Tierra en un OP-AMP

Para un amplificador operacional, la tierra es un potencial de referencia arbitrario, algo que importa a la red de componentes que rodean al amplificador operacional y al usuario del amplificador operacional, más que al amplificador operacional en sí.

Lo que técnicamente le importa al amplificador operacional son los rieles de la fuente de alimentación, que limitan el rango de potenciales donde pueden operar sus entradas y salidas: detectan el voltaje y producen la salida. Aún así, en condiciones normales, incluso los rieles de suministro no ingresan a las "ecuaciones" lineales del amplificador operacional como una referencia de CC o algo similar (pueden servir como una referencia de CC en la red circundante de otros componentes).

Tenga en cuenta que en las topologías de circuito básicas basadas en amplificadores operacionales, la función de transferencia necesita que el amplificador operacional tenga solo tres terminales: + entrada, - entrada y salida. (Algunos amplificadores operacionales de propósito especial también pueden tener dos salidas, pero puede abstraerse de eso para empezar).

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Sin embargo, es una pregunta interesante :-) ¿Cómo es posible que el amplificador operacional no necesite un terreno de referencia, si tiene una salida de un solo extremo? ¿O dos salidas que son meras copias invertidas una de la otra?

No he estudiado el tema académicamente ... pero buscaría la respuesta en la ganancia de CC de bucle abierto teóricamente infinita combinada con el hecho de que cualquier "circuito asintóticamente estable" necesita usar retroalimentación negativa en términos de CC, que ancla la salida a las entradas y a un potencial de referencia externo. De ahí mi vacío de despotricar acerca de que el potencial de referencia es importante para la red circundante, o más bien, para la topología en su conjunto, incluido el amplificador operacional.

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El voltaje es una diferencia de potenciales. Lo cual reconoces correctamente al preguntar "dónde diablos está mi terreno de referencia". La entrada diferencial detecta una diferencia de potencial = voltaje. Hasta ahora, todo bien. Ahora, para la salida ... observe que el circuito solo es estable y cuerdo, si agrega una red de retroalimentación (negativa), en términos de CC para empezar. Lo que inherentemente hace referencia al potencial de salida única a cualquier punto de referencia que esté utilizando para las entradas. El punto de referencia de CC de su circuito puede ser una tierra sólida a mitad de camino entre sus rieles de alimentación, puede ser una tierra sintética (creada por un divisor de voltaje), puede ser una compensación de voltaje de CC arbitraria, incluso puede ser un riel de alimentación, si la retroalimentación la red (y la señal) dan como resultado el amplificador operacional

O considere lo que sucede si enciende un amplificador operacional pero deja sus pines desconectados.

Si se trata de un amplificador operacional basado en BJT, su entrada probablemente seguirá algunas corrientes de polarización residuales de la etapa de diferencia de entrada: las partes internas del amplificador operacional pueden intentar compensar algunas corrientes de polarización inherentes básicas, pero siempre queda algún residuo/desequilibrio. Como resultado, su salida probablemente convergerá (instantáneamente) a uno de los rieles de alimentación.

Si se trata de un amplificador operacional basado en MOSFET y su fuga de entrada es minúscula en comparación con las capacitancias de entrada parásitas, la salida seguirá la diferencia de potenciales que quedan en las entradas no conectadas (condensadores parásitos contra los rieles de alimentación). O, si hay EMI en las entradas, la salida seguirá eso. Nuevamente, la salida permanecerá en una de las posiciones límite (rieles de alimentación) o presentará una señal rectangular entre ellos, si hay alguna EMI de CA acoplada a las entradas.

De cualquier manera, ¿qué hace que la salida sea estable, lineal y sensata? La red de retroalimentación negativa externa más simple, que hace referencia a la salida y las entradas a un potencial de referencia común, puede ser una GND o puede ser arbitraria.

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Ehh... No he proporcionado ninguna imagen.

