Explicación paso a paso de cómo el seguidor de voltaje alcanza un estado estable utilizando retroalimentación negativa

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¡Sólo un minuto! No estoy tratando de entender qué comentarios negativos hace eventualmente , o por qué debería usarse. Estoy tratando de entender cómo el circuito alcanza un estado estable, y cómo, paso a paso, la retroalimentación negativa hace que Vout sea lo mismo que Vin. Esto no se ha abordado adecuadamente en otras respuestas.

Supongamosqueelamplificadoroperacionaltieneunagananciade10,000,unsuministrode15V,yVinesde5V.

Segúnmientendimiento,asíescomofunciona:

  1. \$V_{in}\$es5V,porloque\$V_{out}\$deberíaser50,000V.Sinembargo,estálimitadoa15Vporlafuentedealimentacióndelamplificadoroperacional.
  2. \$V_{out}\$seaplicanuevamentea\$V_-\$,peroserestade\$V_{in}\$debidoaqueescomentariosnegativos
  3. Porlotanto,elvoltajedeentradadiferencialahoraes5V-15V=-10V
  4. Estoseamplificaa-15Vconelamplificadoroperacional(debidoalasaturación)
  5. Ahoraseaplica-15Va\$V_{in}\$atravésdecomentariosnegativos,peroseagregaa5V,debidoaldoblenegativo
  6. Asíqueahoralaentradadiferenciales20V,y\$V_{out}\$es15V(debidoalasaturación)
  7. Parecequecadavezqueelamplificadoroperacionalalcanzalasaturación,simplementeinviertelasalida

Obviamentehehechoalgomalaquí.Lasalidanuncaseestabilizaráa5Vdeestamanera.¿Cómofuncionarealmente?

Debidoalasexcelentesrespuestas,yo(creoque)heentendidoelfuncionamientodelaretroalimentaciónnegativa.Segúnmientendimiento,asíescomofunciona:

Porsimplicidad,digamosquelaentradaesunpasoperfectopara5V(delocontrario,lasalidaseguiríalaentradatransitoria,haciendoquetodosea'continuo'ydifícildeexplicarenpasos).

  1. Alprincipio,laentradaesde5V,yenestemomentolasalidaestáen0V,y0Vseestádevolviendoa\$V_{in}\$
  2. Asíqueahoraelvoltajediferencial\$(V_+-V_-)\$es5V.Debidoaquelagananciadelamplificadoroperacionalesde10,000,querráproducirunasalidade50,000V(prácticamentelimitadaporlatensióndealimentación),porloquelasalidacomenzaráaaumentarrápidamente.
  3. Consideremoselmomentoenelqueestasalidaalcanza1V.
  4. Enestemomento,laretroalimentacióntambiénseráde1V,yelvoltajediferencialhabrácaídoa4V.Ahora,elvoltaje'objetivo'delamplificadoroperacionalseráde40,000V(debidoalagananciade10,000,ynuevamente,limitadoa15Vporlafuentedealimentación).Porlotanto,V_outseguiráaumentandorápidamente.
  5. Consideremoselmomentoenelqueestasalidaalcanzalos4V.
  6. Ahoralaretroalimentacióntambiénseráde4V,ylatensióndiferencialHabrácaídoa1V.Ahoraelop-amp'target'es10,000V(limitadoa15Vporelsuministro).Porlotanto,\$V_{out}\$seguiráaumentando.

Elpatrónemergentees:laentradadiferencialcausaunaumentoenV_out,loquecausaunaumentoenelvoltajederetroalimentación,loquecausaunadisminuciónenlaentradadiferencial,loquedisminuyelatensióndesalidadel"objetivo" del amplificador operacional. Este ciclo es continuo, lo que significa que podemos dividirlo en intervalos aún más cortos para la investigación. De todos modos:

  1. Consideremos el momento en el que esta salida alcanza 4.9995V. En este momento, la respuesta es 4.9995V, por lo que el voltaje diferencial caerá a 0.0005V \ $ (V_ {in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V) \ $. Ahora el objetivo del op-amp es \ $ 0.0005V * 10,000 = 5V \ $.

Sin embargo , si el amplificador operacional alcanza 4.9998V, ahora el voltaje diferencial será solo de 0.0002V. Por lo tanto, la salida del amplificador operacional debería disminuir a 2V. ¿Por qué no sucede esto?

Creo que finalmente he entendido el proceso:

La salida del amplificador operacional no puede alcanzar 4.9998V. Porque tan pronto como \ $ V_ {out} \ $ aumente por encima de 4.9995V, la retroalimentación también aumentará, lo que hará que la entrada diferencial disminuya, lo que hará que la salida del op-amp vuelva a 4.9995V.

