¿Las entradas del amplificador operacional son intercambiables?

Cuando enseño técnicas introductorias de análisis de amplificadores operacionales, enfatizo lo siguiente para empezar:

(1) Compruebe la presencia de retroalimentación negativa. Esto significa que la salida del amplificador operacional está conectada a través de alguna red a la entrada de inversión del op-amp.

(2) Si hay retroalimentación negativa, asuma que los voltajes de entrada inversos y no inversores son iguales (¡no cero!).

En el caso de que haya retroalimentación negativa, la salida del op-amp (ideal) será lo que sea necesario para hacer que el voltaje de entrada inversor sea igual al voltaje de entrada no inversor .

Para ver esto, suponga que la tensión de entrada no inversora se genera ligeramente (infinitamente) más que la tensión de entrada inversora. Esto debería hacer que la salida más sea positiva, lo que actuará para aumentar el voltaje de entrada inversor, restaurando así la igualdad de los voltajes de entrada.

¿Pero qué pasa si intercambiamos las entradas? En lugar de la entrada inversora, la salida está conectada a la entrada no inversora. Esto se llama retroalimentación positiva.

Ahora, como antes, suponga que la tensión de entrada no inversora se hace ligeramente (infinitamente) más que la tensión de entrada inversora. Como antes, esto debería hacer que la salida más sea positiva, pero ahora, esto hará que la entrada no inversora sea aún más positiva que la entrada inversora . La igualdad de los voltajes de entrada no se restaurará, de hecho, el voltaje de entrada y el voltaje de salida que no se invierten se "agotarán": una salida real de amplificador operacional alcanzará su nivel máximo y se quedará allí.

Entonces, a pesar del hecho de que existe una solución matemática con voltajes de entrada iguales en el caso de que haya una respuesta positiva, la solución no es físicamente relevante ya que es inestable - cualquier perturbación hará que el circuito se aleje de la solución, en lugar de retroceder.

No, no puedes voltear las entradas + y - de un operador y aún esperar que el circuito funcione.

Piensa al respecto. Dibuje un circuito que use un opamp, luego gire las dos entradas y analice el circuito nuevamente. No va a funcionar igual que el circuito original.

La salida del amplificador operacional REAL es G * (V + - V-). "G", aquí, es la ganancia interna del amplificador operacional, y es muy alta. De hecho, cuando asumimos que G es infinito, y que la corriente cero puede ingresar a los terminales de entrada (ambos son APROXIMADAMENTE verdaderos), las cosas hermosas comienzan a suceder siempre que el amplificador operacional esté en una configuración de COMENTARIOS NEGATIVOS. ¿Que tipo de cosas? Bueno, por un lado, ambos terminales de entrada deben terminar con voltajes casi idénticos. ¿Por qué? Bueno, si la diferencia entre V + y V- es mayor que infinitimal, cuando la multiplicas por G infinita, la salida debe saturarse.

Por lo tanto, derivamos algunas reglas encantadoras que determinan el comportamiento ideal del amplificador operacional, y luego olvidamos cuáles son las suposiciones. En pocas palabras, hay una clara diferencia entre los dos terminales de entrada, pero las "reglas" que encontramos para describir el comportamiento del amplificador operacional le permiten olvidar esta diferencia, para que tenga un efecto negativo.

La forma abreviada de analizar un circuito de amplificador operacional (lineal) es asumir que las entradas de inversión y no de inversión tienen el mismo potencial. Eso supone que se ha cableado correctamente (y que la ganancia es esencialmente infinita).

Podría pensar que la salida está en la parte inferior de un valle escarpado; cualquier cambio en la salida se multiplica por la ganancia de bucle abierto para (en su mayoría) corregir el error.

Imagina un amplificador inversor con una ganancia de bucle cerrado de -1. Cambie los terminales de entrada, y todo parece estar bien, al menos con entrada cero, ambas entradas están en cero y la salida está en cero, pero en realidad está equilibrada en el filo de la cuchilla y cualquier cambio leve en la salida provoca un cambio en la entrada, que se multiplica por la ganancia de bucle abierto *, hace que la salida se mueva mucho más en la misma dirección hasta que toque los rieles (se sature).

