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E3 · op-amp

Velocidad de respuesta: la rapidez que la salida no alcanza

El GBW era el límite de las señales pequeñas. Cuando la señal es grande, aparece otra pared. Subes tú mismo la frecuencia de entrada y ves el límite de la velocidad de respuesta (slew rate): la salida no puede cambiar más rápido que una velocidad fija y la senoide se deforma en una onda triangular.

Sube la frecuencia y la salida pierde la senoide

La curva tenue es la senoide de entrada y la curva dorada gruesa es la salida. Al subir la frecuencia de entrada, también se empina la pendiente que exige la senoide. Mientras es lenta, la salida sigue la senoide tal cual, pero cuando se vuelve rápida la salida solo puede subir y bajar a una velocidad máxima fija, así que la senoide se deforma en una onda triangular. El múltiplo del indicador es esa pendiente exigida expresada en veces el slew rate.

Frecuencia de entrada f> f_slew
Pendiente exigida y velocidad de respuesta
2πfA = 2.7 × SR
slew-limited
La frecuencia es alta, así que la pendiente que exige la senoide supera con mucho el slew rate. La salida solo sube y baja por rampas rectas y se ha vuelto una onda triangular; además, como tiene que dar la vuelta antes de llegar a los picos, su amplitud también es menor que la de la entrada.
Limitado por slew · triángulo

La salida no puede cambiar más rápido que una velocidad fija

Dentro de un amplificador operacional hay un condensador de compensación que evita las oscilaciones, y para que cambie la tensión de salida hay que cargar o descargar ese condensador. Pero la corriente interna que hace ese trabajo tiene un tope. La rapidez con que cambia la tensión de un condensador es la corriente dividida entre la capacidad, así que queda fijada la máxima rapidez con que puede cambiar la salida por unidad de tiempo. Eso es la velocidad de respuesta o slew rate, que suele escribirse en voltios por microsegundo. En fórmula, SR = Imax / C.

Demasiado rápido y la senoide se vuelve triángulo

Una senoide es más empinada en el instante en que pasa por 0, y esa pendiente es proporcional al producto de la amplitud y la frecuencia. Cuando una amplitud grande o una frecuencia alta llevan esta pendiente por encima del slew rate, la salida no puede seguir la curva de la senoide y solo sube y baja por rampas rectas de ±slew rate. Por eso la senoide de salida se deforma en una onda triangular. Este efecto solo aparece con señales grandes. A la misma frecuencia, una amplitud pequeña exige una pendiente pequeña y se sigue sin problema, así que la causa es distinta del límite de GBW de señal pequeña. Por eso las hojas de datos llaman ancho de banda a plena potencia a la frecuencia más alta a la que se puede sacar una senoide de amplitud máxima sin distorsión.

Y el límite de tensión: recorte en los rieles

Las señales grandes tienen, además de una pared de velocidad, una pared de altura. Por mucho que se empuje, la salida no puede pasar de los rieles de alimentación. Si aumentas la amplitud hasta que los picos tocan la alimentación positiva o la negativa, lo que queda más allá se recorta en plano; ese es el límite de tensión de salida, o recorte en los rieles. Muchos amplificadores operacionales ya recortan un poco antes de los rieles, y existen dispositivos con salida rail-to-rail fabricados para llegar casi hasta ellos. En resumen, las señales grandes de un amplificador operacional encuentran dos paredes: el slew rate, que limita la rapidez de cambio por unidad de tiempo, y los rieles de alimentación, que limitan la altura de la amplitud. Si se suma el GBW de señal pequeña, quedan dibujados todos los límites de lo que puede hacer un amplificador operacional real.

ObservaSR = Imax / C
El slew rate es la corriente interna máxima dividida entre la capacidad de compensación.
Eligeslope = 2π f ?
La pendiente máxima de una senoide es el producto de 2π, la frecuencia y la amplitud.
Completa2π f A < ?
Esta pendiente debe ser menor que el slew rate para que la salida siga con limpieza.
Por tu cuentafmax = SR / (2π ?)
Cuanto mayor es la amplitud, menor es la frecuencia que se puede sacar sin distorsión.

De vuelta a la primera pantalla

Con la frecuencia baja, la salida seguía la senoide de entrada sin fallo. Al subir la frecuencia, la pendiente que exigía la senoide se hizo más empinada y, a partir de cierto punto, la salida ya no pudo seguirla: solo subía y bajaba por rampas rectas hasta volverse una onda triangular. La frontera era si la pendiente máxima de la senoide superaba el slew rate, y pasada esa frontera hasta la amplitud de salida se redujo. Es una pared de velocidad que solo aparece con señales de gran amplitud, un límite distinto del GBW de señal pequeña. Si se añade la pared de altura, por la que la salida no puede cruzar los rieles de alimentación, aparece el verdadero rostro del amplificador operacional, escondido tras el ideal de ganancia infinita.

Si el GBW (E2) es el límite de señal pequeña, las señales grandes tienen otra pared. La velocidad de respuesta SR = Imax/C es la máxima rapidez con que puede cambiar la salida por unidad de tiempo. Cuando la entrada exige una pendiente más empinada que SR (para una senoide, 2πfA), la salida no puede seguir la senoide y sube y baja en rectas a ±SR, de modo que la senoide se deforma en una onda triangular (distorsión por slew). Además, la salida no puede cruzar los rieles de alimentación, así que una amplitud grande se recorta. La velocidad de respuesta (rapidez máxima) y los rieles (amplitud máxima) son los límites de señal grande del amplificador operacional.

Lo que sigue

Ya hemos visto el ideal y los límites del amplificador operacional. La última unidad de op-amp combina este dispositivo con resistencias y condensadores para construir circuitos útiles. Si se une la forma en que la impedancia de un condensador cambia con la frecuencia a la gran ganancia del amplificador operacional, se obtiene un filtro activo que deja pasar solo la banda de frecuencias deseada y atenúa el resto. Es una herramienta para separar de una señal solo la parte que hace falta.