Y si la salida del amplificador operacional disminuye por debajo de 4.9995V, la retroalimentación disminuirá, lo que provocará un aumento de la tensión diferencial, lo que hará que la salida del amplificador operacional vuelva a 4.9995V.

Los dos últimos puntos son la esencia de la retroalimentación negativa. \ $ V_ {out} \ $ se ha estabilizado lo más cerca posible a \ $ V_ {in} \ $. Si la ganancia fuera mayor, la diferencia en \ $ V_ {out} \ $ y \ $ V_ {in} \ $ sería menor. Si la ganancia alcanza el infinito, entonces el voltaje de salida es exactamente igual al voltaje de entrada, y debido a que la retroalimentación es exactamente igual a \ $ V_ {in} \ $, habría 0 voltaje diferencial y se crearía una conexión a tierra virtual entre las dos entradas .

    
pregunta Hassaan

6 respuestas

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"Vin es 5V, por lo que Vout debería ser 50,000V".

¿Por qué? El OpAmp amplifica la diferencia entre las entradas + y -, no solo el valor en la entrada +

Bien, puede comenzar con: la salida está a 0 V, y la entrada (conectada a la entrada +) es 5 V. Lo que has hecho es aplicar un paso de 5V a la entrada.

Ahora lo que sucede es que el OpAmp comienza a aumentar el voltaje en la salida. No puede hacer esto a la vez, por lo que aumentará 'lentamente' (para un valor bastante rápido de lento, que tiene un nombre técnico en el mundo de OpAmp: la velocidad de giro, que es una característica importante de un OpAmp real). Cuando alcanza los 5 V, se retroalimenta a la entrada negativa, momento en el cual compensa los 5 V en la entrada +, por lo que el OpAmp ya no intenta aumentar su nivel de salida. (Para ser realmente precisos: esto sucede un poco antes, cuando la diferencia es de 5V / 10k).

Dependiendo de las características de temporización, la salida podría establecerse 'lentamente' a 5V, o sobrepasar los 5V, caer por debajo de 5V, etc. (oscilar hacia 5V). Si el circuito está mal diseñado, la oscilación podría aumentar (y nunca terminar).

    
respondido por el Wouter van Ooijen
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Interpretación más básica:

Esta es mi forma intuitiva de entender un circuito de amplificador operacional dado por personificación. Imagina a un pequeño amigo dentro del amplificador operacional. El pequeño tío tiene una pantalla que indica la diferencia en los voltajes entre las entradas + y -. El pequeño tio también tiene un pomo. El mando ajusta la tensión de salida, en algún lugar entre los rieles de tensión.

Elobjetivodenuestropequeñoamigoeshacerqueladiferenciaentrelosdosvoltajesseacero.Girarálaperillahastaqueencuentreelvoltajeenlasalidaque,segúnelcircuitoqueseconectóaél,produceunadiferenciaceroensupantalla.

Porlotanto,enpasos"secuenciales":

  1. La entrada al circuito de búfer está a 5V. Supongamos que la perilla de salida está inicialmente en 0V.
  2. Dado que la entrada está conectada directamente a la salida en la configuración del búfer, la diferencia que se encuentra en la pantalla del pequeño amigo es de 5V. Él no está contento con eso.
  3. El pequeño amigo comienza a girar la perilla para aumentar la salida de voltaje. Se sigue acercando más y más.
  4. Finalmente, cuando ve 0V en la pantalla, deja de cambiar la perilla. La salida ahora será a 5V.

Dentro de un amplificador operacional ideal:

En realidad no es un tipo pequeño dentro de un amplificador operacional: ¡es matemático! Aquí hay una representación de lo que estamos tratando de implementar en un amplificador operacional:

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Esto logrará lo que el pequeño tío estaba tratando de lograr con algunas limitaciones:

  • El pequeño tío podría averiguar en qué dirección girar el pomo, pero esto no. Tenemos que conectarlo para que al aumentar la salida disminuya la diferencia.
  • Habrá un pequeño error si la "Mucha ganancia" no es realmente infinita.
  • Tenemos que considerar cuidadosamente si el circuito será estable. Hay bastante información sobre este tema .

Un amplificador operacional real:

Aquí es cómo se ve un amplificador operacional real (el 741) en el interior:

Estostransistoresimplementanlarepresentaciónmatemáticaanterior.

