Amplificadores operacionales: ¿cómo saben si el suministro está dividido?

Regresemos a \ $ V_ \ text {out} = A_ \ text {OL} (V _ + - V _-) + (V_ \ text {SY} ^ + - V_ \ text {SY} ^ -) / 2 \ $ por un minuto. La ecuación se mantiene en ambos casos.

Suponiendo un suministro único de 5V, \ $ V_ + = 5V \ $, \ $ V_- = 0V \ $, y \ $ A_ {OL} = 10 ^ 5 \ $,

$$ V_ \ text {out} = 10 ^ 5 (5V-0V) + (5V-0V) / 2 $$

En este caso, la ganancia de bucle abierto domina y lleva la salida al riel positivo.

Suponiendo un suministro de +/- 5V, \ $ V_ + = 5V \ $, \ $ V_- = 0V \ $, y \ $ A_ {OL} = 10 ^ 5 \ $,

$$ V_ \ text {out} = 10 ^ 5 (5V-0V) + (5V-5V) / 2 $$

La ganancia de bucle abierto aún domina, y la salida va al riel.

La diferencia es que, en el caso de suministro único, 2.5V es el centro de los rieles de suministro, y en el caso de suministro dividido, 0V es el centro. No sabría nada diferente porque la ganancia de bucle abierto forzó la salida al riel positivo. Repitamos este proceso con el pin no inversor en \ $ 1 \ mu \ text V \ $.

$$ V_ \ text {out} = 10 ^ 5 (1 \ mu V-0V) + (5V-0V) / 2 = 3.5V $$

$$ V_ \ text {out} = 10 ^ 5 (1 \ mu V-0V) + (5V-5V) / 2 = 1V $$

La retroalimentación negativa es lo que le da control de la ganancia de bucle abierto. Estoy seguro de que estará en el siguiente video.

Reglas para la mayoría de los amplificadores operacionales: -

1. Por lo general, la salida puede llegar a un par de voltios de los rieles de alimentación y luego se limitará a menos que sea una operación de riel a riel (puede llegar a 50 mV)
2. Normalmente, las entradas no se pueden llevar dentro de un par de voltios de los rieles eléctricos, pero hay algunas excepciones notables.
3. Un amplificador operacional no tiene idea de que el suministro negativo al amplificador operacional no está conectado a tierra, si todas las entradas están por encima del suelo (pero menos que el riel + V como se indica arriba) y la salida (por negativo retroalimentación) se restringe a sí misma dentro de los rieles en el chip, entonces funciona bien.

Tu primera ecuación no es correcta. Debería ser idéntico a la segunda ecuación, suponiendo que el punto de polarización de la salida está realmente a mitad de camino entre las fuentes. (En la práctica, hay un pequeño desplazamiento de CC). Un amplificador operacional es un amplificador diferencial con una potencia alta. ganancia. No "sabe" a qué tipo de suministros está conectado, y de hecho no hay forma de saberlo. La elección del terreno es arbitraria. Si tiene suministros de +/- 12V con una entrada con referencia a tierra, es igualmente correcto decir que tiene un suministro de + 24V / 0V con una entrada con referencia a + 12V.

Agregar retroalimentación negativa es lo que realmente hace referencia a la tierra de salida a la tierra de la señal. Por ejemplo, considere un seguidor de voltaje:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

El amplificador operacional cambiará su salida para hacer que el voltaje de entrada inversor sea igual al voltaje de entrada no inversor (V1). Como V1 está referenciada a tierra, la tensión de salida también lo será. Esto es independiente de los voltajes de alimentación.

Por lo general, esto está bien con los suministros divididos, pero con un solo suministro, la salida no puede ir por debajo de cero voltios. Si tiene una señal de CA con referencia a tierra, eso es problemático. Por ejemplo, aquí hay un amplificador inversor:

^{simular este circuito}

Cuando V1 es negativo, el amplificador funciona como se espera. Pero cuando V1 es positivo, la salida se ejecuta en el riel 0V. La solución es agregar un offset negativo a la señal. Debido a que el amplificador operacional es un amplificador diferencial, es lo mismo que agregar un desplazamiento positivo a la entrada inversora. (Recuerde, la elección de a qué nodo llamar terreno es arbitrario! )

^{simular este circuito}

Este desplazamiento se denomina tierra virtual y generalmente es la mitad de su único voltaje de suministro.

Considere una gráfica de \ $ V _ + - V _- \ $ vs \ $ V_ {out} \ $ (referida a \ $ V_ {SY} ^ - \ $) para las dos ecuaciones dadas. El opamp no puede producir más de \ $ V_ {SY} ^ + \ $ o menos de \ $ V_ {SY} ^ - \ $, por supuesto.

Aquí puede ver que en la entrada de 0 V, la salida es 0 V relativa a \ $ V_ {SY} ^ - \ $. Por debajo de la entrada de 0 V, el opamp no puede producir menos de \ $ V_ {SY} ^ - \ $. El rango lineal es de 0V a \ $ \ frac {V_ {SY} ^ +} {A_ {OL}} \ $.

Para la segunda ecuación, puede ver la salida (referida a \ $ V_ {SY} ^ - \ $) a 0V, la entrada es 2.5V o \ $ V_ {SY} ^ + / 2 \ $. El rango lineal es de \ $ - \ frac {V_ {SY} ^ +} {2A_ {OL}} \ $ a \ $ + \ frac {V_ {SY} ^ +} {2A_ { OL}} \ $.

Esta es la ecuación que se usa realmente, tanto para los circuitos de suministro individual como para los de suministro dividido. El rango lineal es donde el opamp 'funciona', y el lugar más natural para definir sus propiedades es en el centro, no en el borde donde está a punto de dejar de funcionar.

Ahora, los opamps reales tienen un voltaje de compensación de entrada \ $ V_ {OS} \ $ que domina esta preocupación. Una ecuación que lo incorpore sería \ $ V_ {out} = A_ {OL} (V_ {OS} + V _ + - V_-) + V_ {SY} ^ + / 2 \ $. Observe cómo la compensación de entrada se multiplica por la ganancia de bucle abierto. Un opamp barato como el LM324 tendría un voltaje de compensación de entrada distribuido al azar entre, por ejemplo, -5mV y 5mV, y una ganancia de bucle abierto de 100k, haciendo que esta ecuación sea algo así como \ $ V_ {out} = A_ {OL} (V _ + - V_ -) - 500V + V_ {SY} ^ + / 2 \ $! 500V es mucho más grande que \ $ V_ {SY} ^ + / 2 \ $. Gráficamente, se ve así: