¿Qué potencial de referencia utiliza un amplificador operacional como potencial de "tierra"?

Wikipedia afirma sobre los amplificadores operacionales que, simplemente hablando, proporcionan un voltaje de salida en su salida que es la diferencia de los dos voltajes de entrada, multiplicada por algún número (muy, muy grande). Dado que los voltajes son solo diferencias de potencial eléctrico, me gustaría saber qué punto del circuito es el punto de referencia para la salida del amplificador operacional.

Para las entradas, esencialmente no importa. Dado que el comportamiento del amplificador operacional sólo depende de la diferencia de las dos entradas, no importa a qué masa correspondan.

Mi suposición más simple sería que el voltaje de salida del amplificador operacional tiene el mismo terreno común que tienen todos los demás dispositivos en el circuito eléctrico. En ese caso: ¿Cómo sabe el amplificador operacional de esta tierra común, si no tiene una conexión a la tierra común?

Necesito saber cuál es el punto de referencia para dar sentido a la afirmación "el voltaje de salida es A veces la diferencia de entrada". Si no sé cuál es el punto de referencia, entonces el voltaje de salida es solo un número sin significado.

Respuestas (4)

No sabe ni le importa. El circuito interno de Opamp funciona así:

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Uout está cerca de 0 V cuando U1 < U2 y Uout está cerca del voltaje de suministro completo Us cuando U1 > U2. Justo alrededor del caso U1=U2 hay una zona de transición A. Su ancho en amplificadores operacionales prácticos está muy por debajo de un milivoltio. Nadie garantiza que la zona sea lineal o simétrica alrededor del cero, pero normalmente los amplificadores operacionales se usan con un circuito de retroalimentación que obliga al amplificador operacional a generar una Uout tal que U1-U2 está dentro de la zona de transición.

La gente a menudo nos divide en dos partes en serie. La parte superior se dice que es la oferta positiva y la parte inferior se dice que es la oferta negativa. Se dice que el punto medio es la tierra y todos los voltajes en los diseños de aplicaciones se refieren a él. Pero internamente, el opamp hace referencia a todos a uno de los polos de la tensión de alimentación Us.

En los diseños de circuitos integrados de bajo costo, el circuito interno no puede aceptar que U1 y U2 sean lo que sea, deben estar entre 0 y +Us y se necesita cierto margen. El margen es necesario al menos en un extremo del rango 0...+Us para dejar algo de quirófano para el circuito interno.

Muchos compradores no quieren margen a 0V, quieren que U1 y U2 puedan ser 0V. Si el circuito interno está diseñado correctamente (= transistores de entrada PNP), el rango utilizable para U1 y U2 es de cero a 1... 1,5 V menos que Us. Un diseño de circuito integrado antiguo y conocido, el LM124, es así. El análisis de su esquema interno revela que en realidad usa el polo positivo de Us como su punto de referencia interno, pero eso no hace ninguna diferencia en mis dibujos y ecuaciones.

Solo una pregunta rápida para ver si lo entendí: si elijo un potencial de tierra diferente para las dos fuentes, uno que esté separado de la tierra de las dos entradas, ¿cambiaría el comportamiento del amplificador operacional (o podría cambiar?) .
@Quantumwhisp El opamp aún funcionaría como dije. No importa en qué parte de tus dibujos escribas GND. El opamp solo está interesado en los voltajes entre sus pines. Si tiene un voltaje entre el punto de tierra de la señal de entrada y el punto de tierra de la fuente de alimentación, debe calcular cuáles son los U1 y U2 reales, los que dibujé. Luego, puede decidir qué genera su opamp como el Uout que dibujé.
@Quantumwhisp (continuación)... Si no hay conexión entre los dos puntos que dice que ingresa GND y suministra GND, el resultado es difícil de predecir. Obviamente, tampoco hay una ruta de corriente de polarización de CC para las corrientes de base del transistor necesarias (nanoamperios) y el opamp se negará por completo a funcionar correctamente. Si el opamp usa el polo positivo de Us como su punto de referencia interno, debe haber algún camino conductor entre las entradas y el polo negativo de Us. El viejo 741 requiere la ruta conductora entre las entradas y +Us.

Luché con el mismo problema por un tiempo. La respuesta no siempre es obvia.

El amplificador operacional, generalmente, no tiene idea de dónde está la tierra ya que no hay un pin de entrada de tierra. A menudo es el voltaje negativo como en las aplicaciones de suministro de un solo riel y otras veces está en algún lugar entre V+ y V- como en los suministros de riel dividido.

Casi todos los amplificadores configuran el amplificador operacional con retroalimentación negativa para controlar y linealizar la ganancia.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Figura 1. Las dos configuraciones de amplificador operacional más comunes.

