¿Adónde ha ido esta corriente en mi convertidor de corriente-voltaje?

Esto muestra dónde fluye toda la corriente y cómo el 10uA encuentra su camino de regreso a su conexión a tierra:

Para que la salida del amplificador operacional absorba los 10 uA de corriente, debe enviarlos por el pin de suministro negativo, por lo tanto, regresa a su fuente a través de la conexión a tierra del suministro negativo.

Si coloca un voltaje negativo (V4 < 0) para que la corriente fluya hacia el otro lado, entonces la salida se vuelve positiva para conducir la corriente de regreso a través de la resistencia de retroalimentación, y esta corriente proviene del suministro positivo (V6) y es devuelto a su fuente de voltaje a través de su conexión a tierra.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Figura 1. I1 no entra en la entrada inversora debido a su alta impedancia. Pasa por la resistencia de retroalimentación, R1.

La corriente de la entrada no inversora es solo la corriente de polarización y tiene poco o nada que ver con la corriente en la entrada inversora.

Así es básicamente como funciona un amplificador de transimpedancia; la salida mantiene el nodo inversor al mismo voltaje que el nodo no inversor. La salida toma esa corriente (o impulsa esa corriente si lo prefiere). La impedancia de entrada del OP27 es un billón de ohmios. Sin embargo, el OP27 tiene corrientes de polarización de entrada de alrededor de 100 nA y esto podría representar un error significativo si es importante.

He redibujado un poco mi esquema para mostrar dónde se "ha ido" esta corriente.

Es una gran parte de la respuesta, pero le falta "algo".

Recuerde que estamos en "simulación" y que algunas fuentes de corriente están ocultas en el modelo de amplificador operacional que usamos.

Entonces la respuesta no es "completa". Creo que la verdadera respuesta está en el "laboratorio" donde podemos medir realmente todo (no siempre simple).

Para ajustar la "compensación", haga V4 = 0 en el "esquema" microcap v12, haga clic en "Dynamic DC", haga clic en "definir Voffset ..." luego cambie las flechas hacia arriba o hacia abajo hasta que Vout esté más cerca de 0 V. Luego rehaga V4 = 10 voltios

Su corriente no surgirá de la entrada no inversora, debido a la alta impedancia de entrada. Por la misma razón, no entrará corriente en la entrada inversora. Este es el camino que tomará su corriente de entrada:

Q1 y Q2 representan la etapa de salida push-pull del opamp. Tenga en cuenta que la corriente se bifurcará en la salida del opamp, algunos serán absorbidos por el propio opamp a través de Q2, y algunos serán absorbidos por cualquier carga que conecte a la salida.

La corriente de entrada emerge en el pin de suministro negativo del opamp. La corriente que emerge allí también incluirá la propia corriente operativa del amplificador operacional, así como la corriente de entrada que se "mide".

Si la corriente de entrada es negativa (en la dirección opuesta), seguirá este camino:

Esta vez, el opamp (y cualquier carga que haya conectado) generará corriente para que la entrada se hunda.

La filosofía necesaria

Leí estas respuestas llenas de detalles técnicos y me pregunto cómo es posible no revelar la idea simple pero brillante detrás de este circuito de amplificador operacional que consiste solo en una resistencia y un amplificador operacional. Me di cuenta hace 30 años (Fig. 1) y con su ayuda pude comprender y explicar muchos otros circuitos de amplificadores operacionales.

Fig. 1. Una imagen conceptual de un convertidor activo de corriente a voltaje de mi archivo (1992). Aquí está el texto traducido:

14 de mayo de 1992. Convertidor de corriente a voltaje "ideal" (una posible explicación por un voltaje opuesto). La resistencia de detección de corriente RI crea una caída de voltaje "dañina" VR (es necesaria pero no deseada; hay una contradicción). Podemos destruirlo mediante un "anti voltaje" V (E) anti que se resta de VR (es una copia inversa de VR). Puede implementarse mediante un amplificador operacional A que ajusta Vanti para que VR - Vanti = 0 (principio de "copia activa").

Idea básica

La idea es obvia: para medir la corriente I con un voltímetro, cortamos el circuito, insertamos una resistencia RI y medimos la caída de voltaje a través de ella (VR = I.RI). Pero este voltaje introduce un error ya que se resta del voltaje VIN de "creación de corriente" de entrada y la corriente disminuye. Entonces decidimos destruirlo agregando un voltaje equivalente V = VR. Para ello, volvemos a romper el circuito e insertamos una fuente de tensión variable que produce la tensión de compensación V. Esta tensión se suma a la tensión de entrada y se elimina el error - Fig. 2.

Fig. 2. Circuito conceptual completo de cuatro elementos en un bucle (la imagen está tomada de una historia similar sobre el amplificador inversor). Tenga en cuenta que los dos voltajes se suman en serie.

Implementación de amplificadores operacionales

Entonces, la salida del amplificador operacional (suministrada correctamente) actúa como una pequeña "batería" variable conectada en serie a la resistencia (Fig. 3) que agrega el voltaje de compensación VOUT = IR en el circuito. Y, por supuesto, la corriente de entrada fluirá a través de esta "batería".

