¿Pueden Vin + y Vin- de un amplificador operacional estar fuera del voltaje de suministro siempre que su diferencia esté dentro de él?

En términos generales, no. La hoja de datos debe decirle claramente lo que está permitido sin daño y lo que podría funcionar y lo que está garantizado para funcionar (seis números diferentes en general).

Ambas entradas del amplificador operacional deben estar dentro del rango de suministro. Muchos amplificadores operacionales pueden tolerar entradas ligeramente fuera del rango de suministro (ligeramente cientos de mV) y no dañarse y algunos aún funcionan para pequeñas excursiones, especialmente debajo del riel negativo para amplificadores operacionales de "suministro único" y fuera de ambos rieles para riel Amplificadores operacionales de entrada a riel. Pero solo un poco .

Por ejemplo, se garantiza que el popular amplificador operacional MCP601 (a 25 °C) funcionará con entradas tan bajas como -300 mV en el riel negativo y tan altas como 1,2 V por debajo del riel positivo.

Los límites de daño (no funcional) se encuentran en las clasificaciones máximas absolutas e involucran escenarios como con o sin resistencias limitadoras de corriente.

Muy pocos amplificadores operacionales de boutique, como el LT6015 , funcionarán con entradas mucho más altas que el riel de suministro positivo (hasta +76 V frente al riel negativo, independientemente del riel positivo en ese caso).

Muchos amplificadores operacionales, especialmente los más antiguos (LM308, LM741, etc.), no funcionarán de manera confiable a menos que ambas entradas sean 1 o 2 V más altas que el riel negativo y 1 o 2 V más bajas que el riel positivo. Esa debería ser su suposición predeterminada a menos que la hoja de datos proporcione mejores noticias (y la parte numérica que usa encabezados mínimos/máximos, no las cifras "típicas" o la propaganda publicitaria en la parte superior)

La mayoría de las entradas del osciloscopio tienen un atenuador por delante de los voltajes de alimentación internos y la entrada es relativa a la tierra del circuito, que normalmente también es tierra. Entonces, la entrada puede ser de +75 V en relación con la tierra, pero son solo unos pocos voltios cuando llega al amplificador activo. Algunos, como mi Tektronix TPS2024, tienen canales completamente aislados y pueden tolerar cientos de voltios con respecto a tierra. Se paga caro por esa característica.

No, los amplificadores operacionales no pueden funcionar correctamente con ninguna de sus entradas fuera de sus rieles de suministro.

Los transistores internos deben estar operando desde un suministro más alto que su voltaje base/puerta para funcionar correctamente. Conducir las entradas por encima o por debajo fuera del rango del riel de suministro probablemente dañe el amplificador operacional, aunque depende de la pieza y del circuito de conducción.

Los amplificadores operacionales no especificados como de riel a riel tanto en su descripción como en sus características eléctricas necesitan que su rango de voltaje de entrada esté dentro de su rango de voltaje de suministro por un margen.

Los osciloscopios tienen divisores de potencial en sus entradas de canal para llevar el voltaje aplicado a un rango operativo aceptable para su circuito interno. Es el voltaje dividido lo que se mide.

Por lo general, los amplificadores operacionales no funcionan correctamente si alguna de las entradas se encuentra fuera del rango de los rieles de alimentación. [De hecho, muchos amplificadores operacionales no son de riel a riel, y su rango operativo adecuado es más pequeño que el rango de los rieles de potencia].

Sin embargo, hay un circuito que se puede hacer a partir de un amplificador operacional llamado amplificador diferencial , que puede amplificar una señal diferencial donde el voltaje de una o ambas entradas se encuentra fuera del rango de los rieles de alimentación.

Un amplificador diferencial típicamente se ve así:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

R1 y R2 sirven como un divisor de voltaje, de modo que incluso si Vin+ está fuera del rango de los rieles de alimentación, el voltaje en la entrada no inversora del amplificador operacional puede estar dentro del rango operativo adecuado del amplificador operacional.

