¿Cómo entender la ganancia de lazo abierto de un amplificador operacional?

Question

Según el libro Electrical Engineering 101, la ganancia de lazo abierto de un amplificador operacional puede ser muy alta, digamos 5000. Cuando la diferencia de los 2 insumos es 1V, la salida calculada puede ser tan alta como 5000V.

Pero si el amplificador operacional está realmente conectado en un circuito, el voltaje de salida real es mucho menor que el valor calculado. Digamos que puede ser tan bajo como 5V.

• ¿Cómo se mide esta ganancia de lazo abierto? ¿Usamos algún tipo de voltímetro especial para medir el voltaje entre la salida y el suelo? Pero si es así, no es de lazo abierto en absoluto. Es una especie de dilema. ¿O me estoy desviando del camino correcto del pensamiento en Ingeniería Eléctrica?

• ¿Cuál es el punto de la ganancia de lazo abierto si el voltaje de salida real nunca puede ser tan alto?

(Solo quiero exponer mis dificultades mentales para que sea posible una respuesta precisa. Espero haberme hecho entender. Gracias.)

algunas notas

(No estoy muy familiarizado con algunos términos técnicos en el campo de la Ingeniería Eléctrica. Así que los iré recopilando a continuación según sea necesario.)

1. Supongo que rail son las líneas en el rectángulo amarillo ya que veo a alguien hablar sobre salida rail-to-rail.

Answer 1

•¿Cómo se mide la ganancia en circuito abierto? ¿Se usa algún tipo de medidor de voltaje especial para medir el voltaje entre la salida y el suelo? Pero si es así, no es en circuito abierto en absoluto. Es una especie de dilema. ¿O me estoy desviando del camino correcto del pensamiento de Ingeniería Eléctrica?

La medición de la ganancia en circuito abierto es (en principio) directa. Se aplica un voltaje de entrada muy pequeño y se mide la salida. Generalmente, esto se hace mejor usando una señal de CA de baja frecuencia, para permitir distinguir la ganancia del desplazamiento. Y aunque es directo, no es lo mismo que fácil. Proteger contra la captación de ruido, especialmente la radiación de la línea eléctrica de 50/60 Hz, puede ser un desafío.

•¿Cuál es el punto de la ganancia en circuito abierto si el voltaje de salida real nunca puede ser tan alto?

La respuesta es simplemente que la red de retroalimentación actúa para mantener la diferencia de voltaje EN LA ENTRADA DEL OP AMP muy pequeña, típicamente en el rango de microvoltios a milivoltios. Si observas un circuito simple de op amp inversor, por ejemplo,

simula este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

si el op amp tiene una ganancia en circuito abierto de 1 millón, ya que la salida es -10 voltios, la diferencia de voltaje en la entrada será alrededor de 10 uV. De hecho, es el voltaje de entrada muy pequeño lo que permite que una fórmula de ganancia aproximada $$G = -\frac{R2}{R1}$$ sea útilmente correcta, ya que se puede considerar que la entrada - se mantiene a tierra. Suponiendo una alta impedancia de entrada proporciona corrientes idénticas en los resistores, y la Ley de Ohm luego proporciona los voltajes a través de los resistores.

Pero el punto es que un op amp que funciona correctamente no verá, de hecho, más que unos pocos milivoltios a través de sus entradas, o menos si la ganancia en circuito abierto es muy grande. En tu ejemplo de 1 voltio en un op amp, la salida quedará atascada en algún lugar cerca de uno de los voltajes de la fuente de alimentación, y el término para esto es "salida saturada". Esto es realmente útil al hacer comparadores, pero no tanto para amplificadores lineales.

Answer 2

En ingeniería electrónica a menudo simplificamos nuestro razonamiento para el análisis de "señal pequeña" donde consideramos que nuestro circuito tiene un comportamiento lineal, lo que significa que podemos sumar intensidades de señal y, por lo tanto, también multiplicarlas con valores fijos. El comportamiento de una señal de 1V es entonces similar al comportamiento de una señal de 1mV - solo necesitamos dividir por 5000.

Sí, existen limitaciones "no lineales", una de ellas siendo la fuente de voltaje. Por lo tanto, no se puede tener una salida de señal de 5000V. Sin embargo, como sabemos que la salida es de 5000V para 1V en el "caso ideal", entonces sabemos que la salida es de 2.5V para 0.5mV, lo cual puede ser un caso realista.

¿Cómo se mide esta ganancia de lazo abierto?

Primero se determina a través de simulación. La señal diferencial de entrada muy pequeña se puede comparar fácilmente con la señal de salida. Por lo tanto, esto es una especie de voltímetro, incluso si es virtual. Estoy seguro de que también hay configuraciones prácticas para verificarlo, pero no puedo recordarlas. A veces el método de medición se menciona en la especificación del amplificador operacional.

El circuito no tiene que estar en lazo abierto para determinar la ganancia de lazo abierto. La ganancia de lazo abierto está presente, incluso si el lazo está cerrado. Podemos encontrar la ganancia del amplificador operacional comparando el nivel de salida con la diferencia en sus entradas.

También queremos conocer la ganancia de lazo abierto en diferentes frecuencias y esto se representa a menudo a través de los diagramas que encontramos en un gráfico de Bode que representa la ganancia con la frecuencia y el desplazamiento de fase con la frecuencia.

¿Cuál es el punto de la ganancia de lazo abierto si el voltaje de salida real nunca puede ser tan alto?

Como se indicó, consideramos esto en una configuración "ideal" y realmente queremos que esto sea cierto para voltajes "reales".

