Análisis del amplificador operacional en la salida

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¿Por qué generalmente es una mala idea formular ecuaciones de voltaje de nodo para un circuito de amplificador operacional en la salida de amplificadores operacionales? ¿Esta idea solo se aplica en el modelo de amplificador operacional ideal?

Recuerdo que tiene que ver con la impedancia de salida cero idealizada de un amplificador operacional, y tal vez no entiendo las consecuencias de esto, pero ¿por qué esto confunde el análisis? Realmente me gustaría entender mejor lo que puedo y no puedo hacer cuando juego con diferentes diseños de red que utilizan amplificadores operacionales. A partir de ahora, cuando escribo una posible configuración de amplificador operacional, desconfío de mi diseño debido a esta ambigüedad en la que el análisis comienza a equivocarse. Un diseño de amplificador operacional en cascada es aún peor porque no sé por dónde empezar.

Supongo que la pregunta más importante es:

¿Qué tiene de especial la topología de la red de amplificadores operacionales y / o las relaciones de variables que pueden llevar a ecuaciones inconsistentes? Es decir, ¿qué debo tener en cuenta al formar ecuaciones relacionadas con un modelo de amplificador operacional dado (ideal)?

EDITAR: Me doy cuenta de que esta es una pregunta bastante amplia, así que agregué una foto / ejemplo de una situación en la que el análisis conduce a una contradicción. Este es el caso más simple de lo que estoy hablando. En general, encuentro que las ecuaciones formadas en una salida de amplificadores operacionales tienden a llevarme a respuestas incorrectas.
 Tengo un libro de texto de introducción para el análisis de circuitos que específicamente me dice que no formule ecuaciones de nodos en los nodos de salida de OP AMP, pero que no explique por qué. Me resulta difícil ganar confianza al trabajar con ecuaciones de amplificadores operacionales cuando una contradicción subyacente puede surgir de la nada.

EDIT2: Básicamente, tengo una fuente de voltaje en serie con \ $ R_ {in} \ $ (una resistencia inmediatamente antes del amplificador operacional) en una entrada ideal de no inversión de amplificadores operacionales y el amplificador operacional forma una ganancia unitaria seguidor (la salida está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional). Después de esto, hay una resistencia de carga que está en serie con el terminal negativo de la fuente de voltaje original. Aquí está el esquema:

La contracción proviene del hecho de que la corriente de entrada a la entrada que no se invierte al amplificador operacional es la misma corriente que corre a través de la resistencia de carga que sigue al amplificador operacional. La corriente de entrada ideal del amplificador operacional es cero y, sin embargo, la corriente a través de la resistencia de carga es distinta de cero (esto es una contradicción).

    
pregunta skyfire

3 respuestas

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Esto ya lo mencionó Russel, pero espero presentarlo de una manera diferente.

El principal problema aquí, me parece a mí, es que su libro (o la fuente de información que esté usando) perdió un punto importante: El voltaje entre las entradas invertidas y no invertidas de un amplificador operacional ideal siempre debe ser cero con esta y otras configuraciones similares . Si incluimos ese supuesto y echamos un vistazo al circuito, podemos obtener una respuesta lógica.

La salida de un amplificador operacional se modela como una fuente de voltaje controlada ideal. La impedancia de entrada es infinita y no fluye corriente hacia el amplificador operacional. Hasta ahora tan bueno. A continuación, sabemos que el voltaje entre las entradas es cero, por lo que sabemos que el voltaje con respecto a tierra y la entrada inversora es el mismo que el de la entrada no inversora. Esa tensión proviene de la fuente de tensión controlada ideal en la salida. A continuación, echemos un vistazo a la edición actual. Ya que tenemos una impedancia de entrada infinita, no fluye corriente hacia el amplificador operacional, entonces ¿de dónde viene la corriente de salida? Bien de la fuente de tensión controlada ideal en la salida.

Como dije, la fuente de voltaje es ideal, por lo que puede generar una corriente infinita, está controlada para que tenga su ganancia, la corriente se establece mediante una resistencia y no existe ninguna contradicción. En realidad, la corriente provendrá de los pines de la fuente de alimentación y estará limitada por la construcción del amplificador operacional, pero este es un modelo matemático. Así que echemos un vistazo a unas bonitas imágenes ahora:

La primera imagen puede parecer un poco drástica:

Hetachadoelamplificadoroperacionalapropósitoaquí.Meparecequelosárbolesestánobstruyendotuvistadelbosqueaquí.Sieliminamoselsímbolodelamplificadoroperacionalyobservamoscómodebemosmodelarloensulugar(observeel\$100\mbox{}G\Omega\$resistor):

Podemos ver claramente que la corriente proviene de la fuente de voltaje de un terminal que es la salida del amplificador operacional.

