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Si conectamos la salida de un amplificador operacional a su entrada inversora y aplicamos una señal de voltaje a la entrada no inversora, encontramos que el voltaje de salida del amplificador operacional sigue de cerca ese voltaje de entrada (me he olvidado de consumir la potencia suministro, cables + V / -V y símbolo de tierra para simplificar):

Como V _en aumenta, V _out aumentará de acuerdo con la ganancia diferencial. Sin embargo, como V _out aumenta, ese voltaje de salida se retroalimenta a la entrada inversora, actuando así para disminuir el diferencial de voltaje entre las entradas, que actúa para reducir la salida. Lo que sucederá para cualquier entrada de voltaje dada es que el amplificador operacional generará un voltaje muy casi igual a V _en , pero lo suficientemente bajo para que quede suficiente diferencia de voltaje entre V _in y la entrada (-) que se amplificará para generar el voltaje de salida.

El circuito alcanzará rápidamente un punto de estabilidad (conocido como equilibrio en física), donde el voltaje de salida es la cantidad justa para mantener la cantidad correcta de diferencial. Tomar el voltaje de salida del amplificador operacional y acoplarlo a la entrada inversora es una técnica conocida como retroalimentación negativa , y es la clave para tener un sistema autoestabilizador (esto es cierto no solo para los amplificadores operacionales, sino para cualquier sistema dinámico en general). Esta estabilidad le da al amplificador operacional la capacidad de trabajar en su modo lineal (activo), en lugar de estar simplemente saturado completamente "encendido" o "apagado" como estaba cuando se usaba como comparador, sin retroalimentación en absoluto.

Debido a que la ganancia del amplificador operacional es tan alta, el voltaje en la entrada inversora se puede mantener casi igual a V _in . Podemos escribir una ecuación que relacione el voltaje de salida con el voltaje de entrada y la ganancia, G :

$$ V_ {out} =G · (V_ {in} - V_ {out}) $$

Luego, resolviendo el voltaje de salida, obtenemos lo siguiente:

$$ V_ {out} =\ frac {V_ {in}} {1 + (\ frac {1} {G})} $$

Digamos que nuestro amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje diferencial de 200,000 y V _in es igual a 6 V, podemos calcular el voltaje de salida usando nuestra ecuación:

$$ V_ {out} =\ frac {6} {1 + (\ frac {1} {20,000})} =5.999700015 V $$

Esto crea suficiente voltaje diferencial (6 V - 5,99997000015 V =29,99985 µV) para hacer que se manifiesten 5,99997000015 voltios en el terminal de salida, y el sistema se mantiene allí en equilibrio. Como puede ver, 29,99985 µV no es mucho diferencial, por lo que para cálculos prácticos, podemos suponer que el voltaje diferencial entre los dos cables de entrada se mantiene por retroalimentación negativa exactamente a 0 voltios.

Ventaja de la retroalimentación negativa en amplificadores operacionales

Una gran ventaja de usar un amplificador operacional con retroalimentación negativa es que la ganancia de voltaje real del amplificador operacional no importa, siempre que sea muy grande. Si la ganancia diferencial del amplificador operacional fuera 250,000 en lugar de 200,000, todo lo que significaría es que el voltaje de salida se mantendría un poco más cerca de V _in (se necesita menos voltaje diferencial entre las entradas para generar la salida requerida). En el circuito que se acaba de ilustrar, el voltaje de salida aún sería (para todos los propósitos prácticos) igual al voltaje de entrada no inversora. Las ganancias del amplificador operacional, por lo tanto, no tienen que ser establecidas con precisión por la fábrica para que el diseñador de circuitos construya un circuito amplificador con una ganancia precisa. La retroalimentación negativa hace que el sistema se corrija automáticamente. El circuito anterior en su conjunto simplemente seguirá el voltaje de entrada con una ganancia estable de 1.

¿Cómo funciona el circuito del amplificador operacional?

