inherente de los amplificadores que aparece en la salida.
  2. Señal de entrada invertida (V-)
  3. Señal de entrada no invertida (V+)
  4. Fuente negativa.
  5. Entrada para eliminar offset (funciona igual que el pin #1).
  6. Salida del amplificador.
  7. Fuente positiva.
  8. No es funcional, no se conecta.
• Este amplificador se puede alimentar desde los 5v, llegando a soportar los 18v, pero se recomienda que no sobrepase los 15v.
• La impedancia de entrada esta por el orden de los megaohms, mientras que la de salida es de 75 ohms aproximadamente.
• El símbolo del 741 es un triángulo; en los extremos están presentes las entradas (inversora y no inversora) y la salida de voltaje, mientras que a los costados se encuentra la alimentación de voltaje (tanto positiva como negativa).
• El AO 741 tiene muchas aplicaciones; desde operaciones matemáticas como la suma, resta, diferenciación e integración, hasta tener fuerte presencia en aplicaciones de electrónica digital, osciladores y rectificadores.

Vídeo del amplificador operacional LM741

Espero con un gran optimismo que hayas aprendido mucho con esta información. No olvides que, si quieres más información sobre los amplificadores operacionales, puedes revisar mis demás post, donde encontrarás ejemplos y mucha información, nos vemos en el siguiente post.