¿Qué ocurre con la salida si se ajusta la alimentación del OPAMP?

Question

Digamos que el OPAMP anterior funciona normalmente con una alimentación de +15V y -15V y se dice que la salida oscila entre +15V y -15V. Pero he cambiado -15V fuente de alimentación {de OPAMP} a -14V y Vi a:

(a)1V

(b)-15V

(c)1/2V

¿Cuál debería ser la salida y las regiones a las que opera el OPAMP en cada caso?

En realidad, en el libro de Sergio Franco está escrito que si lo hacemos tendremos que cambiar la tensión de referencia del circuito a la media de la alimentación y estoy un poco confundido al respecto. También considere los siguientes ejemplos (no son tareas sólo tratando de ser exhaustivo)

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 1

Para un amplificador óptico ideal, que tiene cero desviaciones de entrada y ganancia infinita, no pasa nada.

Para los amplificadores operacionales reales, la salida cambiará ligeramente con los cambios en los voltajes de la fuente de alimentación. La relación entre los cambios en la alimentación y los cambios en la salida se denomina relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) o relación de rechazo de la tensión de alimentación (ksvr). La relación variará con el amplificador óptico, y para complicar las cosas, el número para cualquier amplificador óptico variará con la frecuencia. Las variaciones en la frecuencia de alimentación más altas producirán una mayor variación en la salida que las frecuencias más bajas.

En general, para las frecuencias bajas, la relación de rechazo será del orden de 80 a 100 dB.

Answer 2

No ocurrirá nada mientras ambos carriles de alimentación estén por encima de la tensión mínima indicada. Si el amplificador óptico no es del tipo de salida carril a carril, entonces el rango de tensión de salida suele estar entre Vcc-1,2 voltios y Vee + 1,2 voltios.

Gracias a las fuentes y sumideros de corriente constantes incorporados, los cambios en el equilibrio de los raíles de alimentación pueden ignorarse en su mayor parte pero los raíles con una tensión inferior a la plena disminuyen el rango de modo común. En algunos casos, se puede aplicar una tensión de -6,2 voltios a un amplificador óptico de buena calidad para que su entrada y sus salidas puedan tener cero voltios como rango de modo común, aunque es posible que la aplicación sólo requiera valores positivos para funcionar, como los servobucles o los detectores de picos simples.

En una nota más seria, necesitas comprobar la carga mínima que un op-amp puede manejar. 1 ohmio es absurdamente bajo. Incluso los amplificadores operacionales de UHF tienen una carga mínima de 25 a 50 ohmios. Los amplificadores operacionales típicos de CC y audio tienen una carga mínima de 2,2K ohmios. Las resistencias de retroalimentación cuentan como parte de una carga, ya que la entrada (-) se esfuerza por permanecer a cero voltios utilizando esta topología.

Una carga segura para una oscilación completa de la tensión es de unos 10K ohmios, con una resistencia de retroalimentación de no menos de 10K ohmios.

Los op-amps varían mucho en cuanto a la corriente de salida, así que lee la todopoderosa hoja de datos en detalle antes de elaborar un diseño basado en un determinado op-amp.

Debido a su topología interna, muchos amplificadores operacionales de RF y vídeo requieren carriles de alimentación con una tensión de estudio fija, como +/- 5 voltios.

Answer 3

Los OPAMPs modernos están diseñados para tener un $0\mathrm{V}$ nivel de referencia de salida y entrada, cuando se alimenta de una fuente de alimentación simétrica, es decir $V_0=0\mathrm{V}$ si $V_+=V_-$ en el caso ideal cuando no se producen otros errores (desfases, etc.): esto se debe a que, al hacerlo, los rangos de tensión de entrada y de salida se maximizan en el sentido de que se puede pasar por encima y por debajo respecto al nivel de referencia dado en la misma cantidad de tensión.
Así, en referencia al siguiente esquema, donde $V_\mathrm{ref}$ es una tensión de referencia arbitraria para las entradas, aparecerían todas las asimetrías en la tensión de alimentación, de nuevo en el caso ideal y cuando no se aplica ninguna retroalimentación como voltaje de salida $V_{o_\mathrm{off}}$

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

$$V_{o_\mathrm{off}}=\frac{V_++V_-}{2}\quad(\text{in our case}=0.5\mathrm{V}\text{ since }V_+=15\mathrm{V},\:V_-=-14\mathrm{V}),$$ que asume también el papel de un nuevo nivel de referencia para las entradas.

Cuando hay una retroalimentación, el efecto de la asimetría en la tensión de alimentación se tiene en cuenta considerando que el potencial de referencia de la entrada y la salida son $V_{o_\mathrm{off}}$ en lugar de cero: esta es la situación habitual a la que se enfrenta el diseño de la alimentación única ( $V_+=V_{DD}$ , $V_-=0$ ). En el ejemplo propuesto tenemos la siguiente situación:

simular este circuito

donde $V_u$ es la tensión de salida interna que se suma a la tensión de offset para producir la salida real.
Ahora considere su circuito amplificador inversor, donde se aplica la retroalimentación la ganancia es $$A_v=-\frac{R_{fb}}{R_{i}}=\frac{1\Omega}{1\Omega}=1.$$ Aplicando el principio de la clavija de referencia virtual obtenemos $$\frac{V_o}{R_{fb}}=\frac{V_u+V_{o_\mathrm{off}}}{R_{fb}}=-\frac{V_i}{R_i}\implies V_o=-\frac{R_{fb}}{R_{i}}V_i\tag{1}\label{1}$$

Como se puede ver en la fórmula \eqref {1}, el comportamiento del circuito alimentado asimétricamente es absolutamente idéntico al equilibrado La única diferencia ( en el caso ideal, subrayo ) es que el rango de entrada y salida será asimétrico, ya que el recorte se produce cuando $V_i\ge +14\mathrm{V}$ . Esto implica que en su primer circuito, cuando

(a) $V_{i}=1\mathrm{V}\implies V_o=-1\mathrm{V}$ .

(b) $V_{i}=-15\mathrm{V}\implies V_o=15\mathrm{V}$ .

(c) $V_{i}=0.5\mathrm{V}\implies V_o=-0.5\mathrm{V}$

En tu segundo circuito, el búfer de ganancia unitaria no inversor alimentado $V_+=+40\mathrm{V}$ y $V_-=+10\mathrm{V}$ la salida con $V_i= +12\mathrm{V}$ será $V_o= +12\mathrm{V}$ mientras que se atascará en $V_o= +10\mathrm{V}$ para cada entrada $V_i\le +10\mathrm{V}$ .

Notas
El análisis anterior describe lo que sucede en el caso ideal, a diferencia del caso real: en el mundo real, obviamente, hay otras cuestiones que hacen que la tensión de salida sea diferente de \eqref {1}, y a continuación se describen algunas de ellas.

• una cuestión muy importante señalada por WhatRoughBeast en su respuesta es la influencia del PSSR En este caso, la tensión de asimetría, multiplicada por el PSSR, se modela como una contribución de ruido adicional en las entradas.
• Como ha señalado Sparky256, aparte de la reducción ideal del swing máximo de salida, hay otros problemas relacionados con la capacidad de conducción de salida del OPAMP relacionados con su estructura circuital y caracterizados, más o menos completamente, en su hoja de datos. Además, me gustaría señalar los cambios en el tensión de modo común muy importante en aquellas aplicaciones en las que se necesita amplificar señales muy pequeñas.