Esimportantetenerencuentaquehayunagrancantidaddeproblemasprácticosquedebenabordarsecuandoseutilizaunamplificadoroperacionalreal.Paranombraralgunos:

  • Corrientesdesesgo
  • ruido
  • Voltajedeentradaenmodocomún
  • Salidadecorriente
  • Tensionesdealimentación
  • Disipacióndepoder
  • Comportamientodinámicoyestabilidad

Peroentodosloscircuitosdeamplificadoresoperacionales,mimentesiemprecomienzaconlaexplicacióndel"pequeño amigo" para tener una idea de lo que está pasando. Luego, si es necesario, extiendo esto con análisis matemático. Finalmente, también si es necesario, aplico conocimientos prácticos de lo que se necesita para cumplir con los requisitos de las aplicaciones.

    
respondido por el Houston Fortney
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Un opAmp funciona en tiempo continuo y no en tiempo discreto. Esto significa que ninguna acción puede ocurrir instantáneamente y las acciones no ocurren en pasos. Incluso si se voltea un interruptor para conectar un voltaje al pin +, todavía hay un tiempo de aumento transitorio en la entrada y la salida se sigue continuamente. Esto es muy comúnmente descrito como acción opAmp. Un modelo de especia es solo eso, un modelo. El modelo no incorpora ni puede incorporar todos los matices que se encuentran en el opAmp. Si desea estudiar los efectos transitorios de un opAmp, entonces compre uno y mírelo con un osciloscopio. Esa es la única forma en que podrás estudiar los efectos.

    
respondido por el vini_i
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En el mundo real, los amplificadores operacionales tienen una velocidad de giro limitada. Para algunos tipos de amplificadores operacionales, la velocidad de giro puede ser muy rápida, pero nunca es tan instantánea. Cuando la entrada "+" del amplificador operacional es mayor, la salida aumentará muy rápidamente hasta que alcance el riel positivo o la entrada "+" ya no sea más alta que la entrada "-". Cuando la entrada "-" es más alta, la salida caerá muy rápidamente hasta que alcance el riel negativo o la entrada "-" ya no sea más alta que la entrada "+".

En la mayoría de los circuitos diseñados apropiadamente que usan amplificadores operacionales, los aspectos del comportamiento del circuito necesarios para cumplir con los requisitos deben satisfacerse igualmente para un rango significativo de velocidades de giro de salida. En el caso del seguidor de voltaje, por ejemplo, la velocidad de respuesta agregará un breve retraso entre el tiempo que cambia la entrada y el tiempo en que la salida alcanza el mismo valor, pero no afectará el valor alcanzado por la salida.

    
respondido por el supercat
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En realidad, el fenómeno que usted describe solía ser un problema real, ya en la Edad Media (los años 70). La venerable hoja de datos LM310 Voltage Follower contiene la sugerencia de aplicación (parte inferior de la página 2) que recomienda una resistencia de entrada de 10k ohmios para mantener la estabilidad.

También tenga en cuenta que su argumento se puede aplicar a cualquier circuito de amplificador operacional, y tratar con su objeción requiere considerar la respuesta de frecuencia del amplificador, que es mucho más de lo que puedo cubrir. Basta con decir que, por un lado, la salida no cambia instantáneamente (la tasa de variación limitada mencionada por otros respondedores, y por otro lado se tiene en cuenta cómo los circuitos internos responden a los cambios también.

Lo que realmente sucede ha sido descrito por otros: la salida responde para llevar a cero la diferencia entre las dos entradas, y si el circuito está correctamente diseñado, eventualmente permanecerá allí. Pero solo para mostrarle que el tema es complicado, tenga en cuenta que si reduce la velocidad de la salida demasiado (poniendo un condensador a tierra en la salida), también puede hacer que el amplificador oscile.

Lo siento, no puedo dar más detalles, pero está bastante claro que necesitas muchos más antecedentes antes de que pueda intentar explicarlo.

    
respondido por el WhatRoughBeast
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La respuesta general es que la salida del opamp se desplazará a cualquier voltaje que sea necesario para que las entradas no inversoras (+) e inversoras (-) estén en el mismo voltaje. En consecuencia, si la entrada + se establece en, por ejemplo, 5 voltios, la salida servirá a 5 voltios, de modo que la entrada estará a 5 voltios, asumiendo que los rieles del opamp permitirán que eso suceda.

Sin embargo, en realidad, la salida nunca se establece realmente y siempre está serviendo por encima y por debajo del voltaje en la entrada +.

¿Cuánto depende de la ganancia y el ancho de banda del opamp y del circuito externo, pero esa es una pregunta completamente diferente?

    
respondido por el EM Fields

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