* generalmente en el rango de 120dB (\ $ 10 ^ 6 \ $) para un buen amplificador operacional.

Otras respuestas han tocado cómo funciona un amplificador operacional, pero puede que no esté claro por qué el circuito simulado funciona como lo hace. Un par de observaciones clave para comenzar:

1. Si un amplificador operacional está cableado usando componentes infinitamente rápidos, de modo que la diferencia de potencial ( + menos - ) en las dos entradas en algún momento en el tiempo es una función de disminución uniforme de la salida que cruza cero en algún punto, entonces ese punto representará un estado de equilibrio único para el amplificador operacional

2. Los amplificadores operacionales generalmente están cableados de tal manera.

Muchos simuladores de circuitos modelan el comportamiento de ciertos componentes ideales haciendo una predicción sobre lo que podrían hacer sus salidas, viendo cómo el comportamiento predicho se retroalimenta a las entradas y haciendo nuevas predicciones para la salida, viendo cómo se retroalimenta a la entrada, etc. Si el circuito que se simula tiene solo un estado de equilibrio, y si las conjeturas repetidas convergen en una solución, la calidad de la conjetura inicial puede afectar la tasa de convergencia (y por lo tanto la velocidad de simulación), pero ganó No afecte a la corrección. Lo que a veces puede suceder con un amplificador operacional mal conectado es que el simulador intentará predecir el comportamiento de salida que dejaría el circuito lo más cerca posible del equilibrio, observe que el circuito está en equilibrio. y decide que es feliz. El simulador no notará que el "equilibrio" es un equilibrio inestable en lugar de uno estable.

Este comportamiento es contrario a la forma en que se comportan los amplificadores operacionales del mundo real, pero en realidad es no inconsistente con el comportamiento de un amplificador operacional ideal. Un amplificador operacional ideal cuyas entradas están al mismo potencial puede tener cualquier voltaje arbitrario en la salida. Si la ganancia de bucle del amplificador operacional está programada para ser positiva, pero hay un posible voltaje de salida en el que las entradas se equilibrarían, entonces el amplificador operacional debe emitir un inifinito positivo (o un riel, para un amplificador operacional "sujetado" ideal ) voltaje, un voltaje infinito (o riel) negativo, o el voltaje que alcanzaría el equilibrio. Nada en la especificación de un amplificador operacional ideal favorecería uno de esos comportamientos sobre otro; El tercer comportamiento tendría en el mundo real probabilidad cero, pero en el mundo ideal está entre las cosas que "podrían" suceder.

Un amplificador operacional producirá una salida positiva si la entrada '+' es más positiva que la entrada '-'.

Y producirá una salida positiva si la entrada '-' es más positiva que la entrada '+'.

En todos los circuitos donde decimos que los pines '+' y '-' están en el mismo potencial, como:

Pienseenloquesucederíasielterminal'-'notuvieraelmismopotencialque'+'

CuandoaplicaunvoltajepositivoaVin,elvoltajeenlaentrada'-'aumenta,porloqueelVoutdebesermásnegativo.Nopuedeseguiryendomásymásnegativo,sinembargo,yaqueenalgúnmomentoVoutcomenzaríaatirardelnegativo"-" que haría que Vout subiera nuevamente. Por lo tanto, los comentarios hacen que la salida varíe hasta el punto en que estos efectos se cancelan.

En la práctica, el voltaje en '+' y '-' no puede ser exactamente el mismo porque el amplificador tiene ganancia y es esta la ganancia y la diferencia de potencial entre '+' y '-' que establece la salida. Pero como un op-amp típico tiene una ganancia muy alta, la diferencia entre '+' y '-' es pequeña y puede ignorarse.

Ahora, como ejercicio de pensamiento, intercambie '+' y '-' y haga que Vin sea ligeramente positivo. Esto hace que la entrada '+' sea más positiva que '-', lo que hace que Vout se vuelva más positivo, lo que hace que '+' sea aún más positivo. .. el amplificador termina saturado y Vout está muy cerca de la tensión de alimentación positiva.