¿Cómo sabe un amplificador operacional dónde está el suelo?

¿Cómo sabe algo dónde está el suelo? La tierra es solo un símbolo que pegamos en el esquema para que sea más fácil de leer. Ninguno de los componentes en un circuito normal lee el esquema, por lo que ninguno de ellos sabe dónde está el suelo.

En el caso del amplificador operacional B, el voltaje de salida será el voltaje máximo que puede emitir el amplificador operacional (limitado por los rieles de suministro), o el mínimo, dependiendo de la polaridad de la fuente de voltaje en la entrada .

Y al construir un circuito así en la práctica, tendría un problema: no hay una ruta desde la fuente de voltaje en la entrada a cualquier otra cosa. Como tales, los valores reales allí serán definidos por la corriente de polarización de entrada del op-amp y otros comportamientos no ideales, de modo que lo que obtendrá es algo extraño que es principalmente una función de los detalles de ese op-amp en particular.

Probablemente le resulte más fácil pensar que los amplificadores operacionales no amplifican la diferencia entre sus terminales. En la práctica, los amplificadores operacionales generalmente funcionan con retroalimentación negativa: cuando no lo son, suelen llamarse comparadores. Entonces, el amplificador operacional intenta ajustar el voltaje de salida de manera que las dos entradas sean iguales, y para el amplificador operacional ideal con ganancia infinita, este es exactamente el caso: las entradas siempre estarán en el mismo potencial.

Las corrientes de polarización de entrada se comportan como se indica a continuación, donde I1 e I2 son las corrientes de polarización de entrada respectivas e I2-I1 es la corriente de compensación de entrada.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

El amplificador operacional solo funcionará correctamente si las entradas están dentro de un rango de modo común dado (con respecto a Vcc y Vee). Eso podría estar muy cerca de los suministros o podría estar a uno o dos voltios de uno o ambos suministros.

Como puede ver en su ejemplo de la mano derecha, no hay ruta para I1 + I2, por lo que las entradas se acercarán rápidamente al riel de suministro (en cuyo punto las fuentes de corriente dejan de ser más o menos ideales).

Es posible que algunos amplificadores operacionales bajo ciertas condiciones puedan pasar a una especie de trabajo, pero no es algo en lo que debas confiar. Siempre proporcione una ruta de CC para las entradas tanto de inversión como de no inversión. El ejemplo anterior proporciona una ruta solo para la corriente de desplazamiento (I2-I1). La corriente total de sesgo (I1 + I2) no tiene ruta.

En cuanto a qué sería exactamente la salida, se puede considerar como Av v_d (Vcc + Vee) / 2, aunque el voltaje de compensación de la op. amp veces la ganancia suele ser suficiente para saturar la salida en cualquiera de los rieles, por lo que el sumador del riel intermedio (Vcc + Vee) / 2 es algo arbitrario. Esperemos que tenga sentido para usted.

Un amplificador operacional no tiene idea de dónde está el terreno.

Los amplificadores operacionales son amplificadores diferenciales. Amplifican la diferencia entre las dos entradas e (idealmente) ignoran cualquier voltaje de modo común. No hay diferencia entre los dos circuitos en tu diagrama. Ninguna salida de op-amp está referenciada a tierra. El punto de polarización de salida probablemente se encuentre cerca de la mitad entre los dos suministros. Puede medir el intento de medirlo acortando las entradas, pero también tendrá que lidiar con la tensión y la corriente de polarización de entrada. Probablemente no valga la pena.

Afortunadamente, no tiene que preocuparse por el punto de polarización de salida o el voltaje de referencia "real", porque no importan para ninguno de los usos comunes de un amplificador operacional. Si está utilizando el amplificador operacional como un comparador, desea que la salida sea lo más positiva posible o lo más negativa posible, incluso para un voltaje diferencial pequeño. Si está utilizando el amplificador operacional en un circuito lineal, utiliza retroalimentación negativa, lo que hace que la salida sea referenciada a la entrada positiva.

Los amplificadores operacionales físicos reales no son amplificadores diferenciales perfectos, por lo que en la vida real, el voltaje en modo común tiene un pequeño efecto en la salida. Como dice la respuesta de Phil, la construcción del amplificador operacional también es importante. Pero no creo que sea importante para lo que estás preguntando. Los amplificadores operacionales no están diseñados para hacer lo que tu circuito está tratando de hacer que hagan.

Vea el siguiente dibujo elemental de las partes internas del opamp:

Lostransistoresdeentradanecesitansucorrientebase,¡ambos!Lacorrientesueleserinferiora1uA.Elopampdeterminaporsímismocuántotoma,perodebeestardisponibleyparaambasentradasdebedirigirsehaciaelinteriordeltransistor.Siconecta"algo" solo entre las entradas + y -, entonces las corrientes no pueden ser simultáneas hacia los transistores porque ese "algo" debería crear una nueva carga eléctrica. Es la ley de Kirchoff.

En los circuitos opamp prácticos, el camino para la corriente base de entrada (= corriente de polarización) es una parte conductora entre la entrada y el riel de voltaje de alimentación o la GND. En este caso (vea las flechas en los emisores de transistores de entrada) el riel de suministro -VE es imposible como proveedor de corriente de entrada en la dirección correcta, pero el riel + VE está bien y también GND si se eleva por encima del potencial de -VE agregando una batería betveen -VE y GND o por un proveedor que está conectado a + VE.