Tal vez pruebe esta introducción de AD : ignore todo el texto, solo mire las imágenes 1-3, 1-4, 1-5. Verifique dónde está la conexión a tierra y dónde se representan los voltajes de entrada/salida (usando flechas de dos puntas).

Lamentablemente, esa introducción no contiene una imagen del "seguidor de ganancia de unidad". Solo echa un vistazo al seguidor en la wikipedia . Vaya, ¿dónde está el suelo? :-) Respuesta: el terreno de referencia es tu propia construcción mental aquí. Si habla de potenciales (entrada y salida), no necesita una tierra de referencia :-) Si insiste en hablar de voltajes o ganancia, simplemente use cualquier tierra de referencia arbitraria que le convenga, siempre que comparta esa tierra entre el entrada y salida.

El voltaje de referencia generalmente se suministra, de alguna forma o forma, a través de una conexión de ENTRADA. El hecho de que GND no tenga asignado un pin no significa que el circuito terminado no tenga una referencia.

De hecho, la funcionalidad del amplificador operacional depende de la diferencia entre las entradas y la retroalimentación proporcionada, por lo que realmente no necesita una referencia para funcionar. el único lugar donde alguna referencia podría ser importante es para los rangos de voltaje de CM válidos en la entrada, y eso se establece a partir de los rieles.

La conexión a tierra del amplificador operacional se proporciona implícitamente a través de las fuentes de alimentación que están conectadas a los pines de alimentación V+ y V- del amplificador operacional. Considere este circuito divisor de voltaje resistivo:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Qué voltaje encontramos en el nodo etiquetado como Vout ? El potencial de tensión en el nodo Vout se mide con respecto a algún potencial de referencia elegido arbitrariamente, que suele ser el nodo de "tierra" para las fuentes de alimentación V+ y V- CC. El circuito del amplificador operacional no es diferente. Si reemplazamos el circuito divisor de voltaje resistivo con el amplificador operacional, el voltaje en el pin de salida del amplificador operacional generalmente se mide con respecto al nodo de tierra que sirve como potencial de referencia para las fuentes de alimentación V+ y V- del circuito, que están conectadas a los pines de alimentación +V y -V del amplificador operacional, respectivamente.

Un amplificador operacional de suministro dual no necesita un pin de tierra porque depende de una o ambas entradas conectadas a tierra directamente o a través de una resistencia. Para un amplificador operacional de suministro único, el (+) generalmente se referencia a través de una resistencia a la mitad del voltaje de suministro.

Por lo general, es la entrada (+) la que tiene una referencia de voltaje de tierra o arbitraria, mientras que la entrada (-) se usa para retroalimentación y ganancia. En los amplificadores operacionales de suministro único, la entrada (-) se usa de la misma manera pero con un capacitor de bloqueo de CC a tierra.

Algunos diseños de amplificadores operacionales utilizan el (-) como entrada de suma para múltiples señales o para una señal más un voltaje de compensación arbitrario.

Además de cumplir con el voltaje mínimo y máximo aplicado, los rieles de suministro están 'fuera' de las ecuaciones normales del amplificador operacional para ganancia, caída, compensación, etc.

Desafortunadamente, muchas preguntas publicadas en este sitio tienen los rieles de suministro fuera de especificación con lo que exige la hoja de datos, generalmente un voltaje demasiado bajo.

A altas frecuencias, el circuito 741 original actúa como si el nodo de referencia interno fuera -VDD. El capacitor de compensación se refiere a -VDD y eso degrada el rechazo de la fuente de alimentación de alta frecuencia de -VDD a aproximadamente CERO ---- es decir, cualquier ruido rápido en -VDD aparece en el voltaje de salida del opamp.

A bajas frecuencias, los intentos de alta ganancia para que la red de retroalimentación proporcione toda la "referencia"; se espera que domine el comportamiento del terreno virtual.

A altas frecuencias, con baja ganancia, el rendimiento se convierte en una lata de gusanos ya que todos estos comportamientos interactúan.