Debido a que el amplificador operacional está configurado con retroalimentación negativa, siempre que la entrada diferencial no sea lo suficientemente grande como para saturar el amplificador operacional, la entrada inversora del amplificador operacional tendrá prácticamente el mismo potencial que la entrada no inversora. Entonces, si la entrada no inversora en el amplificador operacional está dentro del rango operativo adecuado, la entrada inversora también lo estará.

Definición: Un canal es la entrada de hardware en el osciloscopio al que se conecta una sonda.

Entiendo que los osciloscopios profesionales pueden acomodar esto, ¿qué circuito existe en los osciloscopios que permite hacer referencia a una tierra aparentemente arbitraria y comparar una señal con ella?

No. La mayoría de los osciloscopios no tienen canales aislados. Ni siquiera el alcance de $ 20k que tengo en el trabajo con 8 canales. Y los estudiantes explotan los osciloscopios pensando que lo hacen al tratar de medir a través de dos componentes diferentes simultáneamente donde conectan los clips de tierra de la sonda a dos nodos de circuito diferentes. El clip de tierra en todas las sondas es el mismo nodo a menos que sepa lo contrario.

Así que tenga cuidado al conectar sondas pasivas en un osciloscopio alimentado por la pared a un circuito alimentado desde la red eléctrica de CA que no utiliza un transformador. El nodo de referencia ya se ha decidido por usted, ya que el clip de referencia de la sonda ya está conectado a algo en el circuito a través de la fuente de alimentación del osciloscopio.

Lo que está pensando son sondas aisladas o sondas diferenciales . Las sondas aisladas en realidad flotan.

Las sondas diferenciales no amplifican la diferencia de voltaje en relación con la referencia del canal del osciloscopio y la pasan al osciloscopio, a menudo reduciéndola primero con un divisor para que los voltajes de entrada altos puedan entrar en el rango de medición. Entonces, para mi ámbito de trabajo, tuvimos que obtener un montón de sondas diferenciales de $ 4k diferenciales para cada canal que queríamos medir con una referencia diferente. Ay. Esto es lo que hay dentro de una sonda diferencial:

https://circuitcellar.com/research-design-hub/sonda-diferencial-de-alto-voltaje/

Ver enlace para la descripción del circuito. Se proporciona suficiente para construir el suyo propio. Básicamente, un divisor resistivo simétrico o balanceado en paralelo con un divisor capacitivo de la misma relación para la compensación de frecuencia (para que la R en el divisor no elimine el ancho de banda al hacer un filtro RC con capacitancias parásitas y de entrada) seguido de un amplificador diferencial.

O la fuente de alimentación del osciloscopio está completamente aislada de la fuente del circuito para que puedan flotar a lo que desee para UNA referencia entre todas las sondas pasivas, ya que los canales de entrada aún comparten la misma referencia. (Por supuesto, la sonda diferencial o la sonda aislada conectada aún le permiten medir con diferentes referencias).

1. El osciloscopio o el circuito funcionan con batería y el otro no.
2. El alcance y el circuito se alimentan de diferentes baterías.
3. El osciloscopio o el circuito se alimentan de un suministro aislado y el otro no
4. El alcance y el circuito se alimentan de diferentes fuentes aisladas

O, en los casos más raros, el osciloscopio tiene canales aislados y cada canal se puede conectar a un nodo de referencia diferente incluso si se utilizan todas las sondas pasivas. Los osciloscopios portátiles alimentados por batería tienen una mayor probabilidad de ser esto debido a su uso esperado.

En general, no , lo que está describiendo es que los puntos 2 y 3 se elevan más que Vs + si estuviera usando un amplificador operacional BJT. En este caso, Q1 y Q2 permiten que la corriente/voltaje fluya hacia arriba, pero tiene Q8 como un PNP conectado a un diodo. Esto actuará como un diodo reverenciado y no permitirá que fluya ninguna corriente. Q9 también actuará como un diodo reverenciado, por lo que realmente no sucede nada. Si vas lo suficientemente alto, dañarás la pieza.

