¿Qué potencial de referencia utiliza un amplificador operacional como potencial de "tierra"?

Question

Wikipedia afirma sobre los amplificadores operacionales, que, sencillamente, proporcionan una tensión de salida en su salida que es la diferencia de las dos tensiones de entrada, multiplicada por algún número (muy muy grande). Dado que las tensiones son sólo diferencias de potencial eléctrico, me gustaría saber qué punto del circuito es el punto de referencia para la salida del amplificador operacional.

Para las entradas, esencialmente no importa. Como el comportamiento del amplificador operacional sólo depende de la diferencia de las dos entradas, no importa a qué tierra correspondan.

Mi suposición más sencilla sería que la tensión de salida del amplificador operacional tiene la misma masa común que tienen todos los demás dispositivos del circuito eléctrico. En ese caso: ¿Cómo sabe el amplificador operacional de esta tierra común, si no tiene una conexión a la tierra común?

Necesito saber cuál es el punto de referencia para que tenga sentido la afirmación "la tensión de salida es A veces la diferencia de entrada". Si no sé cuál es el punto de referencia, la tensión de salida es sólo un número sin significado.

Answer 1

No sabe ni le importa. El circuito interno del Opamp funciona así:

Uout está cerca de 0V cuando U1 < U2 y Uout está cerca de la tensión de alimentación completa Us cuando U1 > U2. Justo alrededor del caso U1=U2 hay una zona de transición A. Su anchura en los opamps prácticos está muy por debajo de un milivoltio. Nadie garantiza que la zona sea lineal o simétrica alrededor del cero, pero normalmente los opamps se utilizan con un circuito de realimentación que obliga al opamp a dar salida a tal Uout que U1-U2 esté dentro de la zona de transición.

La gente suele dividirnos a dos partes en serie. Se dice que la parte superior es la alimentación positiva y la inferior la negativa. El punto medio se dice que es la tierra y todos los voltajes en los diseños de aplicaciones están referenciados a ella. Pero internamente el amplificador óptico referencia todo a uno de los polos de la tensión de alimentación Us.

En los diseños de CI de bajo coste, la circuitería interna no puede aceptar que U1 y U2 sean cualesquiera, deben estar entre 0 y +Us y se necesita cierto margen. El margen es necesario al menos en un extremo del rango 0...+Us para dejar algo de espacio operativo para la circuitería interna.

Muchos compradores no quieren ningún margen a 0V, quieren que U1 y U2 puedan ser 0V. Si la circuitería interna está diseñada correctamente (=transistores de entrada PNP), el margen utilizable para U1 y U2 es de cero a 1...1,5V menos que Nosotros. Un antiguo y conocido diseño de CI LM124 es así. El análisis de su esquema interno revela que en realidad utiliza el polo positivo del Us como su punto de referencia interno, pero eso no supone ninguna diferencia para mis dibujos y ecuaciones.

Answer 2

Yo luché con el mismo problema durante un tiempo. La respuesta no siempre es obvia.

El amplificador óptico, por lo general, no tiene ni idea de dónde está la tierra, ya que no hay una clavija de entrada de tierra. A menudo es la tensión negativa, como en las aplicaciones de alimentación de un solo raíl, y otras veces está en algún lugar entre V+ y V-, como en las alimentaciones de raíl dividido.

Casi todos los amplificadores configuran el op-amp con retroalimentación negativa para controlar y linealizar la ganancia.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Figura 1. Las dos configuraciones más comunes de los op-amps.

A partir de la teoría básica de la aplicación de los amplificadores operacionales, debe quedar claro que en ambos casos mostrados en la Figura 1, la retroalimentación negativa hará que la tensión de salida se dirija a cualquier tensión necesaria para llevar la entrada inversora al mismo potencial que la entrada no inversora. El resultado para cada caso es:

$$V_{\text{Oa}} = - V_{\text{in}} \frac {R_f}{R_i} + V_{\text{ref}}$$

$$V_{\text{Ob}} = V_{\text{in}}\left( 1+ \frac {R_f}{R_i}\right)\ + V_{\text{ref}}$$

Tenga en cuenta que $V_{\text{ref}}$ y $V_{\text{in}}$ tienen que estar referenciados a algún punto y que la salida está referenciada al mismo punto. Si $V_{\text{ref}}$ es cero, entonces obtenemos nuestras fórmulas estándar de ganancia de amplificadores op-amp.

$$V_{\text{Oa}} = - V_{\text{in}} \frac {R_f}{R_i}$$

$$V_{\text{Ob}} = V_{\text{in}}\left( 1+ \frac {R_f}{R_i}\right)$$

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Amplificador de palanca

simular este circuito

Figura 2. La palanca inversora. El punto de apoyo está a 1/3 a lo largo de la palanca, por lo que funciona con una ganancia de -2.

• (a) La entrada, el fulcro y la salida están todos a la tensión de referencia. Su altura sobre la referencia es cero.
• (b) La entrada ha sido presionada hasta -1. La salida ha subido a +2 con respecto a la referencia.
• (c) Exactamente la misma palanca pero con la referencia desplazada a otra altura. Ahora la entrada, el punto de apoyo y la salida están a +5.
• (d) Se ha aplicado el mismo desplazamiento angular. Ahora la entrada está en +4 y la salida en +7 respecto a la referencia.

P: ¿Cuál es la diferencia de amplificación de (d) frente a (b)?
R: Nada. El mundo no ha cambiado. Nuestro punto de referencia ha cambiado, por lo que la entrada, el fulcro y la salida tienen un desplazamiento fijo debido a la nueva posición de referencia.

Answer 3

Realmente no importa. Sólo puede salir hasta sus carriles de potencia, y si lo ves como ideal, siempre estaría en uno de esos carriles en ausencia de cualquier retroalimentación.

La estructura de retroalimentación es lo que le da una referencia. Por ejemplo, en una configuración de ganancia negativa de un solo extremo, la entrada positiva suministra la referencia; es un punto elegido en el rango donde ese voltaje en la entrada resulta en el mismo voltaje en la salida.

Answer 4

En la práctica, la tensión de offset del amplificador óptico multiplicada por la ganancia suele ser mucho mayor que la tensión de alimentación. Por ejemplo, el LM324 tiene una ganancia de alrededor de 100.000 y una compensación de tal vez un par de mV por lo que cientos de voltios en la salida.

Si necesita un número para los cálculos, puede pensar en él como ( $V_+$ + $V_-$ )/2 si lo desea, lo que convenientemente equivale a cero para tensiones de alimentación equilibradas, pero cualquiera que sea el número que elija dentro de los carriles de alimentación (por ejemplo, si elige 0 para un op-amp de 5V de alimentación única) el error debería ser pequeño para los op-amps típicos.

Por ejemplo, un amplificador de precisión con una ganancia de 1.000.000 y una tensión de offset típica de +/-12uV sigue siendo +/-12V en la salida en función del offset.