¿Cómo sabe un amplificador operacional dónde está el suelo?

Aunque he estado trabajando con amplificadores operacionales por un tiempo, la siguiente pregunta nunca se me ocurrió antes de hoy.

Considere primero el amplificador operacional de la izquierda (A). El terminal negativo está conectado a tierra, y se aplica un pequeño voltaje entre el terminal positivo y tierra. Si el voltaje de salida se mide con respecto a tierra, debería leer A ⋅ V d .$V_d$$A \cdot V_d$

Ahora considere el amplificador operacional a la derecha (B). Esta vez, se aplica directamente entre los terminales negativo y positivo, sin referencia a tierra. Si el voltaje de salida se mide con respecto a tierra, ¿seguiría siendo A ⋅ V d ? ¿Cómo podría ser esto, ya que este amplificador operacional no tiene idea de dónde está el suelo?$V_d$$A \cdot V_d$

¿Cómo sabe algo dónde está el suelo? Ground es solo un símbolo que pegamos en el esquema para que sea más fácil de leer. Ninguno de los componentes en un circuito normal lee el esquema, por lo que ninguno de ellos sabe dónde está la tierra.

En el caso del amplificador operacional B, el voltaje de salida será el voltaje máximo que el amplificador operacional puede emitir (limitado por los rieles de suministro) o el mínimo, dependiendo de la polaridad de la fuente de voltaje en la entrada.

Y al construir dicho circuito en la práctica, tendría un problema: no hay camino desde la fuente de voltaje en la entrada a ninguna otra cosa. Como tal, los valores reales allí estarán definidos por la corriente de polarización de entrada del amplificador operacional y otros comportamientos no ideales, por lo que lo que obtendrá es algo extraño que es principalmente una función de los detalles de ese amplificador operacional en particular.

Probablemente le resulte más fácil pensar que los amplificadores operacionales no amplifican la diferencia entre sus terminales. En la práctica, los amplificadores operacionales generalmente funcionan con retroalimentación negativa: cuando no lo son, tienden a llamarse comparadores. Entonces, el amplificador operacional intenta ajustar el voltaje de salida de modo que las dos entradas sean iguales, y para el amplificador operacional ideal con ganancia infinita, este es exactamente el caso: las entradas siempre estarán en el mismo potencial.

Las corrientes de polarización de entrada se comportan como a continuación, donde I1 e I2 son las corrientes de polarización de entrada respectivas e I2-I1 es la corriente de compensación de entrada.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El amplificador operacional solo funcionará correctamente si las entradas están dentro de un rango de modo común dado (con respecto a Vcc y Vee). Eso podría estar muy cerca de los suministros o podría estar a uno o dos voltios de uno o ambos suministros.

Como puede ver en su ejemplo de la derecha, no hay una ruta para I1 + I2, por lo que las entradas se acercarán rápidamente al riel de suministro (en ese momento las fuentes de corriente dejan de ser más o menos ideales).

Es posible que algunos amplificadores operacionales bajo ciertas condiciones pasen a ser una especie de trabajo, pero no es algo en lo que deba confiar. Proporcione siempre una ruta de CC para las entradas inversoras y no inversoras. El ejemplo anterior proporciona una ruta solo para la corriente de compensación (I2-I1). La corriente de polarización total (I1 + I2) no tiene ruta.

En cuanto a cuál sería exactamente la salida, puede pensar en ella como Av v_d (Vcc + Vee) / 2, aunque el voltaje de compensación del amplificador operacional multiplicado por la ganancia suele ser suficiente para saturar la salida en cualquier riel, por lo que sumador de carril medio (Vcc + Vee) / 2 es algo arbitrario. Espero que eso tenga sentido para ti.

Un amplificador operacional no tiene idea de dónde está el suelo.

