Ejercicio de análisis nodal para principiantes: ¿Por qué el voltaje de salida del amplificador operacional oscila entre 15 V y 0 V cuando el amplificador operacional está en la configuración de seguidor?

Para empezar, no hay absolutamente ninguna configuración de seguidor aquí. Este es un seguidor:

Tiene un 100% de comentarios negativos. Puede reemplazar el enlace del cable de retroalimentación con una resistencia, y mientras no haya nada más conectado a la entrada inversora, seguirá siendo un seguidor.

Su circuito también tiene un capacitor conectado a la entrada inversora, que puede no tener un gran efecto, pero es suficiente para decir que ya no es un seguidor.

En segundo lugar, también tiene una retroalimentación positiva, que se debe a que la resistencia R3 modifica el potencial de la entrada no inversora, en fase con los cambios en la salida. No solo no es un seguidor, ni siquiera es lineal.

Examinemos dos posibles condiciones que ilustrarán el efecto de esta retroalimentación positiva a través de R3. Digamos que la salida comienza en 0V. Volveré a dibujar la red que consta de R1, R2 y R3 de una manera que sea fácil de analizar intuitivamente:

Como puede ver a la izquierda, dado que el extremo derecho de R3 es 0V (la salida opamp), está efectivamente conectado en paralelo con R2, siendo la resistencia combinada:

R1 ∥ R2 = R1 × R2 ÷ (R1 + R2) = 50 kΩ

He vuelto a dibujar la red con R2 y R3 reemplazados con este único equivalente paralelo, a la derecha. También he etiquetado el voltaje en la unión de R1 y R2, que es:

Vj = 15V × 50kΩ ÷ (50kΩ + 100kΩ) = 5V

Ahora, ¿qué sucede cuando la salida del opamp es tan alta como puede ser a +15V?

Cálculos similares revelan que el voltaje en esa unión ahora es de +10 V, porque R3 y R1 están efectivamente en paralelo.

Debe quedar claro, entonces, que a medida que la salida del opamp se mueve entre los dos extremos de 0V y +15V, el voltaje Vj se mueve con él, entre +5V y +10V respectivamente. Vj no cambia tan rápido ni tan lejos, pero cambia y, de manera crucial, cambia el voltaje de entrada no inversor del opamp en la misma dirección que su salida. Esto es lo que quiero decir con comentarios positivos.

Imagina conducir un coche. Constantemente realiza correcciones de dirección en un esfuerzo por reducir la diferencia entre el lugar al que se dirige y el lugar al que desea ir. Esta es una retroalimentación negativa, porque el resultado es una reducción en el error, la "incorrección" de hacia dónde te diriges. Ahora imagina que haces cambios en dirección opuesta, cambios que aumentan ese error. Chocas muy rápido. Tu dirección se desvía y haces más ajustes para aumentar aún más ese error, por lo que giras más rápido en la dirección equivocada, y así sucesivamente hasta que chocas.

Solo es necesario para mí ilustrar esas dos condiciones de salida del opamp (0v o 15V), porque sé que la retroalimentación positiva hará que la salida de este opamp se "bloquee", ya sea en el extremo superior de su rango (+15V), o el inferior (0V). Nunca se asentará en ningún otro nivel intermedio, porque incluso la más mínima perturbación lo enviará volando a algún extremo.

Ahora examinemos el efecto de la resistencia R4 y el capacitor C1. El efecto de estos es producir un voltaje en su unión que cambia lentamente hacia el voltaje de salida del opamp. Crea una especie de versión retrasada de la salida del opamp en ese cruce.

Si la salida del amplificador operacional es de +15 V, C1 se cargará lentamente, hasta que tenga 15 V, y la unión de R4 y C1 también sea de +15 V. Cuando la salida del opamp cae a 0V, el capacitor se descarga lentamente, hasta que el voltaje a través de él es cero, y el voltaje en la unión de R4 y C1 también es 0V.

Este voltaje de giro lento retrasado se aplica a la entrada inversora. El opamp hará con él lo que hacen los opamps; amplificar la diferencia entre sus entradas inversoras y no inversoras.

A medida que cambia el voltaje de entrada inversora, en algún momento será igual y pasará el voltaje en la entrada no inversora. En ese punto, se activa la retroalimentación positiva, lo que hace que la salida del amplificador operacional se bloquee en el extremo opuesto.

Entonces suceden dos cosas. La entrada no inversora cambia el potencial como ya hemos discutido (si antes era de +5 V, cambia a +10 V, y viceversa), y el voltaje del capacitor invierte la dirección de giro.

Nuevamente, eventualmente la entrada inversora alcanza el mismo potencial que el nuevo potencial de entrada no inversora, y ocurre otra transición de salida, invirtiendo la situación. Esto se repite para siempre, formando un oscilador. La salida del opamp es una onda cuadrada, entre 0V y +15V.

R3, en combinación con R1 y R2, define efectivamente dos voltajes de "umbral", +5 V y +10 V en este caso, y C1 y R4 proporcionan una especie de forma de onda "triangular" que, cuando es igual (intersecta) el umbral, hace que el sistema cambie de estado. El flip es extremo y rápido, debido a la retroalimentación positiva que brinda R3.