Condensador de retroalimentación negativa en el circuito comparador Op-Amp

Question

Esto es parte de un circuito de un gran dispositivo. Es interesante, ¿por qué necesitar un condensador C1? El OA2 es un opamp de propósito general. La fuente de alimentación del opamp es de +15V/-15V, perdón por los errores en la imagen.

simular este circuito - Esquema creado utilizando CircuitLab

Answer 1

Este es un uso típico de un Amplificador operacional convencional que funciona como comparador .

Vamos a describirlo primero de forma intuitiva:

• Si dejamos C1 fuera del circuito (desconectado) tenemos un Op-Amp sin retroalimentación (negativa o positiva). En esta condición, la salida del amplificador será la diferencia de sus entradas multiplicada por la ganancia de lazo abierto.
• Por lo tanto, tan pronto como el la entrada positiva se vuelve un poco más positiva que la entrada negativa (más menos el error de tensión de offset de entrada), la salida del amplificador se "saturará" hacia el carril positivo de alimentación (+15V) .
• Por otro lado, cuando la entrada positiva tiene una tensión ligeramente inferior a la de la entrada negativa , la salida del amplificador se "saturará" hacia el carril negativo (nodo 3) .

• Como la entrada negativa se establece mediante un simple divisor de tensión de resistencia y la entrada positiva es la tensión generada en R2 por la corriente del fotodiodo, este circuito es un detector/discriminador de intensidad luminosa simple ,

  1. El umbral del comparador se puede "programar" ajustando la relación \$\frac{R4}{R3+R4}\$ .
  2. El factor de ganancia del fotodiodo (transimpedancia) se ajusta sólo con R2.

• Sin embargo, la gran pregunta es qué ocurre cuando/si la entrada positiva se mantiene cerca del voltaje umbral fijado en la entrada negativa . ¿Qué ocurre si la señal de entrada del fotodiodo (en R2) tiene ruido?

  • La respuesta es que obtendrá una serie de pulsos rápidos en la salida, oscilando carril a carril. No es algo bueno si quieres obtener una señal de salida limpia.
  • O el Op-Amp puede empezar a oscilar debido a que la ganancia de alta frecuencia del circuito es ilimitada.

Ahora, hagamos las cuentas y veamos cómo un simple condensador de bajo valor utilizado como elemento de retroalimentación negativa puede mejorar enormemente nuestro circuito:

• La ganancia de un circuito Op-Amp simple no inversor viene dada por: \$H(s)=1+\frac{Z_2}{Z_1}\$ , donde \$Z_2\$ es la impedancia de retroalimentación (en nuestro caso, el condensador), y \$Z_1\$ la combinación paralela equivalente de \$R_3\$ y \$R_4\$ que llamaremos \$R_p\$ .

  \$H(s)=1+\frac{Z_2}{Z_1} = 1+\frac{1}{R_p Cs} = \frac{R_pCs + 1}{R_pCs} \$

• La ganancia en CC ( frecuencia cero ) según la expresión anterior, subirá a "infinito". En realidad, la ganancia de CC estará limitada por la ganancia en bucle abierto del Op-Amp, normalmente alrededor de >100000 .

  • Así que, nuestro circuito sigue funcionando como un comparador ya que su ganancia de baja frecuencia es enorme.

• Tenga en cuenta que a medida que se aumenta la frecuencia , las ganancias comienzan a disminuir , hasta que se convierte en uno a frecuencias muy altas .

  • Esto es genial, ya que ahora nuestro circuito será menos sensible al ruido de alta frecuencia cuando la entrada esté cerca de su umbral .

En resumen ,

• Añadir un pequeño condensador de retroalimentación a un Op-Amp que funciona como comparador, disminuirá la ganancia de alta frecuencia del circuito, haciéndolo más estable . Esto es obligatorio para cualquier Op-Amp que funcione como un comparador ya que muchos/la mayoría de los Op-Amps pueden oscilar si la alta frecuencia del circuito es ilimitada.

• Sin embargo, con el circuito simple mostrado arriba todavía tendrá algún balanceo no deseado en la salida en caso de que el ruido sea muy alto y la señal de entrada se mantiene cerca del umbral durante un "largo" periodo de tiempo. Para para aumentar la robustez del circuito en esas situaciones, es necesario añadir un poco de retroalimentación positiva haciendo que se comporte con histéresis ( http://en.wikipedia.org/wiki/Hysteresis ).

He encontrado unos apuntes interesantes sobre circuitos básicos de comparadores, bastante bien escritos y explicados,

http://www.hbcc.edu.sa/facpages/syedmuhammadasad/data_files/eeet%20201/ch13.pdf