¿Cómo entender la ganancia en bucle abierto de un amplificador operacional?

  

• ¿Cómo se mide esta ganancia de bucle abierto? ¿Usamos algún tipo de especial?   medidor de voltaje para medir el voltaje a través de la salida y la tierra?   Pero si es así, no es en absoluto de bucle abierto. Es una especie de dilema. O yo   ¿Se descarrila del camino correcto del pensamiento de Ingeniería Eléctrica?

La medición de la ganancia de bucle abierto es (en principio) sencilla. Usted aplica un voltaje de entrada muy pequeño y mide la salida En general, esto es lo mejor hecho usando una señal de CA de baja frecuencia, para permitir distinguir la ganancia del desplazamiento. Y si bien es sencillo, no es lo mismo que fácil. El blindaje contra la captación de ruido, especialmente la radiación de la línea de alimentación de 50/60 Hz, puede ser un desafío.

  

• ¿Cuál es el punto de la ganancia de bucle abierto si la tensión de salida real   nunca puede ser tan alto?

La respuesta es simplemente que la red de retroalimentación actúa para mantener la diferencia de voltaje EN LA ENTRADA DE AMP OP muy pequeña, generalmente en el rango de microvoltios a milivoltios. Si nos fijamos en un simple circuito inversor de inversión, por ejemplo,

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

si el amplificador operacional tiene una ganancia de bucle abierto de 1 millón, ya que la salida es de -10 voltios, la diferencia de voltaje en la entrada será de aproximadamente 10 uV. De hecho, es el voltaje de entrada muy pequeño lo que permite que una fórmula de ganancia aproximada $$ G = - \ frac {R2} {R1} $$ sea útil de manera correcta, ya que la entrada puede considerarse que se mantiene en el suelo. Suponiendo que una alta impedancia de entrada proporcione corrientes idénticas en las resistencias, y la Ley de Ohm proporciona las tensiones a través de las resistencias.

Pero el meollo del asunto es que un amplificador operacional que funcione correctamente, de hecho, no verá más de unos pocos milivoltios en sus entradas, o menos si la ganancia de bucle abierto es muy grande. En su ejemplo de 1 voltio en un amplificador operacional, la salida se atascará en algún lugar cerca de uno de los voltajes de la fuente de alimentación, y el término para esto es "salida saturada". Esto es realmente muy útil cuando se hacen comparadores, pero no tanto para amplificadores lineales.

En ingeniería electrónica a menudo simplificamos nuestro razonamiento para el análisis de "pequeña señal" cuando consideramos que nuestro circuito tiene un comportamiento lineal, lo que significa que podemos sumar intensidades de señal y, por lo tanto, también multiplicarlas con valores fijos. El comportamiento para una señal de 1V es similar al comportamiento para una señal de 1mV, solo necesitamos dividir entre 5000.

Claro, hay limitaciones "no lineales", una de ellas es la alimentación de voltaje. Por lo tanto, no se puede tener una salida de señal de 5000V. Sin embargo, como sabemos que la salida es de 5000 V para 1 V en el "caso ideal", entonces sabemos que la salida es de 2,5 V para 0,5 mV, lo que puede ser un caso realista.

¿Cómo se mide esta ganancia en bucle abierto?

Primero se determina a través de la simulación. La señal diferencial de entrada muy pequeña se puede comparar fácilmente con la señal de salida. Así que este es un tipo de medidor de voltaje, incluso si es virtual. Estoy seguro de que también hay configuraciones prácticas para verificarlo, pero no puedo recordarlas. A veces, el método de medición se menciona en la especificación OPAMP.

El circuito no tiene que estar en bucle abierto para determinar la ganancia del bucle abierto. La ganancia de bucle abierto está presente, incluso si el bucle está cerrado. Podemos encontrar la ganancia del OPAMP comparando su nivel de salida con la diferencia en sus entradas.

También queremos saber la ganancia de bucle abierto en diferentes frecuencias y esto se representa a menudo a través de los diagramas que encontramos en un gráfico de Bode que representa la ganancia con frecuencia y el cambio de fase con frecuencia.

¿Cuál es el punto de la ganancia de bucle abierto si la tensión de salida real nunca puede ser tan alta?

Como se indicó, consideramos esto en una configuración "ideal" y realmente queremos que esto sea cierto para voltajes "reales".

Rail

El origen de esta palabra es seguramente histórico. Al comienzo de la electrónica, no había ninguna placa de circuito impreso. De hecho, tengo algunas radios donde las lámparas electrónicas están interconectadas con cables que van directamente de un punto a otro en el espacio 3D de la radio. Como mejora, se agregaron algunos "rieles" donde se podría realizar la interconexión con la GND (tensión de referencia). Esto seguramente también se repitió con el poder regulado. Mi instalación eléctrica actual todavía tiene rieles para las conexiones a tierra, P y N. Así que los rieles representaban "tierra" y "potencia". Seguimos llamándolos así. También es una forma práctica de imaginar la tierra y la potencia como dos carriles que "limitan" la señal o son los límites de la operación normal del circuito. Al dibujar un esquema, incluso podemos comenzar por dibujar el suelo y la línea eléctrica como líneas horizontales y conectar nuestro circuito a ellas según sea necesario.

