Amplificador inversor que no aplica ganancia al voltaje de polarización

El Photon identifica inmediatamente un problema: el capacitor de entrada se cargará hasta el promedio y bloqueará efectivamente cualquier ruta galvánica para su disposición de ajuste de ganancia. Así que deshagámonos de eso, ahora mismo.

Si desea establecer una ganancia, debe proporcionar un arreglo de configuración de ganancia de CC. Esto será algo como lo siguiente:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

$R_1$y$R_2$puede obtener su ganancia de voltaje, ahora.$R_3$y$R_4$puede establecer su punto de polarización DC. La señal de entrada se impondrá sobre ese punto de polarización y luego se aplicará la ganancia de voltaje.

Supongamos que su amplificador operacional puede funcionar con el riel único de$+2.5\:\text{V}$. Luego tenemos lo siguiente:

^{simular este circuito}

Aquí, esperamos que la salida sea$11\times$el nodo (-). Ya que queremos que se centre en$\frac12 V_\text{CC}$, esto significa que la salida debe tener un promedio de$1.25\:\text{V}$y, por implicación, el promedio del nodo (-) debe ser$\approx 113.64\:\text{mV}$. Ese también debería ser el promedio del nodo (+).

Si queremos que la impedancia de entrada de ambos (-) y (+) sea similar, probablemente deberíamos establecer$R_4=47\:\text{k}\Omega$y resolver para$R_3$. Esto encontrará que$R_3\approx 987\:\text{k}\Omega$. solo configura$R_4=1\:\text{M}\Omega$y eso debería estar lo suficientemente cerca.

Suponiendo un amplificador operacional de riel a riel decente, como el LT1800, el circuito resultante es:

^{simular este circuito}

Ejecutando una simulación LTspice en lo anterior, encontramos:

A partir de esto podemos calcular$A_v=\frac{765.23\:\text{mV}}{70.363\:\text{mV}}\approx 10.88$. (Esto está muy cerca de lo esperado$A_v\approx 11$.)

LTspice también calcula el promedio de la salida opamp como$1.2352\:\text{V}$, que está muy cerca de lo deseado$1.25\:\text{V}$. (La diferencia se debe en gran parte al hecho de que elegimos$R_3=1\:\text{M}\Omega$en lugar de$R_3\approx 987\:\text{k}\Omega$.)

En resumen, todo esto funciona bien si aborda las cosas correctamente y si selecciona dispositivos opamp que puedan funcionar dentro de los rangos de voltaje deseados.

Cuando simulo un circuito como este, obtengo exactamente lo que espero. La única diferencia es que no hay un condensador de desacoplamiento antes del amplificador operacional. ¿Por qué la eliminación del capacitor causa tal diferencia?

Porque con el capacitor, considerando su fuente 'V3' como entrada y considerando el comportamiento de CC, tiene este circuito:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Entonces, ¿cuál es ese circuito? Es un seguidor de voltaje con una ganancia de 1, exactamente como lo observaste.

Cuando agrega una segunda resistencia que puede transportar corriente continua desde la entrada inversora del amplificador operacional a tierra, aumenta la ganancia del amplificador no inversor por encima de 1. Las dos resistencias forman un divisor de voltaje, lo que reduce la ganancia en la ruta de retroalimentación , por lo tanto, aumenta la ganancia de bucle cerrado del circuito.

Explicación intuitiva

Comprensión. Aparte de la explicación detallada de la implementación del circuito específico acompañada de cálculos, la comprensión real requiere algo más: ver la idea básica detrás de él, cómo se implementa en el caso específico, dónde fluyen las corrientes, qué voltajes hay entre los elementos y cómo relacionarse entre sí. Al hacerlo, llegaremos a las profundidades del problema y no nos limitaremos a deslizarnos por la superficie... y podremos ver la misma idea básica en aplicaciones aparentemente diferentes. Ilustraré esto para el circuito específico.

Idea básica. El principal problema de OP aquí es comprender la propiedad básica de los condensadores para mantener el voltaje relativamente constante cuando fluye una pequeña corriente a través de ellos. Esta propiedad tiene dos aplicaciones de circuito que pueden denominarse en sentido figurado "cambio de voltaje" (capacitores de acoplamiento) y "fijación de voltaje" (capacitores de desacoplamiento).

El "cambio de voltaje" es en realidad la conocida "polarización de voltaje" o simplemente "polarización", ampliamente utilizada en amplificadores de CA. Es una idea eléctrica extremadamente simple que puede implementarse incluso en el siglo XIX mediante una fuente de voltaje constante en serie con la fuente de voltaje variable de entrada. Sus voltajes se suman en serie, por lo que el voltaje de entrada aumenta/disminuye ("se desplaza hacia arriba/hacia abajo") con el voltaje constante.

Implementación. El problema de esta disposición es que la fuente de tensión "cambiante" está "flotando" (por regla general, la fuente de tensión de entrada está conectada a tierra)... y no hay forma de poner parte de la tensión de alimentación en este lugar. La solución inteligente del siglo XX en los amplificadores de CA fue usar un capacitor cargado como una fuente de voltaje "cambiante". Actúa como una "batería recargable" que se carga y luego se descarga constantemente... por lo que su voltaje es relativamente constante.

