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Desplazamiento de la tensión de salida de un circuito de amplificador operacional con condensador

Se da el siguiente circuito:

The op amp circuit

Necesitaba calcular el valor efectivo de la tensión de salida, para un valor efectivo de entrada de 1mV: $$ U_a=\frac{\frac{1}{jwC}}{R_1+\frac{1}{jwC}}*U=\frac{1}{1+jR_1wC}*U=\frac{1}{1+j*10.053}*1mV=\frac{1}{10.103*e^{j*84.32}}*1mV=0.099*e^{j*-84.32}*1mV\approx 98.9\mu V*e^{j*-84.32} $$ Por lo tanto, la amplitud de la tensión de salida es: $$ \hat{u}=\sqrt{2}*U_{eff}=\sqrt{2}*98.9\mu V\approx 139.866\mu V $$ Quise verificar el resultado y utilicé una herramienta de simulación de circuitos (circuitlab). Recibí un gráfico sorprendente para la tensión y la corriente de salida:

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Como se puede ver, hay una interesante compensación aplicada de alguna manera. ¿Puede alguien explicarme por qué la tensión/corriente tiene ese aspecto?

EDIT: Corriente de entrada de ambos terminales:

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DavLink Puntos 101

Estás alimentando la entrada no inversora del OpAmp a través de una resistencia de valor bastante alto (1 MΩ). Parece que la simulación considera la corriente de offset de entrada del TL081 con un valor de 50 pA, porque tu (amplificador de ganancia unitaria = buffer) produce un tensión de offset de salida de 50 µV = 1 MΩ * 50 pA, ignorando el signo (la simulación dice -  50 µV).

Para estar seguro, trace la corriente en el pin "+" de su TL081 y compruebe si es de 50 pA.

El corriente de desplazamiento de la salida en su imagen es realmente cualquier cosa que se "filtre" en la entrada "-" (teóricamente cero, prácticamente igual a la corriente de offset de entrada de este mismo pasador). Prueba: Ley de la corriente de Kirchhoff - no hay nada más conectado a la salida, así que todo lo que venga de la salida debe ir por el único camino posible que es la entrada inversora.

Dato curioso: El valor que espero que veas como corriente de offset de entrada en la entrada no inversora coincide con lo que ya ves como corriente de offset de entrada en tu entrada inversora ;-)

Como otros ya han mencionado, el TL081 tiene un tensión de offset de entrada algunos órdenes de magnitud más altos que el error que se ve causado por la corriente de offset de entrada. Como está utilizando su OpAmp como un buffer (ganancia = 1), su error de offset de entrada se traduce directamente en su error de offset de salida. En un circuito práctico, esta sería su principal preocupación, y la lección que hay que aprender aquí es esta: Las simulaciones ayudan a entender las cosas, pero siempre hay que tomarlas con un grano de sal. Usted no ha terminado de diseñar un circuito a menos que una simulación le diga exactamente la misma historia que una protoboard en el banco, probada con instrumentos de confianza. Cualquier diferencia entre la imagen simulada y la real puede ser tolerada sólo si tienes una buena explicación. Si la imagen en el osciloscopio y las formas de onda del simulador no coinciden, mejora la simulación hasta que lo hagan y comprueba dos, tres, ... tu circuito práctico. Pero como estás haciendo esta pregunta, supongo que ya lo sabes ;-)

Además, el efecto que te ha llamado la atención es una de las razones por las que los diseñadores de circuitos intentan mantenerse alejados de las resistencias de alto valor (digamos: por encima de 100 kΩ) en los circuitos de procesamiento de señales si pueden, porque los efectos parasitarios prácticos como las fugas, el offset, etc. empiezan a ser molestos una vez que se entra en este rango. Si tus circunstancias lo permiten, intenta disminuir el valor de la resistencia y aumentar la capacitancia justo en el mismo factor; la constante de tiempo RC seguirá siendo la misma y ganarás la libertad de despreciar las parásitas. Además, los condensadores de bajo valor son complicados: cualquier capacitancia parasitaria (capacitancia de entrada del OpAmp, trazos de diseño, ...) están en paralelo con C1 y aumentan el valor efectivo a, digamos, 205...220 pF, lo cual es un error considerable.

Editar (en respuesta al comentario):

El comportamiento de arranque (cambio de offset al principio del gráfico) es sólo la corriente de offset DC que carga el condensador de 200 pF. Para un análisis de CC, podemos considerar que su fuente de CA es un cortocircuito y terminamos con este escenario: una fuente de corriente de 50 pA conectada a un condensador y una resistencia en paralelo:

OpAmp Offset Simulation

La fuente de corriente carga el condensador y, debido a la resistencia, la tensión alcanza un estado estable después de un tiempo. Ten en cuenta que la constante de tiempo RC es de 200 µs - como se puede observar en ambas simulaciones, la tuya sólo tiene la componente AC adicional de tu fuente V2.

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Mario Puntos 766

Es difícil saberlo porque no se muestra la alimentación y el modelo del amplificador óptico podría tener también algunas limitaciones.

Los OpAmps reales siempre tienen un poco de desplazamiento. Lo que se puede ver aquí es probablemente sólo un pequeño desplazamiento sistemático. Para un opamp real la salida no suele ser cero para una entrada cero, por lo que se necesita un pequeño voltaje para llevar la salida a cero.

¿Qué ocurre si conectas la entrada a cero voltios?

Si echas un vistazo a la hoja de datos puedes ver que el desplazamiento aleatorio está en el rango de varios mV, así que los pocos uV no son nada de lo que preocuparse.

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