Por otro lado, lo que efectivamente ha hecho es convertir esto en un amplificador controlado por corriente porque sus corrientes de entrada fluirán a través de la parte inferior de esa etapa. Todo lo demás en el amplificador funcionaría como se esperaba. En este caso, en realidad hay una buena posibilidad de que lo que buscas funcione hasta cierto punto. Está fuera de las especificaciones y no lo recomendaría, pero si está buscando un amplificador de corriente-corriente (frente a un amplificador de voltaje-> corriente), entonces esto aún podría funcionar. También tenga en cuenta que su ganancia puede sufrir mucho porque ha perdido cualquier amplificación en la primera etapa.

Tenga en cuenta que esto definitivamente no funcionará con un amplificador operacional basado en MOSFET porque las puertas de entrada no permiten que fluya ninguna corriente y los voltajes de entrada elevados simplemente cortarán las corrientes de suministro, lo que evitará que suceda algo.

Además, deberá revisar las especificaciones internas de cualquier amplificador operacional BJT que tenga para determinar si es factible tal como lo hice en el segundo párrafo. Aún así... No recomendaría hacer esto.

¿Puede un amplificador operacional Vin+ y Vin- estar fuera del voltaje de suministro siempre que su diferencia esté dentro de él?

Por lo general, Vin+ y Vin- deben estar bastante cerca uno del otro (piense en milivoltios) para que el amplificador operacional funcione en su región lineal. Y normalmente, la especificación para el voltaje de entrada de modo común máximo (o mínimo) permite la variación de Vin+ y Vin- por encima y por debajo del voltaje de modo común máximo (o mínimo). Por lo tanto, si un amplificador operacional está clasificado para un voltaje de modo común máximo de Vcc-2,0 V, normalmente funcionará correctamente si (Vin+ + Vin-)/2 es menor o igual que Vcc-2,0 V y (Vin+ - Vin -) es lo suficientemente pequeño como para que el amplificador operacional funcione en su modo lineal. La misma regla se aplica si el voltaje de modo común máximo se especifica como Vcc-0.1V, o Vcc, o Vcc+0.2V o cualquier otra cosa. Por supuesto, para cada regla, puede haber excepciones.

Si quisiera muestrear el voltaje diferencial de un par de señales cuyo modo común está fuera y potencialmente significativamente fuera del rango del voltaje de suministro, ¿los amplificadores operacionales pueden admitir esto de forma nativa?

Si el amplificador operacional no es al menos "riel a riel", entonces la respuesta es no. Algunos amplificadores operacionales vendidos como "riel a riel" permitirán un voltaje de modo común ligeramente superior a Vcc. Por un poco más arriba me refiero a 0.1 o quizás 0.2V. Sin embargo, hay amplificadores operacionales que se venden como "over-the-top", que tienen voltajes de entrada de modo común máximos muy por encima del riel de suministro positivo. El LT6015 de Analog Devices es un ejemplo. Por lo tanto, para algunos amplificadores operacionales (pero no para la mayoría), la respuesta es SÍ, es posible.

La mayoría de los amplificadores operacionales usan una variedad de (y posiblemente una combinación de) "pares diferenciales" para sus entradas. Hay varias formas de diseñar pares diferenciales para que sus entradas puedan exceder los rieles de alimentación por una cantidad limitada. Por ejemplo, el uso de Darlington o MOSFET para los transistores en los pares diferenciales. El LT6015, sin embargo, utiliza un enfoque bastante diferente. No sé si tiene un nombre oficial, pero el LT6015 usa una especie de "par diferencial de espejos actuales" en su etapa de entrada.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Cómo funciona es así: el circuito consta de dos espejos de corriente: Q1 y Q3 y Q2 y Q4. Suponiendo que los espejos de corriente reflejan la corriente 1:1 y despreciando las corrientes de base que son pequeñas en comparación con las corrientes de colector que fluyen en Q1 y Q2, la suma de las corrientes de salida es igual a la corriente de referencia. Si la mayoría de la corriente de referencia se divide por igual entre los colectores de Q1 y Q2, las corrientes de salida serán iguales. Sin embargo, una diferencia en los voltajes de entrada hará que la corriente de referencia se divida de manera desigual entre los espejos de corriente y dará como resultado corrientes de salida desiguales.

Toda la etapa de entrada para el LT6015 es un poco más compleja, pero el circuito anterior es la configuración del transistor que le permite operar con entradas de modo común muy por encima del riel de suministro positivo.