OpAmp con voltajes de modo común y corriente de retroalimentación cero

Paso A

El circuito A es un amplificador no inversor clásico con un voltaje de modo común de 1 V CC tanto para su entrada inversora como para la no inversora.

El circuito A es más que un amplificador no inversor clásico; es un amplificador diferencial "malo" con ganancias desiguales en ambas entradas: una ganancia no inversora de Rf/Ri + ​​1 = 2 y una ganancia inversora de -Rf/Ri = -1. Por eso la suma de las dos tensiones de salida parciales es 1 V en lugar de 0 V (superposición). Puede convertirlo en un amplificador diferencial perfecto atenuando la ganancia no inversora con una relación de Rf/(Ri + Rf)... y este es el escenario más probable para su invención...

Como 1V tiene que aparecer en la entrada inversora...

+

la salida Vout tiene que tener el mismo voltaje que aparece en la entrada inversora: Vout=1V...

+

por lo tanto, no hay caída de voltaje en Ri y, posteriormente, tampoco puede haber corriente a través de Rf.

Como puede ver, reorganicé sus pensamientos (correctos) y armé una oración a partir de ellos con una relación causal más correcta.

Paso B

Si no pasa corriente a través de Rf, el circuito de retroalimentación es esencialmente un circuito abierto (circuito B).

Sus observaciones son muy interesantes (+1 por este "descubrimiento"). Sí, esto se puede ver como una especie de "circuito abierto"... que podemos llamar un "circuito abierto virtual". Este truco de circuito se conoce como "bootstrapping" y se cree que fue inventado (en una forma no eléctrica) por Baron Munchausen hace varios siglos :)

La idea es muy simple e intuitiva: simplemente inserte una fuente de voltaje igual pero opuesta en serie a la fuente de voltaje de entrada . Por lo tanto, neutraliza el voltaje de entrada y no fluye corriente en el circuito. Esto crea la ilusión de resistencia infinita ("circuito abierto"). Pero, ¿significa "circuito roto" como se muestra en su figura?

Paso C

Sin embargo, este "circuito abierto virtual" (o, como dicen, "resistencia de arranque") no significa "circuito roto". La paradoja de este fenómeno es que hay un "puente" de resistencia entre las dos fuentes de voltaje... y puede tener una resistencia lo suficientemente baja... pero la fuente de voltaje de entrada tiene la ilusión de que no hay conexión entre las fuentes. Por lo tanto, su Fig. C tampoco es correcta ...

"Regla de oro"

Podemos resumir esta sabiduría en otra "regla de oro" para detener la corriente en un circuito de una fuente de voltaje y una resistencia en serie. Entonces, podemos detener la corriente en una rama del circuito de tres formas posibles:

• cortando el circuito (desviando la corriente),
• rompiendo el circuito (circuito abierto),
• insertando una fuente de tensión opuesta.

Ver también

Le recomiendo que visite una interesante historia de circuito de Wikilibros que creé con mis alumnos en 2008. Allí estábamos explorando el mismo arreglo que el suyo: un circuito de resistencia (potenciómetro) conectado entre dos fuentes.

Aquí hay una película de un experimento computarizado con el mismo arreglo (descrito en la historia).

Como habrás adivinado, esta es una gran idea atribuida a Miller .

Su comprensión inicial es correcta. Los amplificadores operacionales ideales asumen que las entradas diferenciales no consumen corriente y requieren una retroalimentación negativa no saturada para hacer Vin-=Vin+. Por lo tanto, al usar su primer diagrama con 1V en ambas entradas y retroalimentación negativa, tanto las entradas como la salida deben ser iguales a 1V.

Si Vin+ fuera 0V= Gnd, entonces la salida sería -1V y, por lo tanto, Vin-=Vin+=0V.

• cambiando Vin+ hasta 1V, la salida pasa de -1 a +1V porque la ganancia no inversora Av+= (Rfb/Rin +1) = 2 mientras que la ganancia inversora Av-=-1 (con Rfb=Rin)

• entonces la salida neta Vout = 2-1=1V

• La versión de bucle abierto es solo un comparador y si la salida está en cualquiera de los rieles, entonces sabe que no hay ganancia en ese punto para ir más allá y que Vin- no puede ser igual a Vin+. (Sí, eso significa que la ganancia va de infinita o enorme a cero)

  • es decir, ya no es lineal con una entrada nula virtual o una tierra virtual.

• tierra solo significa 0 V como referencia y la tierra virtual significa que puede haber un voltaje de modo común con esta diferencia nula.

• en la práctica, muchos se olvidan de verificar el rango de modo común de entrada o las especificaciones de Vcm en un solo suministro para satisfacer la polarización de los circuitos de entrada. Aquellos con entradas PNP están diseñados para trabajar en y ligeramente por debajo de Vee. Algunas, como las entradas CMOS, pueden ir de un carril a otro en cuanto a entradas y salidas.

En realidad, con una ganancia finita [...] el argumento sería aún más convincente: ¡la ganancia finita de bucle abierto multiplicada por el potencial cero debe ser cero!

Me resulta aún más claro ver con ganancia finita. Está forzando solo una entrada a 1V. El otro depende de la fuente de voltaje y la op. amperio. salida para su voltaje. Si rompe la retroalimentación negativa, elimina el mecanismo que intenta "poner a cero" el voltaje de entrada diferencial.

Este circuito utiliza un op. amperio. solo con ganancia finita como característica no ideal de DC (de hecho, muy pequeña, 1000, para que quede aún más claro):

Hay corriente a través de las resistencias en esta condición.

Si rompe la retroalimentación con este modelo ideal, a excepción de la ganancia finita, todo funciona como esperaba ($(1 - 1) \times 1000 = 0$):

Tratar de seguir un proceso de pensamiento mientras se multiplica$0 \times \infty$es realmente un problema. Como la ganancia de lazo abierto tiende a infinito, el voltaje de entrada diferencial tiende a cero (con retroalimentación negativa). La corriente a través de las resistencias tenderá a cero, pero la corriente distinta de cero significa que$V_{in-}$> Entrada-pin$> V_{out}$. Los dos op. amperio. los pines tenderán a 1 V @ el pin no inversor, pero no juntos si la resistencia de retroalimentación no es cero.

Buena lectura aquí: https://math.stackexchange.com/questions/28940/why-is-infty-cdot-0-not-clearly-equal-to-0 .

Respuesta muy breve sobre el punto principal en el que sus suposiciones son incorrectas:

La corriente de retroalimentación cero no implica bucle abierto.

Como un contraejemplo fuerte, considere un seguidor de voltaje opamp. Si la entrada inversora está conectada solo a la salida del opamp y a ningún otro lugar (seguidor de voltaje), entonces el opamp ideal nunca tiene ninguna corriente de retroalimentación pero, por supuesto, está en un circuito cerrado con la salida siguiendo la entrada. Sin embargo, un opamp real tendrá algo de corriente de retroalimentación en este escenario.

Si la entrada inversora también se usa como entrada (además de la retroalimentación negativa), entonces muchas configuraciones de opamp (ideal o real) tendrán un conjunto particular de voltajes de entrada en los que la corriente de retroalimentación cambia de signo. Pero incluso este cruce por cero no implica un ciclo abierto.

Lazo abierto significa que no hay una dependencia causal de ninguna entrada en la salida del opamp.