Seguidor de voltaje de precisión

PIEZAS Y MATERIALES

• Se recomienda un amplificador operacional, modelo 1458 o 353 (catálogo de Radio Shack # 276-038 y 900-6298, respectivamente)
• Tres baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (catálogo de Radio Shack n. ° 271-1715)

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionales"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para ilustrar cómo usar un amplificador operacional como seguidor de voltaje
• Para ilustrar el propósito de los comentarios negativos
• Para ilustrar alguna estrategia de solución de problemas.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

En el experimento de amplificador operacional anterior, el amplificador se usó en " bucle abierto " modo; es decir, sin ningún comentario de salida a entrada. Como tal, la ganancia de voltaje total del amplificador operacional estaba disponible, lo que resultaba en la saturación del voltaje de salida para prácticamente cualquier cantidad de voltaje diferencial aplicado entre los dos terminales de entrada. Esto es bueno si deseamos una operación de comparación, pero si queremos que el amplificador operacional se comporte como un verdadero amplificador , lo necesitamos para exhibir una ganancia de voltaje manejable.

Dado que no tenemos el lujo de desmontar los circuitos integrados del amplificador operacional y cambiar los valores de la resistencia para obtener una ganancia de voltaje menor, estamos limitados a las conexiones y componentes externos. En realidad, esto no es una desventaja como podría pensarse, porque la combinación de una ganancia de voltaje de lazo abierto extremadamente alta junto con la retroalimentación nos permite usar el amplificador operacional para una variedad mucho más amplia de propósitos, mucho más fácil que si tuviéramos que hacer ejercicio. la opción de modificar sus circuitos internos.

Piense, porque la combinación de una ganancia de voltaje de lazo abierto extremadamente alta junto con la retroalimentación nos permite usar el amplificador operacional para una variedad mucho más amplia de propósitos, mucho más fácil que si tuviéramos que ejercitar la opción de modificar sus circuitos internos.

Si conectamos la salida de un amplificador operacional a su entrada inversora (-), el voltaje de salida buscará el nivel necesario para equilibrar el voltaje de la entrada inversora con el aplicado a la entrada no inversora (+). Si esta conexión de retroalimentación es directa, como en un trozo de cable recto, el voltaje de salida "seguirá" con precisión el voltaje de entrada no inversora.

A diferencia del seguidor de voltaje circuito hecho de un solo transistor (consulte el capítulo 5:Circuitos semiconductores discretos), que se aproxima al voltaje de entrada dentro de varias décimas de voltio, este circuito seguidor de voltaje generará un voltaje con una precisión de microvoltios del voltaje de entrada.

Mida el voltaje de entrada de este circuito con un voltímetro conectado entre el terminal de entrada no inversora (+) del amplificador operacional y la tierra del circuito (el lado negativo de la fuente de alimentación), y el voltaje de salida entre el terminal de salida del amplificador operacional y la tierra del circuito. Observe que el voltaje de salida del amplificador operacional sigue el voltaje de entrada mientras ajusta el potenciómetro en su rango.

Puede medir directamente la diferencia o error , entre los voltajes de entrada y salida conectando el voltímetro entre los dos terminales de entrada del amplificador operacional. En la mayor parte del rango del potenciómetro, este voltaje de error debería ser casi cero.

Intente mover el potenciómetro a una de sus posiciones extremas, en sentido horario o antihorario. Mida el voltaje de error o compare el voltaje de salida con el voltaje de entrada. ¿Notas algo inusual? Si está utilizando el amplificador operacional modelo 1458 o modelo 353 para este experimento, debe medir un voltaje de error sustancial o la diferencia entre la salida y la entrada.

Muchos amplificadores operacionales, incluidos los modelos especificados, no pueden "oscilar" su voltaje de salida exactamente a la fuente de alimentación completa (" carril ”) Niveles de voltaje. En este caso, los voltajes del “carril” son +18 voltios y 0 voltios, respectivamente. Debido a las limitaciones en los circuitos internos del 1458, su voltaje de salida no puede alcanzar exactamente estos límites altos y bajos. Puede encontrar que solo puede ir dentro de uno o dos voltios de la fuente de alimentación " rieles ”.

Ésta es una limitación muy importante de comprender al diseñar circuitos que utilizan amplificadores operacionales. Si está completo " riel a riel ”Se requiere una oscilación del voltaje de salida en el diseño de un circuito, se pueden seleccionar otros modelos de amplificador operacional que ofrezcan esta capacidad. El modelo 3130 es uno de esos amplificadores operacionales.

Los circuitos seguidores de voltaje de precisión son útiles si la señal de voltaje que se va a amplificar no puede tolerar la " carga ”; es decir, si tiene una alta impedancia de fuente. Dado que un seguidor de voltaje por definición tiene una ganancia de voltaje de 1, su propósito no tiene nada que ver con amplificar el voltaje, sino más bien con amplificar la capacidad de una señal para entregar corriente a una carga.

Los circuitos seguidores de voltaje tienen otro uso importante para los constructores de circuitos:permiten una prueba lineal simple de un amplificador operacional. Una de las técnicas de resolución de problemas que recomiendo es simplificar y reconstruir . Suponga que está construyendo un circuito usando uno o más amplificadores operacionales para realizar alguna función avanzada.

Si uno de esos amplificadores operacionales parece estar causando un problema y sospecha que puede estar defectuoso, intente volver a conectarlo como un seguidor de voltaje simple y vea si funciona en esa capacidad. Un amplificador operacional que no funciona como seguidor de voltaje ciertamente no funcionará como algo más complejo.

SIMULACIÓN DE COMPUTADORA

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (haga un archivo de texto que contenga el siguiente texto, literalmente):

 Seguidor de voltaje vinput 1 0 rbogus 1 0 1meg e1 2 0 1 2 999meg rload 2 0 10k .dc vinput 5 5 1 .print dc v (1,0) v (2,0) v (1,2). fin 

Se puede simular un amplificador operacional ideal en SPICE usando una fuente de voltaje dependiente ( e1 en la lista de redes). Los nodos de salida se especifican primero ( 2 0 ), luego los dos nodos de entrada, primero la entrada no inversora ( 1 2 ). La ganancia de bucle abierto se especifica en último lugar ( 999meg ) en la línea de fuente de voltaje dependiente.

Debido a que SPICE considera que la impedancia de entrada de una fuente dependiente es infinita, se debe incluir una cantidad finita de resistencia para evitar un error de análisis. Este es el propósito de R _falso :para proporcionar una ruta de CC a tierra para la _entrada V Fuente de voltaje. Estas resistencias "falsas" deberían ser arbitrariamente grandes. En esta simulación, elegí 1 MΩ para un R _falso valor.

Se incluye una resistencia de carga en el circuito por la misma razón:para proporcionar una ruta de CC para la corriente en la salida de la fuente de voltaje dependiente. Como puede ver, ¡a SPICE no le gustan los circuitos abiertos!

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de circuitos OpAmp de retroalimentación positiva