Piensa en esto de una manera razonable. Obviamente, el opamp no puede generar 5000 voltios cuando está conectado a una fuente de alimentación de voltaje más pequeño. Digamos que el opamp está conectado a suministros de + 5V y -5V. En el caso de un opamp ideal, esto limita la salida a no ser más de + 5V y no menos de -5V. En el mundo real, el opamp puede acercarse a esto en el caso de los tipos de salida de riel a riel y para algunos otros tipos podría estar dentro de cada voltaje de riel en 1.5V (+ 3.5V a -3.5V en este ejemplo).

Entonces, al pensar en la ganancia de bucle abierto, considere este rango de salida en el pensamiento. Descarte la idea de tener una diferencia de 1 V en la entrada y considere, en cambio, una diferencia de 0.5 mV (0.0005 V). En ese caso, con una ganancia de bucle abierto de 5000, la salida estaría en el rango alcanzable a 2.5V (o -2.5V si se cambia la polaridad de la diferencia de entrada).

Deje que la ganancia de bucle abierto sea A (s) y considere lo siguiente para un seguidor de fuente,

Sabemos que la función de transferencia de bucle cerrado H (S) sería H (S) = A (s) / (1+ K * A (s)). Para un seguidor de la fuente, k, que es el parámetro de bucle cerrado que es 1, la fórmula se convierte en H (S) = A (s) / (1+ A (s)) y sabemos que la salida debe seguir la entrada tan cerca como posible en la configuración del seguidor de la fuente. Lo que significa que la ganancia de este sistema es 1.

En la ecuación mencionada anteriormente, esto solo es posible si la A (S) es lo más grande posible. Entonces, para obtener respuestas precisas en el modo de retroalimentación, la ganancia de bucle abierto debe ser lo más grande posible.

Para su primera pregunta sobre cómo se mide la ganancia de bucle abierto, cuando tiene un modo de seguidor de fuente, su salida no es exactamente la misma que la entrada, ya que tiene ligeras variaciones. Esta variación se debe a que H (S) no es idealmente igual a 1 sino a algún otro valor porque si ve en la ecuación por encima de la ganancia de bucle cerrado es 1 solo si la ganancia de bucle abierto es infinita. Por lo tanto, esta variación en la ganancia de bucle cerrado se puede ver en el osciloscopio con la señal de salida no siendo la misma que la entrada y la ganancia de bucle abierto podría estimarse a partir de esto.

El modelo más simple que nos enseñan a entender cómo usar amplificadores operacionales es decir que 'el amplificador operacional conduce su salida a cualquier voltaje que sea necesario para que los terminales de entrada alcancen el mismo voltaje a través de los componentes de realimentación'. Y es un modelo bastante bueno.

Para que el modelo funcione bien, necesitamos que la tensión de entrada sea "casi cero" en todas las condiciones. Esto se logra al tener la ganancia de bucle abierto "muy grande".

Esto da una pista de una forma en que podría medirse, al menos conceptualmente. Organiza el amplificador operacional como un búfer de ganancia unitaria. Establezca la tensión de entrada (y, por lo tanto, mediante la acción óptica de la tensión de salida) a V1, y mida la diferencia de tensión entre las entradas, llámela d1. Haz lo mismo para V2. La ganancia de bucle abierto es ahora (V2-V1) / (d2-d1). Es posible que necesite un medidor bastante bueno para medir d.

"¿Cómo se mide esta ganancia de bucle abierto?"

"¿Cuál es el punto de la ganancia de bucle abierto si el voltaje de salida real nunca puede ser tan alto?"

En cuanto a cada amplificador, la ganancia de bucle abierto se mide como la relación de voltaje de salida a entrada. Sin embargo, debido al alto valor de ganancia, algunas consideraciones especiales (difíciles) son necesarias (compensación de compensación de CC o realimentación de frecuencia muy baja). Más que eso, para la mayoría de las operaciones, la ganancia de bucle abierto comienza a reducirse para frecuencias muy bajas (50 ... 100 Hz). Por lo tanto, la ganancia dependiente de la frecuencia es de gran interés (magnitud y fase). Por supuesto, siempre es necesario permanecer dentro del rango de amplificación lineal del amplificador (niveles de entrada lo suficientemente bajos).

En cuanto a su segunda pregunta (que no entiendo completamente): Cada amplificador tiene un límite superior para el voltaje de salida. Si la tensión de salida es recortada (rieles de alimentación), la tensión de entrada debe reducirse de manera correspondiente - suena lógico, ¿no es así?

EDIT/UPDATE

Creo que, hasta ahora, no recibió una respuesta a su pregunta "¿Cómo se mide la ganancia en bucle abierto?". Bueno, aquí les doy un conjunto de pruebas, que fue utilizado por mis alumnos con éxito para este propósito.

Tenga en cuenta el divisor de voltaje en la entrada. Así que hay que agregar 40 dB a la ganancia medida. La ruta de realimentación mostrada proporciona retroalimentación de CC para permitir un punto de CC operacional dentro del rango de amplificación lineal del opamp. La tensión de salida de CC (punto de funcionamiento) será la aplicación. Voff * 1E3.

Sin embargo, debido al condensador de realimentación, la medición de ganancia será correcta por encima de la frecuencia de la esquina de la aplicación. 5 Hz (que será la ganancia para DC también). Para frecuencias más altas prácticamente no tenemos retroalimentación (medición en lazo abierto). Para todas las mediciones, es mejor usar un medidor de fase de ganancia (eventualmente, con un condensador de acoplamiento de salida). Observe la forma correcta de la señal de salida (sinusal) debido a la velocidad de giro limitada del amplificador.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}