Producto ganancia-ancho de banda: ganancia y velocidad se cambian
Baja la ganancia y mira ensancharse la banda
La recta tenue que baja es la ganancia en lazo abierto cayendo con la frecuencia. La línea gruesa es la ganancia en lazo cerrado fijada por realimentación: plana hasta que encuentra esa recta, donde se dobla y cae con ella. Ese codo es el ancho de banda. Baja la ganancia en lazo cerrado.
La ganancia infinita es ficción: la ganancia cae
Aprendimos que un op-amp ideal tiene ganancia infinita, pero un dispositivo real difiere. A baja frecuencia la ganancia en lazo abierto es muy grande (a menudo cerca de cien mil), pero por encima de cierta frecuencia dominante baja, la ganancia cae -20 dB, es decir, un factor de diez, por cada subida de diez veces en frecuencia. En un diagrama de Bode con eje de frecuencia logarítmico, la ganancia en lazo abierto es plana y luego una recta que baja con pendiente constante. La frecuencia donde esta recta encuentra una ganancia de 1, es decir 0 dB, es la frecuencia de ganancia unidad.
Baja la ganancia en lazo cerrado, ensancha la banda
Con realimentación, la ganancia en lazo cerrado se mantiene plana en el valor bajo que elegimos. Pero al subir la frecuencia y encontrar esa línea plana la recta de lazo abierto que baja, ya no hay forma de sostener esa ganancia, y desde ahí cae con ella. La frecuencia de ese punto de encuentro es exactamente el ancho de banda del amplificador en lazo cerrado. Así, bajar la ganancia en lazo cerrado coloca la línea plana más abajo, encontrando la de lazo abierto más a la derecha, a mayor frecuencia, y el ancho de banda se ensancha en ese factor.
Ganancia × banda = constante = GBW
Como la pendiente de la recta de lazo abierto es constante, el producto de la ganancia en lazo cerrado y su ancho de banda es siempre el mismo valor, donde sea que cortes. Ese valor es exactamente la frecuencia de ganancia unidad donde la ganancia en lazo abierto cae a 1, y se llama producto ganancia-ancho de banda, GBW. El GBW es una especificación fija con la que nace el dispositivo. Así, si quieres gran ganancia aceptas una banda estrecha, y si quieres una banda ancha aceptas una ganancia pequeña. Un amplificador no puede subir ambas; si necesitas más, divides la ganancia en etapas o usas un dispositivo con mayor GBW.
De vuelta a la primera pantalla
Con la ganancia en lazo cerrado puesta alta, la línea plana encontró pronto la de lazo abierto y se dobló en una banda estrecha. Al bajar la ganancia, ese codo se deslizó a la derecha y la banda se ensanchó. Todo ese tiempo el producto de ganancia y ancho de banda no cambió ni un ápice, porque la ganancia en lazo abierto cae con pendiente constante. Ese producto fijo es el GBW, la frecuencia de ganancia unidad donde la ganancia cae a 1. El ideal de ganancia infinita solo se sostiene a baja frecuencia; en la realidad debes cambiar ganancia por velocidad. Este es el primer límite real del amplificador operacional.
Lo que sigue
El GBW fijó el límite de hasta qué frecuencia puede seguir una señal pequeña. Pero cuando la señal es grande, aparece otro muro. La siguiente unidad mira la velocidad de respuesta (slew rate), la máxima velocidad a la que la salida puede cambiar por unidad de tiempo, y el límite de voltaje, donde la salida no puede exceder los rieles de alimentación. El límite de señal pequeña y el de señal grande son caras distintas.