Operación. He ilustrado el funcionamiento del circuito de polarización más elemental (la parte de entrada del circuito de @jonk) en tres pasos. Están extraídos de una película Flash (ver la versión gif animada ). Las corrientes se visualizan por caminos cerrados completos (bucles) con espesor proporcional (en verde) y los voltajes, por barras de voltaje con altura proporcional (en rojo). Las direcciones de corriente y las polaridades de voltaje son reales. El voltaje de entrada EIN (VIN) está representado por una batería variable; la fuente de alimentación está representada por una batería con un voltaje constante E (VCC). La capacitancia C1 es lo suficientemente grande como para que el voltaje a través de ella no cambie significativamente cuando la corriente fluye a través de ella.

1. Voltaje de entrada cero. Al principio, establezcamos el voltaje de entrada VIN en cero. Como resultado, el capacitor C1 se carga a VR2 (E/2). La corriente de carga fluye a través de la ruta +E -> R1 -> C1 -> VIN -> -E (no se muestra en la imagen). Entonces, la fuente de voltaje de entrada debe ser "galvánica" (con una resistencia de CC baja) ... y puede pensar en ella como un trozo de cable. Al final de la transición, no fluye corriente a través de él ya que dos voltajes opuestos iguales (VC1 = VR2) se equilibran entre sí; VC1 es una copia de VR2. Teóricamente, este proceso nunca terminará.

Ahora consideremos el circuito del OP original(con el condensador C10) a voltaje de entrada VIN cero y voltaje de polarización positivo aplicado V3 a la entrada no inversora. El amplificador operacional detecta el voltaje de entrada diferencial positivo y debido a que la retroalimentación negativa lo obliga a igualar el voltaje de la entrada inversora a V3 (la llamada "regla de oro"), comienza a aumentar su voltaje de salida hasta alcanzar el equilibrio. Debería hacerlo momentáneamente... pero hay un problema: el capacitor se carga lentamente y el voltaje a través de él aumenta lentamente. Entonces, al principio, el extremo izquierdo de R5 está conectado a tierra. La ganancia de este amplificador no inversor es 11... y su voltaje de salida alcanza el riel de suministro positivo. Eventualmente, el capacitor se carga a V3... la ganancia disminuye a 1... el voltaje de salida se vuelve igual al voltaje de la entrada inversora y V3... y se alcanza el equilibrio.

Si OP quiere que el voltaje de salida sea más alto, solo necesita seguir el consejo de @The Photon y conectar otra resistencia entre la entrada inversora y tierra.

¿Por qué la eliminación del capacitor causa tal diferencia?

El "trabajo" del amplificador operacional "asignado" a él por la retroalimentación negativa es mantener el voltaje de la entrada inversora igual al voltaje de la entrada no inversora. Cuando colocamos un divisor de voltaje entre la salida y la entrada inversora, dificultamos ("perturbamos") al amplificador operacional. Se ve obligado a aumentar su voltaje de salida para superar esta "perturbación"... y así se convierte en un amplificador.

2. Voltaje de entrada positivo. Ahora cambiemos el VIN. El voltaje total VIN + VC1 excede a VR2 (las barras de voltaje lo representan geométricamente). EIN y C1 en serie actúan como una fuente de tensión compuesta que alimenta a R2, de modo que una corriente IC de descarga comienza a fluir a través del condensador y R2. VC1 no cambia notablemente, por lo que el voltaje de salida VOUT sigue a VIN.

En el circuito original del OP , la corriente de descarga fluye a través de la ruta +VIN -> C10 -> R5 -> R12 -> salida del amplificador operacional -> tierra -> -VIN.

3. Voltaje de entrada negativo. Ahora vamos a cambiar el VIN hacia abajo. El voltaje total VC1 - VIN es menor que VR2; entonces una corriente de carga IC comienza a fluir a través del capacitor. La corriente de carga fluye a través de la ruta +E -> R1 -> C1 -> VIN -> -E. Como arriba, VC1 no cambia notablemente, por lo que el voltaje de salida VOUT sigue a VIN hacia abajo.

En el circuito original del OP, la corriente de carga fluye a través de la ruta +Vcc -> salida del amplificador operacional -> R12 -> R5 -> C10 -> VIN -> tierra -> -Vcc.

Generalización. Generalicemos nuestras observaciones. Con la ayuda de R1 y R2 (divisor de voltaje), se construye una fuente de voltaje imperfecta (con una resistencia interna significativa). La fuente de voltaje de entrada perfecta (con resistencia interna cero) está conectada a través de otra fuente de voltaje perfecta (el C1 cargado) a la fuente de voltaje imperfecto. En esta lucha desigual, la fuente perfecta gana e impone su voltaje en el punto de salida común.

Analogía. Un amortiguador es una asombrosa analogía mecánica del capacitor. He ilustrado el funcionamiento del arreglo analógico: un amortiguador y dos resortes, en los mismos tres pasos que arriba. Están extraídos de otra película Flash (ver la versión gif animada ). Creo que las imágenes hablan por sí solas y no necesitan traducción.

1. Posición cero.

2. Tirando hacia arriba.

3. Tirando hacia abajo.

Aplicaciones. Podemos ver este circuito de polarización en la parte de entrada de muchos transistores de CA y circuitos amplificadores de amplificadores operacionales. Consideremos los dos más típicos de ellos:

1. Seguidor de emisor de CA.

2. Seguidor de amplificador operacional.