OP-AMP emite voltaje constante sin entradas

Peter Bennett tiene un punto sobre los voltajes mínimo y máximo que pueden estar presentes en las entradas, pero no estoy seguro de que ese sea el problema aquí. En primer lugar, podemos observar el comportamiento de su amplificador operacional. Sin entrada, está siendo conducido a los rieles, como se le llama. Básicamente, el rango máximo de un amplificador operacional es su voltaje de suministro positivo y negativo, menos una pequeña cantidad, denominada headroom. Para los amplificadores operacionales modernos, el margen de maniobra suele ser inferior a un voltio. Para los amplificadores operacionales más antiguos, como el 741, el margen requerido para el circuito interno es mucho mayor. Esto debe especificarse en la hoja de especificaciones, si tiene curiosidad. Recomiendo http://www.datasheetcatalog.com/como fuente para eso, aunque siempre puede obtener hojas de datos en el sitio web del fabricante. Eso describe el voltaje de salida que está viendo desde el amplificador operacional. El voltaje del riel menos una cierta cantidad de espacio libre, probablemente un voltio más o menos. Sin embargo, no describe por qué lo estás viendo. Para esto, deberá aprender cómo funciona realmente un amplificador operacional y dónde difiere un amplificador operacional real de su modelo ideal.

Si bien no estoy seguro de cuál es su experiencia en electrónica, parece que espera que la salida de su amplificador operacional se comporte de la siguiente manera$v^+ - v^- = v_{out}$. Ese es un buen modelo mental del amplificador operacional, pero le falta un elemento, la ganancia. Un mejor modelo matemático es$K(v^+ - v^-) = v_{out}$, donde K es un número. Un número realmente grande. Como, 100,000 más o menos (está en la hoja de especificaciones. Busque el producto Ganancia-ancho de banda). Un amplificador operacional real no puede emitir a un voltaje fuera del rango de su voltaje de suministro, por lo que está siendo conducido a los rieles con fuerza. Lo que puede hacer (y agregaré algunos esquemas más adelante) es agregar retroalimentación negativa al circuito, lo que reduce la ganancia a un nivel más manejable. Para una diferencia directa, desea que la ganancia sea 1.

Finalmente, queremos saber por qué el amplificador operacional emite un voltaje. Para eso, necesita saber aún más sobre las no-idealidades de los amplificadores operacionales. Básicamente, todo dentro de ese cachorro son transistores. Si recuerdo el esquema 741, estás viendo alrededor de 14 BJT. Creo que wikipedia tiene un artículo que muestra el esquema, si así lo desea. En la entrada del 741 hay lo que se llama un amplificador diferencial. Esto toma la diferencia entre las dos entradas y genera el resultado, donde lo más probable es que luego se almacene en búfer. El problema es que esto requiere al menos cuatro transistores BJT, y cada transistor será diferente. Esto crea pequeños sesgos de CC en el amplificador diferencial, por lo que incluso si tuviera que conectar el$v^+$y$v^-$pines juntos, aún vería el amplificador operacional conducido a los rieles. Con una ganancia de 100 000, incluso 1 microvoltio de diferencia es un gran error.

Aparte, el 741 es un paquete de ocho pines. Consulte la hoja de especificaciones y verá que dos de ellos, si mal no recuerdo, están etiquetados como compensación nula. Estos pines en realidad se usan para compensar ligeramente el amplificador diferencial, eliminando ese error en la salida. Los amplificadores operacionales más nuevos son mucho más precisos y ya no necesitan ofrecer esa funcionalidad. Sin embargo, todavía no recomendaría anular el amplificador operacional sin reducir esa ganancia primero.

Voy a golpearte con algo grande.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¡BAM! Robé ese diagrama de http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_5.html . Lea toda esa serie de artículos, es realmente genial. Este es un circuito de amplificador operacional que se puede usar para tomar la diferencia de dos entradas. Es un poco difícil de analizar si no tienes mucha experiencia en electrónica. De un vistazo rápido a mis viejos libros de texto, la salida de ese circuito es algo del orden de

En resumen, esto se debe a imperfecciones en el opamp que están naturalmente presentes. Opamp 741 tiene un voltaje de compensación incorporado, que está presente entre las entradas inversoras y no inversoras. Este pequeño voltaje de compensación cuando es amplificado por la ganancia de circuito abierto del opamp satura el voltaje de salida. Aquí hay una buena descripción de la causa y también una forma de eliminar este voltaje de compensación de su circuito. http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-038.pdf

El 741 está diseñado para funcionar con suministros de +/- 15 voltios y, en esas condiciones, las entradas no deben estar a 2 o 3 voltios de los pines de suministro. ¡Esto no deja mucho espacio para operar con un suministro de 5 voltios!

Sin embargo, puede obtener una salida sensible si conecta las entradas juntas y a un divisor de voltaje que las mantiene a 2.5 voltios (sin embargo, no hay garantías, ya que está tratando de usar la cosa fuera de sus especificaciones de diseño).

Use suministros bipolares más altos o encuentre un amplificador operacional diseñado para usar en un solo suministro de 5 voltios.

Su amplificador operacional está saturado en un valor de salida máximo, además está operando muy por debajo de los voltajes de suministro recomendados.

Hay algunas cosas mal con su suposición. Primero, las entradas no conectadas son "flotantes", y si ambas entradas son flotantes, eso ciertamente no significa que sean "iguales".

A continuación, tiene razón en que la salida de un amplificador operacional de bucle abierto es la diferencia entre los terminales de entrada multiplicada por una ganancia. El problema es que la ganancia de bucle abierto es muy grande, por lo general alrededor de$10^5$, y en el ideal,$\infty$. Cuando multiplica un número muy pequeño, digamos 1 mV (que no es un voltaje de polarización irrazonable para un 741), veces$\infty$, la respuesta puede ser muy grande.$1\,mV \times 10^5= 100V$, y saturará su salida. Probablemente vería este comportamiento incluso si conectara a tierra sus entradas, en lugar de dejarlas flotando.