Los amplificadores operacionales son amplificadores diferenciales. Amplifican la diferencia entre las dos entradas e (idealmente) ignoran cualquier voltaje de modo común. No hay diferencia entre los dos circuitos en su diagrama. Ninguna de las salidas del amplificador operacional está referenciada a tierra. El punto de sesgo de salida probablemente esté cerca de la mitad del camino entre los dos suministros. Puede medir intentar medirlo acortando las entradas, pero también tendrá que lidiar con el voltaje y la corriente de polarización de entrada. Probablemente no valga la pena.

Afortunadamente, no tiene que preocuparse por el punto de polarización de salida o el voltaje de referencia "real", porque no importan para ninguno de los usos comunes de un amplificador operacional. Si está utilizando el amplificador operacional como comparador, desea que la salida sea lo más positiva o negativa posible, incluso para un voltaje diferencial pequeño. Si está utilizando el amplificador operacional en un circuito lineal, utiliza retroalimentación negativa, lo que hace que la salida haga referencia a la entrada positiva.

Los amplificadores operacionales físicos reales no son amplificadores diferenciales perfectos, por lo que en la vida real el voltaje de modo común tiene un pequeño efecto en la salida. Como dice la respuesta de Phil, la construcción del amplificador operacional también es importante. Pero no creo que sea importante para lo que estás preguntando. Los amplificadores operacionales no están diseñados para hacer lo que su circuito está tratando de hacer que hagan.

Vea el siguiente dibujo elemental de las partes internas del opamp:

Los transistores de entrada necesitan su corriente base, ¡ambos! La corriente suele ser inferior a 1uA. El opamp determina por sí mismo cuánto toma, pero debe estar disponible y para ambas entradas debe dirigirse al interior del transistor. Si conecta "algo" solo entre las entradas + y -, entonces las corrientes no pueden ser simultáneamente hacia los transistores porque ese "algo" debería crear una nueva carga eléctrica. Es la ley de Kirchoff.

En los circuitos opamp prácticos, el camino para la corriente base de entrada (= corriente de polarización) es alguna parte conductora entre la entrada y el riel de voltaje de alimentación o el GND. En este caso (vea las flechas en los emisores del transistor de entrada), el riel de suministro -VE es imposible como el proveedor de corriente de entrada en la dirección correcta, pero el riel + VE está bien y también GND si se eleva por encima del potencial -VE agregando una batería betveen -VE y GND o por un resitor que está conectado a + VE.

Las entradas de Fet no son mejores. Sin una conexión galvánica a otro lugar que no sea el "algo" entre las entradas, pronto derivan a un estado indeterminado debido a la carga de fuga acumulada en las puertas de los pies.

En primer lugar, tierra es el punto elegido arbitrariamente donde hace referencia a todos los voltajes en el circuito. En las configuraciones de circuito simple más comunes, la tierra se elige como el terminal negativo de la fuente de suministro único o el punto medio de un suministro simétrico, que es (como usted notó) la forma en que los amplificadores operacionales están destinados a ser alimentados (al menos cuando tratar con circuitos "estándar" que a menudo se encuentran en la literatura básica

Entonces, está desconcertado porque el modelo habitual de amplificador operacional tiene una entrada diferencial pero su salida está referenciada a tierra, de ahí la pregunta: ¿cómo sabe el amplificador operacional dónde está la tierra? Simplemente no sabe, adivina .

¿Que quiero decir? La circuitería interna del amplificador operacional está construida de manera que, idealmente, con entrada diferencial cero, la salida se ubicaría en un punto a medio camino entre los suministros del amplificador operacional.

Si los suministros son simétricos (por ejemplo, ± 15 V), ese punto es tierra (0 V) , pero solo si elige tierra como punto medio entre suministros (escenario más común).

Por otro lado, si alimenta el amplificador operacional con una sola fuente de alimentación, digamos 15V, la salida se ubicará en 7.5V.

Por supuesto, este es un comportamiento ideal, ya que las corrientes de polarización, el voltaje de compensación y el rango de modo común influirán en el dispositivo real.