Las entradas de Fet no son mejores. Sin una conexión galvánica a otro lugar que no sea el "algo" entre las entradas, pronto pasarán a un estado indeterminado debido a la fuga acumulada en las puertas de las redes.

En primer lugar, tierra es el punto elegido arbitrariamente en el que hace referencia a todos los voltajes en el circuito. En las configuraciones de circuitos simples más comunes, la tierra se elige como el terminal negativo de la fuente de alimentación única o como el punto medio de una fuente simétrica, que es (como se señaló) la forma en que se espera que los amplificadores operacionales estén alimentados (al menos cuando tratar con circuitos "estándar" que se encuentran a menudo en la literatura básica).

Así que estás desconcertado porque el modelo de amplificador operacional habitual tiene una entrada diferencial, pero su salida se refiere a tierra, de ahí la pregunta: ¿cómo sabe el amplificador operacional dónde está la tierra? Simplemente no sabe, adivina .

¿Qué quiero decir? El circuito interno del amplificador operacional se construye de tal manera que, idealmente, con una entrada diferencial cero, la salida se ubicaría en un punto a medio camino entre las fuentes de alimentación del amplificador operacional.

Si los suministros son simétricos (digamos & pm; 15V), ese punto simplemente es tierra (0V) , pero solo si eliges tierra como el punto medio entre suministros (escenario más común).

En el otro lado, si alimenta el amplificador operacional con una sola fuente de alimentación, digamos 15V, la salida se ubicará a 7.5V.

Por supuesto, este es un comportamiento ideal, ya que las corrientes de polarización, el voltaje de compensación y el rango del modo común influirán en el dispositivo real.

Vea también este extracto de Op Amps Applications Handbook, por Walt Jung , de Analog Devices , capítulo 1 , p.5 (énfasis amarillo mío):

Esto se aclara con cierta información en .

No, y si no conecta a tierra uno de los terminales, no se puede determinar el voltaje de salida. ¿Por qué? debido a la entrada de polarización actual. Los opamps no son perfectos, requieren una pequeña cantidad de corriente. La corriente de polarización de entrada puede variar de un dispositivo a otro en cada terminal.

Si la corriente de polarización de entrada es lo suficientemente pequeña y la impedancia de entrada es lo suficientemente alta, otras corrientes pueden determinar cuál es el voltaje en los terminales.

Si está realizando algún tipo de detección, necesita conectar a tierra un lado de los terminales.

Un termopar es como una fuente de voltaje, pero si no hace referencia a tierra, podría estar flotando en cualquier lugar. En el ejemplo (a), el voltaje entre los terminales es el voltaje del termopar (y de la fuente de voltaje) pero el voltaje común a ambos terminales podría ser 0V, 1V, -2.3V prácticamente en cualquier lugar.

Como no hay comentarios negativos, la salida será:

Vo = + Vcc (si V + > V-, como en los diagramas que proporcionó) Vo = -Vee (si V + < V-, como si invirtió la polaridad de entrada Vd)

Considerándolos como amplificadores operacionales ideales (e independientemente del tipo de suministro que usaría, si es simple o dual), es independiente de Vcc y Vee. Pero el problema es que el sistema no necesita una "conexión a tierra" para funcionar porque simplemente hace su trabajo con la diferencia de voltaje entre ambos.

Hace algunos meses tuve que construir una "flor robot" sensible a la luz que apuntaba a la fuente de luz más fuerte. Usó cuatro LDR: un par para mirar hacia arriba / hacia abajo y un par para girar horizontalmente. Cada LDR se conectó a una fuente de corriente y dio su diferencia potencial a un amplificador sumador.

Uno de los problemas que tuve que enfrentar, fue que el op-amp era uno de los tipos de suministro dual (TL084). Necesitaba +/- 9V como fuente, y solo podía tener una batería. Así que utilicé una fuente de conmutación inversora ICL7660 (que convierten + 9V en -9V); pero el problema era que la corriente de entrada era tal que el voltaje de salida se redujo (o aumentó) a -6V. Y mientras alimentaba el amplificador sumador con 9V y -6V, el circuito no pudo encontrar su tierra correctamente y tuvo que crearse un offset. Ver: en ese caso, el terreno debería haber sido "(9V + (-6V)) / 2 = 1.5 V" ... no cero (de hecho, dicho desplazamiento fue de alrededor de 1.5 V)

Pero eso se debe a que este circuito necesitaba una base común para comparar su salida con las entradas, como es el objetivo del proceso de retroalimentación negativa en sí mismo ... y esa base común debería ser el punto medio entre los dos nodos de suministro de energía. En el caso de su circuito, solo actúa como un comparador, por lo que la salida es de solo 9V o -6V, dependiendo de la polaridad de la fuente Vd.

Lo siento si mi respuesta fue demasiado larga! Es solo que es bueno compartir diferentes experiencias que quizás puedan ayudar a otros ... De hecho; ¡Esta es mi primera publicación! Espero que haya ayudado!