¿Cómo es que la salida del amplificador operacional no es cero si las entradas tienen el mismo voltaje?

Creo que tu confusión está en pensar que las entradas siempre están al mismo voltaje. Esta regla solo se aplica si el circuito tiene retroalimentación negativa , lo que significa que el voltaje de salida cambia de una manera que tiende a hacer que los voltajes de entrada sean iguales.

Como han señalado otros, los voltajes de entrada nunca son exactamente iguales, pero si la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional es muy alta, la diferencia entre los voltajes de entrada será muy pequeña. Asumir que los voltajes de entrada son iguales es una aproximación útil si desea determinar rápidamente el comportamiento general de un circuito de amplificador operacional.

Creo que su confusión proviene de las diferencias entre un amplificador operacional 'ideal' teórico y lo que realmente se puede realizar con la electrónica. tl; dr: el amplificador operacional real que usa retroalimentación negativa tendrá una diferencia de voltaje residual en sus entradas debido a su ganancia limitada.

Vamos a caminar a través de esto.

Las 'reglas de oro' de los amplificadores operacionales ideales son:

• ganancia infinita de bucle abierto (implica voltaje infinito e impedancia de salida cero)
• entradas de impedancia infinita

Aplique una diferencia de cero voltios a ambas entradas y la salida será exactamente cero. Aplique cualquier diferencia y se amplificará a + o - infinito.

Agregue retroalimentación negativa, y la ruta de retroalimentación de la salida obliga a la entrada (-) a equilibrar las entradas. Por lo tanto, la entrada (-) rastrea exactamente la entrada (+) , de modo que la diferencia de entrada siempre será cero.

Los amplificadores operacionales reales no tienen ganancia infinita. Sin embargo, tienen una ganancia muy alta (algunas en el rango de 120dB / 1 millón). También tienen algunas otras desviaciones del ideal que se deslizan e influyen en la salida. Más sobre los siguientes. El resultado es que nuestro amplificador operacional imperfecto del mundo real tendrá una diferencia de voltaje distinta de cero en los terminales para cualquier salida que no sea cero voltios. Esto se puede encontrar a partir de la ganancia de bucle abierto.

Por ejemplo, ese amplificador operacional con una ganancia de bucle abierto de 120 dB (10^6) que muestra 1 V en la salida tendrá una diferencia de 1 microvoltio en las entradas. Dicho de otra manera, una señal de 0dB en la salida mostrará una señal de -120dB en la entrada. Esto es cierto independientemente de la retroalimentación . Se determina estrictamente por la ganancia.

Simule aquí: seguidor de la unidad que usa un amplificador operacional con una ganancia de 10 ^ 6 (Consejo: pruebe el control deslizante de ganancia del amplificador operacional y vea la influencia en el voltaje de salida).

Con una ganancia tan alta, esta diferencia de voltaje de entrada residual es prácticamente insignificante en comparación con los otros errores que aquejan a los amplificadores operacionales en el mundo real. Hablemos de esos.

Más sobre amplificadores operacionales ideales vs reales

Además de la ganancia menor que infinita, los amplificadores operacionales reales tienen otros errores que influyen en la salida. Una lista incompleta de estos incluye:

• Voltaje de compensación de entrada
• corriente de polarización de entrada
• relación de rechazo de modo común (CMRR)
• ganancia dependiente de la frecuencia/giro limitado/compensación de fase (ganancia de CA)
• cumplimiento de salida limitada

La compensación de entrada debe tenerse en cuenta cuando se utilizan voltajes de entrada bajos o de ganancia muy alta.

La corriente de polarización entra en juego cuando se utilizan valores de retroalimentación de resistencia o ganancia muy altos. Los amplificadores operacionales bipolares necesitarán esto específicamente, menos los dispositivos de entrada JFET o MOSFET.