A partir de la teoría básica de la aplicación del amplificador operacional, debe quedar claro que en ambos casos que se muestran en la Figura 1, la retroalimentación negativa hará que el voltaje de salida alcance el voltaje necesario para llevar la entrada inversora al mismo potencial que la entrada no inversora. . El resultado para cada caso es:

V Oa = − V en R F R i + V árbitro

V Transmisión exterior = V en ( 1 + R F R i )   + V árbitro

Tenga en cuenta que V árbitro y V en tienen que estar referenciados a algún punto y que la salida está referenciada al mismo punto. Si V árbitro es cero, entonces obtenemos nuestras fórmulas de ganancia de amplificador operacional estándar.

V Oa = − V en R F R i

V Transmisión exterior = V en ( 1 + R F R i )

Amplificador de palanca

esquemático

simular este circuito

Figura 2. La palanca inversora. El punto de apoyo está a 1/3 de la palanca, por lo que está trabajando con una ganancia de -2.

  • (a) La entrada, el fulcro y la salida están todos en el voltaje de referencia. Su altura sobre la referencia es cero.
  • (b) La entrada se ha presionado hasta -1. La salida ha subido a +2 con respecto a la referencia.
  • (c) Exactamente la misma palanca pero con la referencia movida a una altura diferente. Ahora la entrada, el punto de apoyo y la salida están en +5.
  • (d) Se ha aplicado el mismo desplazamiento angular. Ahora la entrada está en +4 y la salida en +7 con respecto a la referencia.

P: ¿Cuál es la diferencia en la amplificación de (d) versus (b)?
R: Nada. El mundo no ha cambiado. Nuestro punto de referencia ha cambiado, por lo que la entrada, el fulcro y la salida tienen un desplazamiento fijo debido a la nueva posición de referencia.

"Tenga en cuenta que $V_{ref}$ y $V_{in}$ tienen que estar referenciados a algún punto y que la salida está referenciada al mismo punto": Esto es precisamente lo que estoy preguntando: ¿Por qué esos los puntos son iguales?
En cualquier sistema de medición se requiere un punto de referencia. Si mido la altura de dos edificios, solo puedo decir cuál tiene el techo más alto si tengo una línea de base común. Puede usar la altura del edificio sobre el suelo siempre que conozca el desplazamiento de un suelo en relación con el otro, pero es más fácil hacer referencia a todo a un estándar común, tal vez el nivel del mar en este ejemplo. ¿Eso ayuda?
Vea si la analogía de la palanca ayuda.
Cualquier número que me den (y $V_{0a)$ .... ) son solo eso: Números que deberían darme la diferencia de potencial eléctrico en algún otro punto del circuito. En el momento en que escribes una ecuación (como lo hiciste), ya asumiste un punto de referencia en el circuito eléctrico para cualquiera de los Números en la ecuación. La otra respuesta señaló que el potencial eléctrico en la salida es uno de los dos potenciales eléctricos en los conectores de suministro, y es por eso que el punto de referencia del voltaje de salida es el mismo que el de esos conectores de suministro.
Todas las medidas de tensión son medidas de diferencia de potencial y deben tomarse desde un punto de referencia. El punto de referencia puede ser uno de los pines de suministro si eso conviene. (No queda claro a partir de sus comentarios si cree que mi respuesta es incorrecta de alguna manera. Si es así, aclare).

Realmente no importa. Solo puede emitir hasta sus rieles de alimentación, y si lo ve como ideal, siempre estaría en uno de esos rieles en ausencia de retroalimentación.

La estructura de retroalimentación es lo que le da una referencia. Por ejemplo, en una configuración de ganancia negativa de un solo extremo, la entrada positiva proporciona la referencia; es un punto elegido en el rango donde ese voltaje en la entrada da como resultado el mismo voltaje en la salida.

En la práctica, el voltaje de compensación del amplificador operacional multiplicado por la ganancia suele ser mucho mayor que el voltaje de suministro. Por ejemplo, el LM324 tiene una ganancia de alrededor de 100 000 y una compensación de quizás un par de mV, es decir, cientos de voltios en la salida.

Si necesita un número para los cálculos, puede pensar en él como ( V + + V − )/2 si lo desea, lo que convenientemente resulta en cero para voltajes de suministro equilibrados, pero cualquiera que sea el número que elija dentro de los rieles de suministro (por ejemplo, si elige 0 para un amplificador operacional de suministro único de 5 V), el error debe ser pequeño para amplificadores operacionales típicos.

Por ejemplo, un amplificador de precisión con una ganancia de 1,000,000 y un voltaje de compensación de +/-12uV típico... todavía +/-12V en la salida según la compensación.

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