Volviendo a nuestro modelo de amplificador diferencial, podemos pensar en el amplificador operacional como una fuente de voltaje variable controlada por un detector nulo extremadamente sensible. , el tipo de movimiento del medidor u otro dispositivo de medición sensible que se usa en circuitos de puente para detectar una condición de equilibrio (cero voltios). El "potenciómetro" dentro del amplificador operacional que crea el voltaje variable se moverá a la posición que deba para "equilibrar" los voltajes de entrada inversora y no inversora de modo que el "detector nulo" tenga voltaje cero a través de él:

Como el "potenciómetro" se moverá para proporcionar un voltaje de salida necesario para satisfacer el "detector nulo" en una "indicación" de cero voltios, el voltaje de salida se vuelve igual al voltaje de entrada:en este caso, 6 voltios. Si el voltaje de entrada cambia, el "potenciómetro" dentro del amplificador operacional cambiará de posición para mantener el "detector nulo" en equilibrio (indicando cero voltios), resultando en un voltaje de salida aproximadamente igual al voltaje de entrada en todo momento.

Esto se mantendrá dentro del rango de voltajes que puede generar el amplificador operacional. Con una fuente de alimentación de + 15V / -15V, y un amplificador ideal que puede oscilar su voltaje de salida tan lejos, "seguirá" fielmente el voltaje de entrada entre los límites de +15 voltios y -15 voltios. Por esta razón, el circuito anterior se conoce como seguidor de voltaje . Al igual que su homólogo de un transistor, el amplificador de colector común (“emisor-seguidor”), tiene una ganancia de voltaje de 1, una impedancia de entrada alta, una impedancia de salida baja y una ganancia de corriente alta. Los seguidores de voltaje también se conocen como búfer de voltaje , y se utilizan para aumentar la capacidad de generación de corriente de señales de voltaje demasiado débiles (impedancia de fuente demasiado alta) para impulsar directamente una carga. El modelo de amplificador operacional que se muestra en la última ilustración muestra cómo el voltaje de salida está esencialmente aislado del voltaje de entrada, de modo que la corriente en el pin de salida no es suministrada por la fuente de voltaje de entrada en absoluto, sino más bien por la fuente de alimentación que alimenta la operación. -amp.

Cabe mencionar que muchos amplificadores operacionales no pueden cambiar sus voltajes de salida exactamente a los voltajes del riel de la fuente de alimentación de + V / -V. El modelo 741 es uno de los que no pueden:cuando está saturado, su voltaje de salida alcanza un máximo de aproximadamente un voltio del voltaje de la fuente de alimentación de + V y dentro de aproximadamente 2 voltios del voltaje de la fuente de alimentación de -V. Por lo tanto, con una fuente de alimentación dividida de + 15 / -15 voltios, la salida de un amplificador operacional 741 puede llegar tan alto como +14 voltios o tan bajo como -13 voltios (aproximadamente), pero no más. Esto se debe a su diseño de transistor bipolar. Estos dos límites de voltaje se conocen como voltaje de saturación positivo y voltaje de saturación negativo , respectivamente. Otros amplificadores operacionales, como el modelo 3130 con transistores de efecto de campo en la etapa de salida final, tienen la capacidad de cambiar sus voltajes de salida en milivoltios de cualquier fuente de alimentación riel Voltaje. En consecuencia, sus voltajes de saturación positivos y negativos son prácticamente iguales a los voltajes de suministro.

REVISAR:

• La conexión de la salida de un amplificador operacional a su entrada inversora (-) se denomina retroalimentación negativa . Este término se puede aplicar ampliamente a cualquier sistema dinámico donde la señal de salida se "retroalimenta" a la entrada de alguna manera para alcanzar un punto de equilibrio (balance).
• Cuando la salida de un amplificador operacional es directamente conectado a su entrada inversora (-), un seguidor de voltaje se creará. Cualquier voltaje de señal que se imprima en la entrada no inversora (+) se verá en la salida.
• Un amplificador operacional con retroalimentación negativa intentará conducir su voltaje de salida al nivel necesario para que el voltaje diferencial entre las dos entradas sea prácticamente cero. Cuanto mayor sea la ganancia diferencial del amplificador operacional, más cerca de cero estará el voltaje diferencial.
• Algunos amplificadores operacionales no pueden producir un voltaje de salida igual a su voltaje de suministro cuando están saturados. El modelo 741 es uno de ellos. Los límites superior e inferior de la oscilación del voltaje de salida de un amplificador operacional se conocen como voltaje de saturación positivo y voltaje de saturación negativo , respectivamente.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de circuitos OpAmp de retroalimentación negativa