¿Por qué se requiere retroalimentación en los circuitos de amplificador operacional?

Un opamp ideal tiene una ganancia infinita. Amplifica la diferencia de voltaje entre los pines + y -. Por supuesto, en realidad esta ganancia no es infinita, pero sigue siendo bastante grande.

La salida del opamp (en cierta medida también la entrada) está restringida por la fuente de alimentación, no podemos obtener más de lo que ingresa la fuente.

Si simplemente ponemos señales en el amplificador operacional sin retroalimentación, las multiplicaría por infinito y obtendría una salida binaria (se saturaría en los rieles de suministro)

Entonces, necesitamos alguna forma de controlar la ganancia. Eso es lo que hace la retroalimentación.

La retroalimentación (tanto CC como CA) forma parte de la salida amplificada de la entrada, de modo que la ganancia está mucho más restringida por la red de retroalimentación, que es predecible, y mucho menos por la enorme (e impredecible) ganancia de bucle abierto.

Incluso en un circuito solo de CA, todavía necesitamos retroalimentación que funcione en CC (cero Hz) o la ganancia sería solo la del circuito abierto para señales de CC. Su señal de CA, aunque restringida, se vería inundada por la ganancia de bucle abierto de CC.

Ya sabe que un opamp tiene una amplificación de bucle abierto muy alta, normalmente 100 000 veces. Veamos la situación de retroalimentación más simple:

El opamp amplificará la diferencia entre$V_+$y$V_-$:

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$

Ahora$V_+ = V_{IN}$y$V- = V_{OUT}$, después

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - V_{OUT})$

o, reorganizando:

$V_{OUT} = \dfrac{100 000}{100 000 + 1} \times V_{IN}$

eso es tan bueno como

$V_{OUT} = V_{IN}$

Este es un seguidor de voltaje , un$\times$1, que se utiliza principalmente para obtener una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja.

La retroalimentación reduce la muy alta amplificación de lazo abierto a$\times$1. Tenga en cuenta que se necesita una amplificación alta para obtener$V_{OUT}$lo más cerca posible de$V_{IN}$.

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Ahora, usando solo una fracción del voltaje de salida en la retroalimentación, podemos controlar la amplificación.

De nuevo

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$,

pero ahora$V_+ = V_{IN}$y$V- = \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT}$, después

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT})$

O:

$V_{OUT} = \dfrac{100000 \times V_{IN}}{\dfrac{R1}{R1+R2} \times 100000 + 1}$

El término "1" puede ignorarse, de modo que

$V_{OUT} = \dfrac{R1+R2}{R1} \times V_{IN}$

Tenga en cuenta que tanto en el seguidor de voltaje como en este amplificador no inversor, el factor de amplificación real del amplificador operacional se cancela siempre que sea lo suficientemente alto (>> 1).

El amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita, y esto es de poca utilidad en la electrónica analógica. La retroalimentación se utiliza para limitar la ganancia del circuito. Puede encontrar muchos ejemplos en el artículo de la wiki .

Considere el ciclo de retroalimentación simple:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

$Vout = A \cdot Vin - A \cdot F \cdot Vout$

$Av = \frac{Vout}{Vin} = \frac{A}{1+AF}$

En el caso del amplificador operacional, su ganancia define A: será una función bastante desagradable, porque estos amplificadores están hechos para dar una ganancia brutal y no tendrán una buena función lineal. Afortunadamente, si miras Av, si A es lo suficientemente grande, cancelará 1y dejará 1/F para determinar la ganancia.

En el caso del amplificador no inversor, el bloque F es un divisor de tensión, por lo que será algo así como 1/X. Esto establecerá la ganancia del amplificador en X.

En el caso de los amplificadores operacionales reales, A no será infinito, pero lo suficientemente grande como para permitir cancelarlo en la ecuación de ganancia de CC. Y las ventajas de la retroalimentación son aún más, como aumentar el ancho de banda, la linealidad, la relación S/N y más. Por ejemplo, en un circuito cerrado, la ganancia está determinada solo por la inversa de la ganancia de retroalimentación, siempre que la ganancia del amplificador operacional sea lo suficientemente grande.

En realidad, una sola resistencia no es tan útil como retroalimentación, ya que se comporta igual que un cortocircuito. Un divisor de voltaje a tierra hace que se comporte como un multiplicador de razón fija del mismo factor (por la misma razón mencionada anteriormente).

El propósito de la retroalimentación de CC es definir lo que desea que haga el amplificador operacional, es decir, cuál será su voltaje de salida. Sin él, la salida aumentará o disminuirá hasta que llegue a los rieles de alimentación.

Esto puede ser útil, y existe un gran mercado de amplificadores operacionales especializados para funcionar de esta manera, llamados "comparadores".

Un comparador es simple: si la entrada + es mayor que la entrada -, la salida es +Vcc. De lo contrario, la salida es −Vee. El símbolo esquemático es el mismo que un amplificador operacional, e incluso con suficiente esfuerzo pueden ser persuadidos para trabajar en ambos roles, pero en la práctica, los dos tipos son altamente especializados y tales esfuerzos realmente no valen la pena.

Con la ruta de retroalimentación de CC, un amplificador operacional puede ser estable en algún punto que no sea "salida fuerte contra los rieles", y el circuito generalmente está diseñado para encontrar ese punto.

En lugar de pensarlo estáticamente, piense en un amplificador operacional como un integrador. Cada vez que su entrada + sea mayor que su entrada −, la salida de un amplificador operacional SUBirá rápidamente. Esta subida se debe a medida que las entradas están más próximas entre sí, deteniéndose finalmente cuando se igualan. Del mismo modo, la entrada + menor que la entrada − hará que la salida caiga. La retroalimentación es generalmente a la entrada − porque esa es la forma más sencilla de hacer un circuito que funcione de esta manera.

Un amplificador de error de fuente de alimentación típico no tiene una ruta de retroalimentación de CC:

Sin embargo, puedo asegurarles que este amplificador funciona bastante bien.

Visualice este amplificador de error controlando un convertidor reductor . Vcomp se usaría para controlar el ciclo de trabajo de un interruptor, que controla el flujo de corriente a través de un inductor y controla Vout. A medida que aumenta Vcomp, también lo hace el ciclo de trabajo, lo que hace que Vout aumente y Vcomp disminuya. La red de compensación aumentará o disminuirá Vcomp de manera controlada, para obligar a Vout a coincidir con Vref (tan cerca como lo permita el opamp).

[Por supuesto, el tren de potencia proporciona una apariencia de retroalimentación de CC, pero estoy divagando :)]

La retroalimentación de CC en los usos del amplificador operacional debido a la estabilidad, también la ganancia del amplificador operacional es demasiado alta, por lo que usamos la retroalimentación para tener una ganancia específica en la salida