Caracterizar la ganancia bruta del amplificador operacional

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Pensé que como primer ejercicio en amplificadores operacionales, incluso antes de configurar un circuito de retroalimentación, determinaría la ganancia del amplificador operacional en bruto.

Probé con un LM324 y un LM358 que deberían ser esencialmente iguales. Supongo que las corrientes de entrada son muy pequeñas, creo que cuando eché un vistazo a la hoja de datos era nA. Así que utilicé una fuente de alimentación de 4 AA con 6v (no baterías nuevas). Para obtener una señal de entrada, creé un divisor de voltaje de una resistencia 1M y 1K (V0). Puedo medir .0056mV con el medidor. Luego puse un segundo divisor de 1M y 1k en el 1k (etiquetado V1), que debería dar aproximadamente 5.5 uV aunque no puedo medir eso.

Para el LM324, el pin 2 es V-, el pin 3 es V +, y el pin 1 es Vout. Si configuro los pines 2 y 3 a 0 V, esencialmente sale 0 (algo de ruido pequeño como se esperaba). Si configuro pin3 a Vcc, sale 4.8v (aproximadamente 1.2v drop a través del amplificador).

Pero cuando coloco el pin 3 en el divisor de voltaje de la primera etapa, 5.6mV, el voltaje de salida es máximo, pero me doy cuenta de que el voltaje de entrada cambia un poco. Ese que no grabé, ver más abajo para más. Preocupante, considerando que esencialmente no debería haber ningún efecto desde el amplificador operacional. Peor aún, una vez que puse la señal de 5.5uA, esperaba ver algo así como una ganancia de 850,000 o 900,000. Juro que hice esto antes, y había planeado un laboratorio para ello. Pero ahora no puedo conseguir esto repetidamente. Cuando volví a intentarlo, esta vez reemplazando R3 y R4 por 100k cada uno, V1 cambió de 2.9mV a 3.2mV. No veo cómo podría suceder eso.

Intenté nuevamente con el modo de retroalimentación positiva, puedo obtener una ganancia de 101 usando una resistencia de 100k y 1k. Usé 1M y 1k, y luego a través del 1k, un segundo divisor de voltaje con dos 100k. Nuevamente, el voltaje V1 es de 2.9mV, pero cuando está enchufado en el lado + del amplificador operacional, cambia, solo a 3.2mV, pero no hubiera pensado que hubiera ningún cambio.

Me gustaría saber si simplemente estoy usando el amplificador operacional fuera del rango en el que se comporta bien, si debería funcionar, en cuyo caso trataré de volver a verificar mi fuente de alimentación, mi cableado. El voltaje sigue siendo 6v, y el LM324N debería ser bueno a 3V, así que no puedo creer que sea la potencia. Toda esta experiencia me hace dudar de mi cordura.

    
pregunta Dov

5 respuestas

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Está intentando usar el "opamp fuera del rango que se comporta bien". Usado el bucle abierto como este se convierte en un comparador improvisado.

Opamps están destinados a ser utilizados siempre en bucle cerrado. La ganancia de bucle abierto es bastante variable, por lo que no se puede confiar en ella, el único requisito real es que sea lo más grande posible (idealmente infinito). Cuando se cierra el bucle, la gran ganancia hace que la ganancia (bucle cerrado) sea muy precisa y el bucle abierto La variabilidad (generalmente) no hace casi ninguna diferencia.

En teoría, con un opamp ideal, lo que está intentando funcionaría bien, pero en los opamps reales, tiene pequeños desajustes, lo que causa cosas como el voltaje de compensación de entrada que, por sí solo, hará que este experimento falle.

Si miramos la página 3 de la hoja de datos , vemos el desplazamiento típico El voltaje para el LM324 es de 2 mV, hasta un máximo de 7 mV (3 mV para el LM324A). Esto inundará su pequeña señal de entrada y causará que la salida haga casi cualquier cosa, probablemente se sature. También hay una corriente de compensación, ruido externo y otros parámetros no ideales que son variables con la temperatura que causarán problemas aquí.
Para ver un ejemplo de cuán variable es la ganancia de bucle abierto, aquí hay un gráfico de la ganancia de bucle abierto sobre la tensión de alimentación:

Podemos ver a 5 V, la ganancia de bucle abierto es de alrededor de 100dB (100,000) en comparación con 120dB (1,000,000) a 15V. Este es un factor de 10 diferencia. También podemos ver que varía considerablemente con la carga.

    
respondido por el Oli Glaser
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Realmente necesitas leer la hoja de datos . Cada opamp es diferente y tiene sus propias arrugas. No puedes usar un opamp sin saber lo que esa parte en particular puede y no puede hacer.

El LM324 está especificado para un voltaje de compensación de 3 mV. Cuando le dio un desplazamiento de 5,6 mV, se fijó en un extremo como se esperaba. Cuando le dio solo unos pocos µV del segundo divisor, la diferencia entre las entradas estaba muy por debajo de la tensión de compensación máxima, por lo que el resultado es impredecible y puede variar de una parte a otra, a través de la temperatura, la tensión de alimentación, la fase de la luna, De nuevo, obtuviste lo que se esperaba ya que cualquier voltaje de salida hubiera sido válido.

    
respondido por el Olin Lathrop
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Los amplificadores operacionales y, de hecho, la mayoría de los circuitos (para indicar lo obvio) están diseñados para funcionar en el modo para el que fueron diseñados. Entre las diversas posibles violaciones:

  • rango de entrada: la entrada de inversión está atada al suelo, lo que el dispositivo puede manejar, pero no puede estar atado al otro riel.

  • Está destinado a ser operado con retroalimentación, es decir. La polarización y la operación suponen un flujo de corriente a través de la entrada diferencial. Atar una entrada a tierra y girar la otra entrada significa que el circuito interno se está quedando fuera de especificaciones. o el flujo de la señal está dañado.

para probar esto correctamente, debe sesgar un riel intermedio de entrada y luego desviar la otra entrada al mismo punto y luego cambiar el sesgo ligeramente para ver la ganancia de bucle abierto. Sería mejor inyectar una señal para que pueda barrer con frecuencia. Al hacer esto, mantienes el amplificador operacional "cerca" de operar de la forma en que fue diseñado (es decir, una base virtual).

Habrá ciertos diseños de amplificador operacional que pueden manejar esto y otros que no pueden.

Lo que realmente has ganado es la idea de que no todos los amplificadores operacionales pueden funcionar como comparadores y, por lo tanto, puedes concluir que los diseños de los amplificadores operacionales y los comparadores son muy diferentes internamente.

    
respondido por el placeholder
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Creo que tienes que recortar el offset de entrada primero y ten cuidado con la resistencia de carga y los efectos V + en la ganancia.

Consulte Analog Devices

    
respondido por el Tony EE rocketscientist
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Los comentarios anteriores son correctos, ya que los amplificadores operacionales están diseñados para usarse dentro de rangos específicos bien definidos de retroalimentación. Esto no significa que no funcionarán si se usan fuera de esos parámetros conocidos ... solo que debe experimentar y definir su propio conjunto de parámetros operativos para su dispositivo específico si lo usa de una manera no anticipada por el diseñador original. Para aquellos que pueden vivir con un ancho de banda bajo resultante a cambio de una mayor ganancia, puede permitirse ejecutar amplificadores operacionales sin retroalimentación negativa. Esta es una situación en la que los tradicionalistas advierten contra trabajar fuera de las especificaciones tradicionales, pero al hacerlo pueden dar resultados interesantes y útiles.

    
respondido por el Arv

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