El rechazo de modo común significa que el voltaje de CC común en (+) y (-) puede influir en la salida con una compensación. Los amplificadores operacionales ideales tienen un rechazo infinito; los amplificadores operacionales reales no. El popular LM324, por ejemplo, tiene un CMRR de aproximadamente 80 dB (un poco menos de 10 000:1).

Los amplificadores operacionales reales tienen una ganancia que disminuye con una frecuencia más alta, especialmente para los amplificadores operacionales de uso general compensados ​​internamente como el LM324. También se introduce algún error de fase. Cuanto mayor sea la ganancia utilizada, mayor será su efecto. Esto se describe como el producto ganancia-ancho de banda .

Finalmente, el rango de cumplimiento de salida (oscilación de salida) limitará la ganancia posible. La impedancia de salida del amplificador operacional también limita la cantidad de corriente que puede devolver a la red de retroalimentación.

En conjunto, estas características no ideales de los amplificadores operacionales establecen límites en el rendimiento realizable del circuito del amplificador operacional. No es de extrañar que haya tantos tipos diferentes de amplificadores operacionales para elegir.

Otras lecturas

Aquí hay un documento de MIT Open Course Ware con un análisis más profundo de los amplificadores operacionales ideales, de ganancia infinita versus reales, de ganancia finita, que muestra las ecuaciones generalizadas: https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering- and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-notes/22_op_amps1.pdf

La diferencia de voltaje entre las entradas no es cero (incluso en circuitos de retroalimentación negativa). Puede haber una diferencia muy pequeña. La salida es esta pequeña diferencia multiplicada por la ganancia de bucle abierto.

Si Vout es la ganancia multiplicada por la diferencia de voltaje en las entradas, ¿cómo es que Vout no siempre es cero si asumimos que los voltajes en las entradas son los mismos?

Para reelaborar la respuesta de Transistor, las entradas no son las mismas. El opamp es un componente con una ganancia fija, llamada ganancia de bucle abierto. Siguiendo con los circuitos de CC por simplicidad, digamos que el opamp tiene una ganancia de voltaje de bucle abierto de 1 millón (120 dB). Esa es su ganancia todo el tiempo, sin importar qué tipo de circuitos de retroalimentación lo rodeen. Si la salida es de 1 V, entonces las entradas están separadas por 1 uV. La ganancia del amplificador operacional como componente es como la resistencia de una resistencia: para una parte normal en un circuito normal, su valor no cambia debido a las condiciones del circuito.

Para ver el papel de la ganancia del amplificador operacional, puede realizar un experimento mental muy útil:

• Imagine que puede cambiar la ganancia del amplificador operacional de 1 a 1 000 000 (este es un amplificador operacional de ganancia variable especialmente diseñado para fines educativos).

• Cree el circuito de amplificador operacional más simple con retroalimentación negativa: un seguidor de amplificador operacional .

• Aplique un voltaje de entrada constante Vin.

• Varíe la ganancia del amplificador operacional de mínimo a máximo y observe cómo cambian los tres voltajes (Vin, Vout y Vin - Vout). Al principio, Vout = Vin/2 y Vout - Vin = Vin/2 (gran error). Al final, la diferencia será insignificante y Vout será casi igual a Vin.

Si Vout es la ganancia multiplicada por la diferencia de voltaje en las entradas

Ganancia de lazo abierto * (A _OL )

¿Cómo es que Vout no siempre es cero si asumimos que los voltajes en las entradas son los mismos debido a la proporción áurea?

Realmente no sé cómo se relaciona con la proporción áurea. En la práctica, siempre hay una diferencia distinta de cero (o simplemente, un error) entre las entradas que no invierten (+) y las que invierten (-). Este voltaje se llama voltaje de compensación de entrada y se muestra como V _os en las hojas de datos. Incluso si conecta a tierra ambas entradas, la salida será V _OUT = V _os . UN _O.L. _ Si A _OL es lo suficientemente alto, entonces la salida puede golpear el riel de suministro positivo o negativo. Esto se llama "saturación".