Caracterización de la ganancia bruta de los amplificadores operacionales

Question

Pensé que como primer ejercicio en op amps, incluso antes de montar un circuito de retroalimentación, determinaría la ganancia del op amp en bruto.

He probado con un LM324 y un LM358 que deberían ser esencialmente lo mismo. Supongo que las corrientes de entrada son realmente pequeñas, creo que cuando miré la hoja de datos era nA. Así que utilicé una fuente de alimentación de 4 AA con 6v (no pilas nuevas). Para obtener una señal de entrada, he creado un divisor de tensión a partir de una resistencia de 1M y 1K (V0). Puedo medir .0056mV con el medidor. Luego puse un segundo divisor de 1M y 1k a través del 1k (etiquetado V1), que debería dar aproximadamente 5,5 uV aunque no puedo medirlo.

Para el LM324, el pin 2 es V-, el pin 3 es V+, y el pin 1 es Vout. Si pongo los pines 2 y 3 a 0V, sale esencialmente 0 (algún pequeño ruido como es de esperar). Si pongo el pin 3 a Vcc, salen 4,8v (aproximadamente 1,2v de caída a través del amplificador).

Pero cuando pongo el pin 3 en el divisor de tensión de la primera etapa, 5,6mV, la tensión de salida sí llega al máximo, pero noto que la tensión de entrada sí cambia un poco. Eso no lo registré, ver más abajo para más. Preocupante, teniendo en cuenta que esencialmente no debería haber ningún efecto del amplificador óptico. Peor, una vez que puse la señal de 5,5uA, esperaba ver algo así como una ganancia de 850.000 o 900.000. Juro que hice esto antes, y había planeado un laboratorio en él. Pero ahora no puedo conseguir esto de forma repetible. Cuando lo intenté de nuevo, esta vez sustituyendo R3 y R4 por 100k cada uno, V1 cambió de 2,9mV a 3,2mV No veo cómo puede ocurrir eso.

He vuelto a probar con el modo de retroalimentación positiva, puedo obtener una ganancia de 101 usando una resistencia de 100k y 1k. Usé 1M y 1k, y luego a través del 1k, un segundo divisor de voltaje con dos 100k. De nuevo, el voltaje V1 es de 2.9mV pero cuando se conecta al lado + del amplificador operacional cambia, solo a 3.2mV, pero no hubiera pensado que habría algún cambio.

Me gustaría saber si simplemente estoy utilizando el amplificador óptico fuera del rango en el que se comporta bien, si debería funcionar en cuyo caso intentaré volver a comprobar mi fuente de alimentación, mi cableado. El voltaje sigue siendo 6v, y el LM324N debería ser bueno hasta 3V, así que no puedo creer que sea la alimentación. Toda esta experiencia me está haciendo dudar de mi cordura.

Answer 1

Usted está tratando de utilizar el "opamp fuera de la gama se comporta bien". Usado en lazo abierto así se convierte en un comparador improvisado.

Los opamps están pensados para ser utilizados siempre en bucle cerrado. La ganancia en bucle abierto es bastante variable, por lo que no se puede confiar en ella, el único requisito real es que sea lo más grande posible (idealmente infinito) Cuando se cierra el bucle, sin embargo, la enorme ganancia hace que la ganancia (en bucle cerrado) sea muy precisa y la variabilidad en bucle abierto (por lo general) no hace casi ninguna diferencia.

En teoría, con un opamp ideal lo que estás intentando funcionaría bien, pero en los opamps reales tienes pequeños desajustes, causando cosas como el voltaje de offset de entrada, que por sí solo hará que este experimento falle.

Si miramos la página 3 del hoja de datos vemos que la tensión de offset típica para el LM324 es de 2mV, hasta un máximo de 7mV (3mV para el LM324A). Esto empapa su pequeña señal de entrada, y hará que la salida haga casi cualquier cosa, probablemente saturar.
También hay una corriente de compensación, ruido externo y otros parámetros no ideales que son variables con la temperatura que causarán problemas aquí.
Para ver un ejemplo de lo variable que es la ganancia de bucle abierto, aquí hay un gráfico de la ganancia de bucle abierto sobre la tensión de alimentación:

Podemos ver que a 5V, la ganancia en bucle abierto es de unos 100dB (100.000) frente a 120dB (1.000.000) a 15V. Esto es un factor de 10 de diferencia. También podemos ver que varía considerablemente con la carga.

Answer 2

Realmente necesitas leer la hoja de datos . Cada opamp es diferente y tiene sus propias arrugas. No se puede utilizar un opamp sin saber lo que esa parte en particular puede y no puede hacer.

El LM324 está especificado para una tensión de offset de 3 mV. Cuando le diste un offset de 5,6 mV, se clavó en un extremo como era de esperar. Cuando le diste unos pocos µV del segundo divisor, la diferencia entre las entradas estaba muy por debajo de la tensión de offset máxima, por lo que el resultado es impredecible y puede variar de una pieza a otra, según la temperatura, la tensión de alimentación, la fase de la luna, etc. Nuevamente obtuviste lo esperado ya que cualquier tensión de salida hubiera sido válida.

Answer 3

Los amplificadores ópticos y, de hecho, la mayoría de los circuitos están pensados (por decir algo obvio) para funcionar en el modo para el que fueron diseñados. Entre las diversas violaciones posibles:

• rango de entrada - la entrada inversora está atada a tierra - resulta que este dispositivo puede manejar, pero no puede manejar estar atado al otro carril.

• Está pensado para funcionar con retroalimentación, es decir, la polarización y el funcionamiento suponen un flujo de corriente a través de la entrada diferencial. Atar una entrada a tierra y hacer girar la otra entrada significa que el circuito interno está funcionando fuera de las especificaciones o que el flujo de la señal está corrompido.

para probar esto correctamente debes polarizar una entrada en el carril medio y luego polarizar la otra entrada en el mismo punto y luego cambiar la polarización ligeramente para ver la ganancia en bucle abierto. Lo mejor sería inyectar una señal para poder barrer con la frecuencia. Al hacer esto, mantienes el op-amp "cerca" de operar de la forma en que fue concebido (es decir, una tierra virtual).

Habrá ciertos diseños de op-amp que puedan manejar esto y otros que no.

Lo que realmente has ganado es la idea de que no todos los op-amps pueden funcionar como comparadores y por lo tanto puedes concluir que los diseños de op-amps y comparadores son muy diferentes internamente.

Answer 4

Creo que tienes que recortar el offset de entrada primero y tener cuidado con los efectos de la resistencia de carga y V+ en la ganancia.

Referencia Dispositivos analógicos

Answer 5

Los comentarios anteriores son correctos en cuanto a que los op-amps están pensados para ser utilizados dentro de rangos específicos y bien definidos de retroalimentación. Esto no significa que no funcionen si se utilizan fuera de esos parámetros bien conocidos... sólo que debe experimentar y definir su propio conjunto de parámetros de funcionamiento para su dispositivo específico si lo utiliza de formas no previstas por el diseñador original. Para aquellos que pueden vivir con el bajo ancho de banda resultante a cambio de una mayor ganancia, puede ser permisible ejecutar op-amps sin retroalimentación negativa. Esta es una situación en la que los tradicionalistas advierten que no se debe trabajar fuera de las especificaciones tradicionales, pero en la que hacerlo puede producir resultados interesantes y útiles.