¿Qué sucede si agrega una fuente de voltaje a la salida de un amplificador operacional?

Creo que estás mezclando algunos conceptos diferentes. Vamos a abordarlos uno a la vez.

Primero, el voltaje de salida de un amplificador operacional es de hecho$V_{out} = A_v \cdot (V_+ - V_-)$. Esa es la definición de un amplificador diferencial. Pero en un amplificador operacional,$A_v$es enorme, un millón o más en algunos casos. Por eso, cualquier retroalimentación negativa hace que las entradas del amplificador operacional estén muy cerca unas de otras. Esta es la única condición que le da un voltaje de salida no enorme.

En cuanto a su circuito complejo, no hay una fuente de voltaje que impulse una salida de amplificador operacional. El amplificador operacional del medio actúa como un amplificador no inversor. la entrada es$V_C$(la salida del amplificador operacional inferior) y la salida es$V_D$. La relación entre ellos es:

$R_1$y$R_2$formar un divisor de tensión entre$V_D$y suelo, con$V_A$en el centro. la relación es:

Lo sabemos$V_D = V_{in}$y$V_C = V_A$. Entonces, ¿qué nos da eso?

Los dos amplificadores operacionales inferiores forman un atenuador no inversor, un amplificador con una ganancia inferior a uno. la salida es$V_A$. Esto alimenta el amplificador operacional superior, que actúa como un amplificador no inversor.

Para responder a su primera pregunta: si conecta una fuente de voltaje ideal a una salida de amplificador operacional ideal, rompe las reglas de la teoría de circuitos y no obtiene una respuesta significativa. En la vida real, lo que sucede depende de cómo se construyan la fuente de voltaje y el amplificador operacional. Probablemente será algo como esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Las resistencias de salida del amplificador operacional y la fuente de voltaje formarán un divisor de voltaje entre los dos. Estas resistencias serán pequeñas (e impredecibles), por lo que fluirá mucha corriente y no sabrá cuál será el voltaje hasta que lo pruebe. Obviamente, esto es malo, así que no lo hagas. :-)

ACTUALIZACIÓN: ¿Por qué es$V_C$afectado por$V_D$? Porque$V_D$es una de las entradas al amplificador operacional inferior. Tal vez esté confundido porque esto parece un razonamiento circular:$V_C$control S$V_D$, pero$V_D$también controla$V_C$. Entonces, ¿cómo$V_C$"saber" adónde ir si no sabe qué$V_D$es todavía?

Para mejorar su intuición, puede ser útil comenzar con algunos ejemplos más simples. Considere el seguidor de voltaje básico:

^{simular este circuito}

Imagina este circuito con$V_{in}$apagado.$V_{in}$y$V_C$ambos son 0V. Ahora encendemos$V_{in}$. El voltaje de la entrada no inversora se vuelve mayor que el voltaje de la entrada inversora ($V_+ > V_-$). Debido a la enorme ganancia del amplificador operacional, la salida se dispara. Pero la salida está conectada a la entrada inversora, por lo que cuando sube por encima$V_{in}$, usted obtiene$V_- > V_+$. Esto hace que la salida vuelva a bajar. Entonces, cuando la salida es mayor que el voltaje de entrada, cae. Cuando la salida es menor que el voltaje de entrada, aumenta. El único estado estable es cuando la salida es (casi) igual al voltaje de entrada.

Ahora agreguemos algunas resistencias:

^{simular este circuito}

Este es un amplificador no inversor. Funciona de la misma manera que el seguidor de voltaje, pero ahora la salida tiene que ser mayor que$V_{in}$estabilizar. (El estado estable es realmente cuando$V_- = V_{in}$.) Pero agregar resistencias no cambia el principio básico, ¿verdad?

Ahora prueba esto. Aquí hay un seguidor de voltaje realmente tonto:

^{simular este circuito}

Esto parece complicado, pero realmente no cambia nada. La salida del amplificador operacional inferior aumenta, lo que hace que aumente la salida del amplificador operacional superior. Cuando la salida del amplificador operacional superior supera$V_{in}$, la salida del amplificador operacional inferior comienza a caer, lo que hace que la salida del amplificador operacional superior caiga. El único estado estable es donde las salidas de ambos amplificadores operacionales son iguales$V_{in}$.

Su circuito es así, solo el amplificador operacional superior forma un amplificador no inversor en lugar de un seguidor de voltaje:

^{simular este circuito}

Este es el mismo que el circuito anterior, excepto que ahora la salida del amplificador operacional inferior tiene que ser menor que$V_{in}$que el circuito se estabilice. Por ejemplo, si ambas resistencias son de 1k, entonces:

Intente cambiar cualquiera de esos voltajes y tendrá una diferencia de voltaje entre las entradas del amplificador operacional. Por ejemplo, si la salida del amplificador operacional inferior ($V_C$) aumenta, la salida del amplificador operacional superior tiene que aumentar, porque$V_C > V_A$. Pero eso haría$V_D > V_{in}$, lo que significa que la salida del amplificador operacional inferior tiene que volver a caer.

Este concepto de conectar una salida a una entrada se llama retroalimentación negativa. Es ampliamente utilizado en electrónica y sistemas de control mecánico (entre otras cosas). Hay todo un subcampo de la ingeniería llamado Sistemas de control que estudia cómo usar la retroalimentación negativa para mejorar el rendimiento de un sistema y cómo garantizar que no se vuelva inestable.

Encontré las reglas ideales del amplificador operacional muy confusas cuando las aprendí por primera vez. Con suerte, estos ejemplos de comportamiento transitorio lo ayudarán a comprender las cosas.

Si agrega una fuente de voltaje a la salida de un amplificador operacional, tiene dos dispositivos con baja impedancia de salida que intentan conducir un nodo a un cierto voltaje y ambos tienen una capacidad teórica infinita de fuente / sumidero de corriente. En el mundo real, su fuente de voltaje explota su amplificador operacional. Fin de la historia.

No es X + Va porque dos fuentes de voltaje que conducen un nodo a dos voltajes diferentes dan como resultado que se descargue mucha energía de uno a otro. Los voltajes no se suman entre sí en los nodos. Si toma una batería de 1,5 voltios y una batería de 9 voltios y pone a tierra sus terminales negativos y une sus terminales positivos, no obtendrá 10,5 voltios. En cambio, la batería de 9 voltios comienza a descargar su energía en la batería de 1,5 V. La batería de 1,5 V comienza a "recargarse" antes de explotar.

el de abajo a la izquierda; el Vout de ese amplificador operacional es igual al voltaje en la A roja

Debido a la retroalimentación negativa de los dos amplificadores operacionales inferiores, V_d será impulsado por los dos amplificadores operacionales inferiores para que sea igual a Vin. V_a será impulsado por el amplificador operacional medio para igualar a V_c. En ningún momento hay más de un amplificador operacional que controle cualquier nodo de voltaje.

Dado que un amplificador operacional es solo una fuente de voltaje controlada por voltaje, puedo traducir su pregunta a una más simple: ¿Qué sucede en el circuito a continuación?