¿Cómo un amplificador operacional alcanza el equilibrio?

Perdón por la respuesta larga:

Para responder a su pregunta, es útil analizar lo que puede ocurrir después de encender las fuentes de alimentación +/- Vs = + / - 10V. Más que eso, tiene que aplicar retroalimentación negativa (netork resistivo entre el nodo de salida y la entrada de inversión). (La secuencia oportuna descrita puede ser algo "formalista", sin embargo, ayuda a entender el concepto de retroalimentación).

Ejemplo : Etapa de ganancia no inversora con ganancia deseada de "+2". Eso significa: Factor de realimentación k = 0.5 usando un divisor de voltaje con dos resistencias iguales Ganancia de bucle abierto (suposición): Aol = 1E4.

1.) t = 0: se aplica a una tensión de entrada Vin = 1V. El opamp todavía no está funcionando en su rango lineal (la retroalimentación aún no está activa debido a las constantes de tiempo dentro del circuito) y la salida saltará inmediatamente a Vs = + 10V.

2.) t > 0: el voltaje en el terminal inversor aumentará a 0.5Vs = 5V > Vin = 1V. Por lo tanto, el voltaje en este terminal inversor domina (es más grande) y el voltaje de salida cambiará en la dirección a menos 10V.

3.) Sin embargo, en su camino a -10V, la tensión de salida está cruzando un valor positivo que produce en el terminal inversor una tensión de retroalimentación de + 0.99980004V.

4.) En este mismo momento (suponiendo una ganancia de bucle abierto Aol = 1E4), el opamp se encuentra en su región de amplificación lineal debido a la diferencia. el voltaje es Vdiff = Vin-0.99980004 = 1-0.99980004 = 0.00019996V. Como resultado, el voltaje de salida es Vout = Vdiff * Aol = 0.00019996 * 1E4 = 1.9996001V.

5.) Este es un equilibrio estable porque: la fórmula de retroalimentación clásica para un valor finito de Aol también da el voltaje de salida Vout = Vin * [1E4 / (1 + 0.5E4)] = 1.9996001 V.

6.) Eso significa: Tenemos un equilibrio porque la tensión de salida tiene un valor que cumple exactamente la condición Vout = Vdiff * Aol. Cualquier voltaje de salida mayor / menor causa una pequeña reducción / aumento para Vdiff, corrigiendo así esta desviación del equilibrio.

7.) En este ejemplo, la diferencia de voltaje de entrada, por supuesto, NO es cero. Nunca será cero - sin embargo, la diferencia. el voltaje es tan pequeño (en nuestro caso, la aplicación 0.2mV) que en muchos casos se puede ignorar (se supone que es cero para los cálculos).

No, ni siquiera cerca.

Piense en las entradas como una señal de error que siempre es 0V con retroalimentación negativa porque la ganancia extremadamente alta obliga a la salida a compensar la entrada para crear esa tensión diferencial cero o "tierra virtual", como se le llama.

Que converge a cero Error de voltaje (más una pequeña especificación de compensación de entrada) de acuerdo con el tiempo de subida t = 0.35 / f donde f = GBW (ganancia de ancho de banda) / ganancia. Ese tiempo de aumento también es la función de la capacidad de carga de su límite de corriente para un voltaje de entrada de paso brusco, que debe considerarse en [pF] a una tasa de cambio V / us donde dV / dt = Imax / C

más información

Existe un límite de velocidad de giro interno para crear este producto de ancho de banda de ganancia que también reduce las cascadas RC de frecuencia de transistores de múltiples etapas de un circuito de alto orden a un primer filtro de paso bajo simple como una ganancia de 1 millón a 10 Hz y luego una Ganancia de bucle abierto de 1 a 10Mhz para GBW = 10Mhz

Por qué

Esto se mide por el margen de fase (o el error de fase de ganancia de la unidad) y, a menudo, es necesario dar un poco más de ancho de banda o una tendencia a ofrecer un poco más de ganancia mientras se compromete el margen de la fase de 90 grados hasta 60 grados o menos con un segundo Sistema de pedidos que tiene algún rebasamiento.

Por lo tanto, la especificación de margen de fase de ganancia unitaria se utiliza para determinar la cantidad de rebasamiento o de las especificaciones de la hoja de datos real. Un verdadero bucle de 1er orden nunca se ha excedido, pero luego será un poco más lento para responder. Un amplificador de baja ganancia responderá más rápido y una ganancia alta más lenta debido a este límite de compensación interno que lo hace más estable al sobrepasar.

Pero independientemente de que el error de entrada se amplifica, siempre converge rápidamente a cero, a menos que agregue "retroalimentación positiva", entonces se desvía como un disparador de Schmitt o un comparador con histéresis.

añadido

Para mostrar cómo un amplificador operacional típico responde a un voltaje de entrada de paso grande con limitación de velocidad de giro y entrada de paso pequeño con una carga capacitiva que reduce el margen de fase, lo que a su vez produce un sobreimpulso.

Note que la respuesta de paso de señal grande es 10us debido al límite de corriente y, a la derecha, una respuesta de paso pequeño con una carga de C tiene un tiempo de respuesta de t = 0.35 / GBW donde GBW = 1MHz y el paso hacia abajo de 1 a 1.35 us o un tiempo de respuesta de 0.35us es correcto. Pero el tiempo de establecimiento es de aproximadamente 3 ciclos a 1MHz (la ganancia de BW @ unity) o 3 us, lo que también es consistente.

En ambos casos, el error de convergencia o asentamiento con una ganancia unitaria (x1) y una ganancia de bucle abierto de 10 ^ 6 es de 1 uV por voltio de entrada. ¿Por qué? Debido a que GBW = 1e6 (1MHz), gane, Av = 1, entonces Error = 1 / GBW * Av = 1e-6

Si Gain era 1K, el error aumentaría a 1e-3 o 0.1%

que está cerca de cero para el trabajo del gobierno ...;)

¿Qué tan cerca de "cero" se asentará esa opamp? El cero está limitado por el ruido VDD y el ruido interno. Permite calcular / estimar el ruido interno interno.

Suponga que Rnoise en el opamp es 1Kohm, DC plano a una alta frecuencia. Eso produce 4 nanoVoltsRMS por Hertz de ancho de banda. Estos bits aleatorios de energía provienen de los electrones que se agitan alrededor de las resistencias y los canales de transistores y las uniones de transistores.

Suponga que el ancho de banda es de 1MegaHertz. Esto produce 1,000,000 bandejas de frecuencia, que combinamos por RSS con las 1,000,000 bandejas. Una forma más sencilla de escalar 4nanoVoltsRMS por sqrt (intervalo de frecuencia) o 4nV * sqrt (1,000,000) o 4nV * 1,000.

Por lo tanto, el ruido referido de entrada es 4nV * 1,000 o 4 microVolts.

Tu "cero" es realmente 4 microVoltsRMS.