Vea también este extracto del Manual de aplicaciones de amplificadores operacionales, de Walt Jung, de Analog Devices , capítulo 1 , p.5 (el énfasis amarillo es mío):

Esto se vuelve más claro con cierta información sobre las partes internas (wikipedia) .

Ese es el viejo estilo de entrada de transistor bipolar. Una corriente de polarización de entrada moderada (algunos microamperios) fluye a través de los transistores hacia los rieles de suministro negativo / positivo.

Las entradas FET y JFET tienen corrientes de entrada mucho más pequeñas, pero todavía hay una referencia contra el suministro, a través de la puerta aislante del FET.

También puede haber diodos de protección de entrada.

No lo hace, y si no conecta a tierra uno de los terminales, no se puede determinar el voltaje de salida. ¿Por qué? debido al sesgo de entrada actual. Las Opamps no son perfectas, requieren una pequeña cantidad de corriente. La corriente de polarización de entrada puede variar de un dispositivo a otro en cada terminal.

Si la corriente de polarización de entrada es lo suficientemente pequeña y la impedancia de entrada lo suficientemente alta, otras corrientes pueden determinar cuál es el voltaje en los terminales.

Si está haciendo algún tipo de detección, necesita conectar a tierra un lado de los terminales.

Un termopar es como una fuente de voltaje, pero si no lo hace referencia a tierra, podría estar flotando en cualquier lugar. En el ejemplo (a), el voltaje entre los terminales es el voltaje del termopar (y de la fuente de voltaje), pero el voltaje común a ambos terminales podría ser 0V, 1V, -2.3V prácticamente en cualquier lugar.

Como no hay retroalimentación negativa, la salida será:

Vo = + Vcc (si V +> V-, como en los diagramas que proporcionó) Vo = -Vee (si V + <V-, como si invirtiera la polaridad de entrada Vd)

Considerándolos como amplificadores operacionales ideales (e independientemente del tipo de suministro que usaría, si es simple o doble), esto es independiente de Vcc y Vee. Pero la cuestión es que el sistema no necesita una "conexión a tierra" para funcionar porque solo hace su trabajo con la diferencia de voltaje entre ambos.

Hace unos meses tuve que construir una "flor de robot" sensible a la luz que apuntaba a la fuente de luz más fuerte. Usó cuatro LDR: un par para mirar hacia arriba / hacia abajo y un par para girar horizontalmente. Cada LDR estaba conectado a una fuente de corriente y daba su diferencia potencial a un amplificador sumador.

Uno de los problemas que tuve que enfrentar fue que el amplificador operacional era del tipo de suministro dual (TL084). Necesitaba +/- 9 V como fuente, y solo podía tener una batería. Así que utilicé una fuente de conmutación inversora ICL7660 (convierten + 9V en -9V); pero el problema era que la corriente de entrada era tal que el voltaje de salida cayó (o aumentó) a -6V. Y mientras alimentaba el amplificador sumador con 9V y -6V, el circuito no pudo encontrar su tierra correctamente y tuvo que crearse un desplazamiento. Ver: en ese caso, la tierra debería haber sido "(9V + (-6V)) / 2 = 1.5 V" ... no cero (de hecho, dicho desplazamiento fue de alrededor de 1.5 V)

Pero eso se debe a que este circuito necesitaba una tierra común para comparar su salida con las entradas, ya que ese era el objetivo del proceso de retroalimentación negativa en sí ... y esa tierra común debería ser el punto medio entre ambos nodos de la fuente de alimentación. En el caso de su circuito, solo actúa como un comparador, por lo que la salida es de solo 9V o -6V dependiendo de la polaridad de la fuente Vd.

Lo siento si mi respuesta fue demasiado larga! Es solo que es genial compartir diferentes experiencias que tal vez puedan ayudar a otros ... De hecho; ¡Esta es mi primera publicación! Espero que haya ayudado!