Riel

El origen de esta palabra es seguramente histórico. En el inicio de la electrónica, no había Placas de Circuito Impreso. De hecho, tengo algunas radios donde las lámparas electrónicas están interconectadas con cables que van directamente de un punto a otro en el espacio 3D de la radio. Como mejora, se agregaron algunos "rieles" donde se podía hacer la interconexión con el GND (voltaje de referencia). Seguramente esto también se repitió con la alimentación regulada. Mi instalación eléctrica actual todavía tiene rieles para la tierra, las conexiones P y N. Por lo tanto, los rieles representaban "tierra" y "energía". Seguimos llamándolos así. También es una forma práctica de imaginar la tierra y la energía como dos rieles que "limitan" la señal o son los límites de la operación normal del circuito. Al dibujar un esquemático, incluso podemos comenzar dibujando la línea de tierra y de energía como líneas horizontales y conectar nuestro circuito a ellas según sea necesario.

Answer 3

Piensa en esto de manera razonable. Obviamente, el amplificador operacional no puede generar 5000 voltios cuando está conectado a una fuente de alimentación de menor voltaje. Así que digamos que el amplificador operacional está conectado a fuentes de +5V y -5V. En el caso de un amplificador operacional ideal, esto limita la salida para que no sea superior a +5V ni inferior a -5V. En el mundo real, el amplificador operacional puede acercarse a esto en el caso de los tipos de salida de riel a riel y para algunos otros tipos podría estar dentro de cada voltaje del riel por 1.5V (+3.5V a -3.5V en este ejemplo).

Por lo tanto, al pensar en la ganancia de lazo abierto, considera este rango de salida en el pensamiento. Descarta la idea de tener una diferencia de 1V en la entrada y considera en su lugar una diferencia de 0.5mV (0.0005V). En ese caso, con una ganancia de lazo abierto de 5000, la salida estaría dentro del rango alcanzable en 2.5V (o -2.5V si se cambió la polaridad de la diferencia de entrada).

Answer 4

Deje que la ganancia del lazo abierto sea A(s) y considere lo siguiente para un seguidor de fuente,

Sabemos que la función de transferencia de lazo cerrado H(S) sería H(S)= A(s)/(1+ K*A(s)). Para un seguidor de fuente el K, que es el parámetro de lazo cerrado es 1, por lo que la fórmula se convierte en H(S) = A(s)/(1+ A(s)) y sabemos que la salida debe seguir lo más fielmente posible la entrada en la configuración del seguidor de fuente. Lo que significa que la ganancia de este sistema es 1.

En la ecuación mencionada anteriormente, esto solo es posible si A(S) es lo más grande posible. Por lo tanto, para obtener respuestas precisas en el modo de retroalimentación, la ganancia del lazo abierto debe ser lo más grande posible.

Para su primera pregunta sobre cómo se mide la ganancia del lazo abierto, cuando se tiene un modo de seguidor de fuente, su salida no es exactamente la misma que la entrada, ya que tiene ligeras variaciones. Esta variación se debe a que H(S) no es idealmente igual a 1, sino a algún otro valor, porque si observa en la ecuación anterior, la ganancia del lazo cerrado es 1 solo si la ganancia del lazo abierto es infinita. Por lo tanto, esta variación en la ganancia del lazo cerrado se puede ver en el osciloscopio con la señal de salida que no es la misma que la entrada, y la ganancia del lazo abierto podría estimarse a partir de esto.

Answer 5

"¿Cómo se mide esta ganancia de lazo abierto?"

"¿Cuál es el punto de la ganancia de lazo abierto si el voltaje de salida real nunca puede ser tan alto?"

En cuanto a cada amplificador, la ganancia de lazo abierto se mide como la relación de voltaje de salida a voltaje de entrada. Sin embargo, debido al valor de ganancia muy alto, se necesitan algunas consideraciones especiales (compensación de desplazamiento de CC o retroalimentación de muy baja frecuencia). Además, para la mayoría de los amplificadores operacionales, la ganancia de lazo abierto comienza a disminuir para frecuencias muy bajas ya (50...100 Hz). Por lo tanto, el gain dependiente de la frecuencia es de gran interés (magnitud y fase). Por supuesto, siempre es necesario mantenerse dentro del rango de amplificación lineal del amplificador (niveles de entrada lo suficientemente bajos).

En cuanto a tu segunda pregunta (que no entiendo completamente) : Cada amplificador tiene un límite superior para el voltaje de salida. Si el voltaje de salida se corta (raíles de alimentación) el voltaje de entrada debe reducirse correspondientemente - ¿suena lógico, no es así?

EDIT/ACTUALIZACIÓN

Creo que hasta ahora no has obtenido respuesta a tu pregunta "¿Cómo se mide la ganancia de lazo abierto?". Bueno, aquí te doy un conjunto de pruebas, que fue utilizado por mis estudiantes con éxito para este propósito.

Por favor, ten en cuenta el divisor de voltaje en la entrada. Por lo tanto, debes agregar 40 dB a la ganancia medida. La ruta de retroalimentación mostrada proporciona retroalimentación de CC para permitir un punto de operación DC dentro del rango de amplificación lineal del amplificador operacional. El voltaje de salida de CC (punto operacional) será aproximadamente Voff*1E3.

Sin embargo, debido al capacitor de retroalimentación, la medición de la ganancia será correcta por encima de una frecuencia de esquina de aproximadamente 5 Hz (que será la ganancia para CC también). Para frecuencias más altas, prácticamente no tenemos retroalimentación (medición de lazo abierto). Para todas las mediciones, es mejor usar un medidor de ganancia-fase (eventualmente, con un capacitor de acoplamiento de salida). Observa la forma correcta de la señal de salida (seno) debido a la velocidad de ascenso limitada del amplificador.

simular este circuito – Esquema creado utilizando CircuitLab