A continuación, mostraré una versión un poco más compleja del mismo circuito y explicaré cómo se degenera en lo que has mostrado:

Veamos lo que podemos ver aquí:

Tenemos el voltaje de entrada \ $ U_i \ $, el voltaje de salida \ $ U_o \ $ y las resistencias \ $ R_1 \ $ y \ $ R_2 \ $.

Ahora sabemos por nuestro modelo que el voltaje entre las entradas es cero, por lo que podemos escribir lo siguiente de forma segura: \ $ U_i-R_1I = 0 \ $, ya que la resistencia \ $ R_1 \ $ tiene un cortocircuito para invertir la entrada . De eso obtenemos el actual: \ $ I = \ frac {U_i} {R_1} \ $. La corriente solo puede provenir de la salida del amplificador operacional en este caso, por lo que sabemos que es la corriente que atraviesa la resistencia \ $ R_2 \ $ también. De ahí obtenemos la ecuación para el voltaje de salida del amplificador operacional: \ $ U_o-R_2I-U_i = 0 \ $ y después de eso: \ $ U_o = R_2 I + U_i = R_2 \ frac {U_i} {R_1} + U_i = U_i (\ frac {R_2} {R_1} +1) \ $. A partir de esto, tenemos \ $ \ frac {U_o} {U_i} = 1 + \ frac {R_2} {R_1} \ $. En el circuito que mostraste, los elementos equivalentes serían \ $ R_2 = 0 \ $ y \ $ R_1 = \ infty \ $. Como puede ver, la corriente de salida no es un problema con esta configuración y, nuevamente, no hay contradicción aquí.

Con los pocos supuestos que he mostrado y las pocas ecuaciones, puedes hacer circuitos básicos de amplificadores operacionales sin ningún problema. Le recomiendo que lea los libros que se pueden descargar libremente Amplifiers and Bits: An Introduction to Selecting Amplifiers for Data Converters páginas 6 y 7 y de Op Amps for Everyone Design Guide capítulo 3 (o al menos, eche un vistazo a las imágenes que se encuentran allí). Ambos libros (bueno, un libro y un informe de aplicación) son de Texas Instruments (un importante fabricante de amplificadores operacionales) y deberían aparecer en los motores de búsqueda más populares como primera respuesta.

    
respondido por el AndrejaKo
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Si el opamp es ideal, las entradas no consumen corriente. Si esta opamp ideal se configura como un seguidor de ganancia unitaria, y usted tiene una fuente de voltaje con una resistencia en serie conectada a la entrada no inversora, entonces la corriente a través de esa resistencia será cero. Aún suponiendo que el opamp es ideal, la corriente a través del resistor de carga será el voltaje aplicado dividido por el valor del resistor de carga.

Nuevamente, no hay entrada de corriente a la entrada que no se invierte con una opción ideal en la configuración que usted describe. La corriente a través de la resistencia de carga no proviene de la entrada, sino de la fuente de alimentación.

    
respondido por el Bitrex
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Si trabaja con el principio de que si obtiene contradicciones, significa que su conjunto de suposiciones es incorrecto o su comprensión es incorrecta, le permitirá trabajar para descubrir qué es lo que está mal.

Un amplificador operacional ideal tiene

  • Impedancia de entrada infinita

  • Impedancia de salida cero

  • Ganancia infinita

  • Puede producir un voltaje y una corriente infinitos y una potencia desde dentro de sí misma si es necesario.

Un opamp del mundo real se desvía de estos ideales de varias maneras y depende del fabricante decidir cuáles son esas desviaciones y del usuario entender cómo afectan el diseño en el que se utiliza.

Una consecuencia de la ganancia infinita y la impedancia de entrada cero es que cuando se conecta en una disposición de realimentación negativa (como aquí) tendrá un voltaje diferencial cero entre las entradas invertidas y no invertidas. Incluso cuando se utiliza un opamp del mundo real no ideal en un circuito con retroalimentación negativa, si puede medir CUALQUIER voltaje entre las entradas de inversión y no inversión con un medidor de banco típico, el opamp probablemente esté herido o muerto. El voltaje de compensación de entrada hará que esto sea un poco falso, pero generalmente solo un poco)

Reproducción: para emular una bobina Tesla de tamaño arbitrariamente grande, tome una pantalla ideal, conecte a tierra ambas entradas, encienda la alimentación y desconecte cualquiera de las entradas del suelo y tóquela con el dedo. Dependiendo de la resistencia de aislamiento del estuche ideal y de la PCB que esté encendida, puede morir o no, o puede quedar atrapado en una bola de plasma. Cosas peligrosas son estas opamps ideales.

    
respondido por el Russell McMahon

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