Fig. 3. Implementación de la idea del amplificador operacional

Para cerrar la ruta de la corriente, debemos dibujar la fuente de alimentación respectiva: negativa si el voltaje de entrada es positivo (como en la Fig. 3) y positivo si el voltaje de entrada es negativo.

¿Cómo lo hace el amplificador operacional?

Es interesante ver cómo el amplificador operacional copia la caída de voltaje VR en su salida. Según KVL, podemos ver en la Fig. 2 y la Fig. 3 un bucle de tres voltajes: VR, VOUT y VA. El amplificador operacional cambia VOUT para mantener VA cero (retroalimentación negativa). Como resultado, VSAL = VR.

Otro truco inteligente es que usamos el voltaje de compensación como un voltaje de salida invertido, conectado a tierra y protegido (la última característica es un "regalo" que no siempre se desea).

Operación visualizada

Para ilustrar el funcionamiento del circuito de una manera más atractiva, podemos dibujar "geométricamente" el diagrama del circuito - Fig. 4.

Fig. 4. Una representación "geométrica" ​​del convertidor de corriente a voltaje del amplificador operacional

En esta representación, la "parte del circuito positivo" se dibuja por encima del nivel de voltaje cero (tierra) y la "parte del circuito negativo" se dibuja por debajo del suelo. Los voltajes están representados por barras de voltaje en rojo y las corrientes, por bucles de corriente en verde y azul.

Tenga en cuenta algo muy importante: la corriente de entrada (en verde) no fluye a través de la carga. La corriente de carga (en azul) la proporciona únicamente la fuente de alimentación negativa, es decir, la carga no consume corriente de la fuente de tensión de entrada. Esta es una gran ventaja del circuito de amplificador operacional activo en comparación con el pasivo (resistencia).

Evolución del circuito

El poder de este enfoque de construcción paso a paso es que muestra la evolución del circuito desde el humilde circuito pasivo de 1 resistencia hasta el circuito de amplificador operacional más sofisticado. Vemos que este no es un circuito nuevo; es un circuito antiguo mejorado. Por lo tanto, el convertidor de corriente a voltaje de amplificador operacional activo consta de un convertidor de corriente a voltaje pasivo y un amplificador operacional de ayuda .

Punto de vista de la resistencia negativa

Si somos lo suficientemente curiosos, podemos ver una similitud entre la resistencia R y la salida del amplificador operacional: hay el mismo voltaje IR entre ellos; por lo que ambos se comportan como resistencias. Pero mientras que la resistencia resta su caída de voltaje del voltaje de entrada, el amplificador operacional le agrega su voltaje de salida.

Entonces, la salida del amplificador operacional actúa como una "resistencia" negativa con resistencia -R que neutraliza la resistencia positiva R. Todo el circuito (resistencia y amplificador operacional) se comporta como un "trozo de cable"... y la corriente de entrada fluye a través de este "cable artificial" - Fig. 5.

Fig. 5. El amplificador de transimpedancia presentado como un "trozo de cable"

Versión pasiva vs activa

Como regla, sabemos que el pasivo es malo y el activo es bueno. Pero aquí el "circuito" pasivo (resistencia) tiene una ventaja muy significativa sobre el activo: permite medir corrientes de gran magnitud .

El problema con el convertidor de corriente a voltaje de amplificador operacional activo es que la corriente pasa a través de su etapa de salida... y esta última debe soportarla. Es por eso que los amperímetros dentro de los multímetros no están hechos con el circuito op-amp, por muy perfecto que sea, sino con el circuito pasivo simple (una humilde resistencia entre las entradas).

La corriente de entrada no pasa por la resistencia de realimentación. Es anulado por la corriente que regresa a través de la resistencia de retroalimentación desde la salida. Bien, las dos resistencias parecen un divisor de voltaje entre dos potenciales diferentes, por lo que, en cierto sentido, la corriente de entrada va a la salida.

Pero . . .

El opamp tiene mucha ganancia, y la acción de la retroalimentación negativa hace que la entrada inversora se comporte como un terreno virtual. Esto cambia el análisis del circuito. las dos resistencias forman un divisor de voltaje, pero tener un punto en el medio del divisor que no se mueve divide esa corriente en dos corrientes relacionadas pero no de la misma manera. La salida hace lo que sea necesario para que los dos voltajes de entrada sean iguales, por lo que siempre que se cierre el bucle, las dos corrientes serán iguales. Pero no van en la misma dirección.

En su caso, las dos resistencias tienen el mismo valor, por lo que el factor de conversión a través del circuito es de 1 voltio por amperio. Si R4 fuera de 100 K, la conversión sería de 10 V por amperio, pero las dos corrientes aún tendrían el mismo valor y la corriente neta en la entrada inversora aún sería 0.

Tenga en cuenta que todo esto supone un amplificador operacional teóricamente perfecto con corriente de polarización de entrada cero y voltaje de compensación de entrada cero.