Amplificadores operacionales, su impedancia y flujo de corriente.

La impedancia de entrada infinita significa que no fluye corriente hacia los terminales de entrada de un amplificador operacional ideal. El amplificador operacional ideal también tiene impedancia de salida cero , y ciertamente proporciona corriente.

La imagen de arriba muestra un amplificador operacional no ideal en una configuración inversora. Para idealizar esto,$Z_{in1}$y$Z_{in2}$son iguales a$\infty$, y$Z_{out}=0$, haciendo$e_{out}=v_{out}$. Para rematar los supuestos ideales,$A_{OL}$es la ganancia de lazo abierto del amplificador operacional, y es igual a$\infty$

Un OpAmp puede considerarse una fuente de voltaje controlada por voltaje. Aplica un voltaje en ambas entradas, el OpAmp 'mide' el voltaje diferencial$v_D$y aplica un voltaje proporcional a$v_D$en la salida La proporcionalidad está determinada por la ganancia de bucle abierto del OpAmp. Por lo general, es muy alto, alrededor de 1E5, infinitamente alto para un OpAmp ideal.

La energía para impulsar la salida proviene de los rieles de suministro, no de la entrada. Este es el truco con un OpAmp ideal: tiene entradas donde no fluye corriente (también conocida como entrada de alta impedancia), pero aparece un voltaje en la salida que puede suministrar algo de corriente (también conocida como salida de baja impedancia). Entonces es un convertidor de impedancia.

Como la ganancia de bucle abierto de un OpAmp es tan alta, normalmente no se usa en esta configuración para diseños de amplificadores. En su lugar, aplica retroalimentación negativa (salida conectada de alguna manera a la entrada inversora). Si hay comentarios negativos, puede hacer otra suposición importante de un OpAmp ideal:$v_D$es cero Esto significa que OpAmp impulsará la salida a cualquier valor que sea necesario para lograr$v_D=0$. Además, todavía no fluye corriente hacia el OpAmp.

Por lo tanto, las entradas de un OpAmp ideal con retroalimentación negativa empleada no muestran entrada de corriente ni voltaje a través de ellas y, por lo tanto, no son cortas (sin voltaje, corriente máxima) ni abiertas (voltaje máximo, sin corriente).

Tenga en cuenta que la aplicación de retroalimentación negativa inserta una conexión del lado de entrada al lado de salida y, por lo tanto, influye en la impedancia de entrada y salida. Entonces, el OpAmp ya no es el convertidor de impedancia casi ideal mencionado anteriormente. En su lugar, debe analizar la impedancia de entrada y salida según el circuito de retroalimentación.

La corriente de salida de un OpAmp ofrece sorpresas. En gran parte del rango útil de frecuencias, hay un cambio de fase de 90 grados entre Vin (la diferencia entre Vin+ y VIn-) y Vout. Puede ver este cambio de fase, en el gráfico de la izquierda que se muestra a continuación. ¿Qué hace este cambio de fase? Hace que Vout parezca inductivo, particularmente cuando la corriente de salida cae con la frecuencia.

Agregue un condensador y obtendrá otra sorpresa: el pico de la respuesta de frecuencia, que se muestra arriba en el gráfico de la derecha.

En este siguiente conjunto de gráficos, vemos el OpAmps INDUCTIVE Zout a la izquierda (mirando hacia atrás en la etapa OpAmp); luego miramos hacia atrás en el escenario Cload y vemos el efecto combinado con la aguda resonancia de Lout y Cload.

La corriente de salida y el voltaje de salida tienen otras sorpresas: ruido térmico y ruido de fuente de alimentación (determinista). Esos provocan un movimiento de la salida, incluso cuando Vin está fijo. En la siguiente captura de pantalla, mire en la parte inferior derecha para leer el error de ThermalNoise y de Aggressors (el único Aggressor activado es PSI --- fuente de alimentación que interfiere --- se muestra en la casilla de verificación superior derecha). Observe los 22,8 uV de ruido térmico y los 15 uV de (60 Hz, 120 Hz) ruido de la fuente de alimentación.

Esto es lo que es una señal pico de 25uV, a 200Hz, con potencia de ruido 1:1 (0dB) y ruido de señal agregados, en un filtro LC de 200Hz. Observe que la mayor parte del ruido OpAmp se ha ido; vemos algo de deambulación de la sinusoide y algo de "distorsión", que es solo el ruido que no se elimina por completo, por lo que la energía altera la forma de la sinusoide. El amplificador operacional es muy útil, en PCB o en silicio, pero vale la pena aprender la física y las matemáticas involucradas para que no espere demasiado y pueda obtener un rendimiento excelente.

Aquí hay una gráfica de Zout versus frecuencia, para un opamp con UGBW de 100MHz. La trama es particularmente interesante porque el amplificador operacional tiene un pin ChipSelect, por lo que vemos a Zout con transistores de salida controlando el pin de salida y con esos transistores deshabilitados. Cerca de 500 MHz, el Zout se acerca a los 30 ohmios, que es una impedancia de 10 pF. También tenga en cuenta la caída de la impedancia; 10pF y 10nH (inductancias de clavija Vout y clavija VDD) resuenan a 500 MHz.

Estoy pensando que el Zout de 30 ohmios es la reacción NPN en paralelo con la reacción PNP, donde la reacción es 0.026/Ie_ma, por lo tanto, 0.5ma produce 52 ohmios en ambos emisores, que en paralelo se convierten en 26 ohmios.

El modelo del amplificador operacional ideal muestra una fuente de voltaje dependiente sin resistencia de salida como salida del dispositivo. Recuerda que en los dispositivos prácticos ves 2 pines de fuente de alimentación.

Idealmente, un opamp tiene una impedancia de entrada infinita (y, por lo tanto, corriente de entrada cero) y una ganancia de bucle abierto infinita, junto con un rango de voltaje de salida, ancho de banda y velocidad de respuesta infinitos e impedancia cero en la salida (y, por lo tanto, corriente de salida infinita) con cero ruido. Pero en realidad eso está lejos de ser cierto. Un opamp real tiene:

1. Impedancia de entrada alta, pero finita, por lo que una pequeña corriente de entrada (unas pocas decenas de nanoamperios a solo algunos picoamperios, creo);
2. Impedancia de salida baja, pero distinta de cero, con una corriente de salida de unos pocos miniamperios a cientos de miliamperios (como 200 mA) para amplificadores operacionales de potencia;
3. Ancho de banda finito (es fácil encontrar uno con más de 2 MHz de ancho de banda por un pequeño precio);
4. Velocidad de respuesta finita de, comúnmente, 5 a 100 V/microsegundo;
5. Tensión de salida limitada a la tensión de entrada.

Siempre revise las hojas de datos antes de comprar cualquier componente. Eso incluso puede ayudarlo a comprender cuáles son los parámetros importantes para un tipo de componente eléctrico o electrónico.