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Este artículo explica y analiza una importante técnica de simplificación utilizada en el análisis de amplificadores operacionales.

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Para aquellos que buscan experiencia genuina en el diseño de circuitos de la vida real, obtener una comprensión más completa de la funcionalidad y la implementación del amplificador operacional es, en mi opinión, un tiempo bien empleado. Estos componentes son extremadamente comunes, y con razón, son dispositivos sencillos y versátiles que proporcionan la funcionalidad requerida en una lista aparentemente interminable de aplicaciones.

El análisis y diseño de los circuitos de amplificadores operacionales es algo interesante, por la siguiente razón: analizamos los amplificadores operacionales con la ayuda de simplificar supuestos que son claramente falsos, pero rara vez experimentamos problemas serios causados ​​por las diferencias entre el dispositivo real y el idealizado. Dispositivo en el que se basan los supuestos.

El corto virtual

Una de estas suposiciones se denomina cortocircuito virtual, o simplemente cortocircuito virtual. En realidad, esta no es una de las características fundamentales de un amplificador operacional ideal. Más bien, el corto virtual es una situación teórica que surge de una de las características fundamentales de un amplificador operacional ideal, a saber, la ganancia infinita de bucle abierto.

Imaginemos que tenemos un amplificador operacional conectado como un amplificador inversor. Como casi siempre ocurre con los circuitos de amplificadores operacionales, la funcionalidad se basa en el uso de retroalimentación negativa.

El método estándar para obtener una expresión para la ganancia de este circuito es asumir que el voltaje en el terminal de entrada no inversor (V_{IN +}) es igual a la tensión en el terminal inversor (V_EN-). Dado que el terminal de entrada no inversor está conectado a tierra, V_{IN +} = 0 V y por lo tanto V_EN- = 0 V. ¿Pero por qué? ¿Por qué podemos asumir que dos voltajes diferentes son iguales?

Ganancia infinita

Podemos suponer que dos voltajes diferentes son iguales porque en realidad la diferencia entre estos voltajes es muy pequeña, y la diferencia entre los voltajes es muy pequeña porque la ganancia es muy grande. Considera el siguiente diagrama y ecuación:

$$ V_ {OUT} = A times (V_ {IN +} – V_ {IN -}) $$

Un amplificador operacional es un amplificador diferencial. Produce una tensión de salida al aplicar una ganancia de bucle abierto (indicada por A) a la diferencia entre la tensión en el terminal de entrada no inversora y la tensión en el terminal de entrada inversora. Si reorganizamos esta ecuación para que la diferencia de voltaje se separe de la ganancia, tenemos lo siguiente:

$$ frac {V_ {OUT}} {A} = V_ {IN +} – V_ {IN -} $$

Observe lo que sucede a medida que aumenta la ganancia de bucle abierto (para una V dada_AFUERA): la diferencia de tensión disminuye. A medida que la ganancia se acerca al infinito, la diferencia de voltaje se acerca a cero. En otras palabras, si la ganancia es infinita, V_{IN +} debe ser igual a V_EN-, y este es el corto virtual.

Ganancia finita

La imposibilidad de construir un amplificador de ganancia infinita no anula el valor práctico del supuesto virtual corto. ¿Por qué? Debido a que “virtual short” es simplemente otra forma de decir que hay una diferencia cero entre los dos voltajes de entrada del amplificador operacional, y en los circuitos reales, la diferencia es “lo suficientemente cerca” de cero. La ganancia de bucle abierto de los amplificadores operacionales reales puede ser superior a 100 dB. Esa es una relación de salida a entrada de al menos 100,000. Digamos que tenemos un amplificador operacional con A = 100 dB, y está produciendo un voltaje de salida de 2.5 V.

$$ V_ {IN +} – V_ {IN -} = frac {2.5 V} {100,000} = 0.000025 V $$

Eso es 25 µV. Cuando la ganancia de bucle abierto es lo suficientemente alta como para producir un voltaje de diferencia (muy) pequeña, el cortocircuito virtual es confiable como una herramienta de diseño práctica, a pesar del hecho de que no es realista. Y en realidad, no solo es poco realista. Es francamente paradójico.

Reflexionando sobre los detalles

La paradoja de entrada cero

No me gusta cuando alguien me dice que aplicar una ganancia a una señal de 0 V produce una salida de 2.5 V. Aprendí hace mucho tiempo que cero veces algo es igual a cero. El amplificador operacional ideal es un amplificador diferencial, y su señal de entrada (es decir, V_{IN +}–V_EN-) es cero. Por lo tanto, el amplificador operacional ideal produce un voltaje de salida de cero en todas las condiciones … que no parece ser un dispositivo muy útil.

Por supuesto, aquí es donde se rompe el supuesto. No puedes usar el short virtual para determinar V_AFUERA basado en la funcionalidad normal de bucle abierto del amplificador operacional. Más bien, el corto virtual es una herramienta que utilizamos cuando el amplificador operacional se implementa dentro del contexto de retroalimentación negativa. Por ejemplo, cuando estamos analizando un amplificador no inversor estándar, el supuesto corto virtual (junto con el supuesto de corriente de entrada cero) nos permite derivar una expresión para la ganancia de bucle cerrado como si el amplificador operacional ni siquiera estuviera ahí.

Cuando miro este circuito, mi mente naturalmente ignora el triángulo. los La ganancia del amplificador operacional está envuelta en el supuesto virtual cortoY más allá de eso, el triángulo es como una piedra que cae en una corriente. La corriente simplemente fluye a su alrededor.

¿Es la entrada una entrada o una salida?

Si conecta a tierra el terminal de entrada inversor de un amplificador operacional y aplica una señal de 1 V al terminal de entrada no inversor, la salida se saturará en (o cerca) del riel positivo y la diferencia entre V_{IN +} y V_EN- será 1 V. No hay nada sorprendente aquí; La alta ganancia de bucle abierto del dispositivo conduce la salida a la tensión de salida máxima, y ​​la tensión de entrada se mantiene en 1 V.

Sin embargo, cuando empezamos a hablar sobre el corto virtual, la situación es menos directa. Casi parece como si el amplificador operacional estuviera utilizando su alta ganancia para forzar el cumplimiento de los voltajes de entrada. En la configuración de inversión, por ejemplo, una entrada está conectada a tierra y la otra recibe la señal de entrada, pero luego el amplificador operacional decide que esos dos voltajes deben ser iguales. ¿Qué está pasando realmente aquí?

De nuevo, la suposición virtual corta es algo que existe dentro del contexto de un amplificador de retroalimentación negativa. En la configuración de inversión, el terminal de entrada inversor está conectado no solo a la señal de entrada (a través de una resistencia) sino también al terminal de salida (a través de una resistencia). El voltaje de salida afecta el voltaje en el terminal de entrada inversor, y la ganancia del amplificador operacional afecta el voltaje de salida, y esto lleva a mis declaraciones finales con respecto a lo que el corto virtual De Verdad es:

• La presencia de una red de retroalimentación negativa establece una relación de entrada a salida / salida a entrada;
• la diferencia entre v_{IN +} y V_EN- debe ser consistente con la ganancia de bucle cerrado impuesta por la red de retroalimentación;
• por lo tanto, el circuito naturalmente crea una situación en la que la diferencia entre los voltajes de entrada inversor y no inversor es muy pequeña, porque la única manera de producir un voltaje de salida típico de un amplificador de diferencia de ganancia extremadamente alta es tener un voltaje de diferencia muy pequeño .

Conclusión

Espero que esta discusión les haya ayudado a comprender más a fondo la suposición virtual breve, que tenía en mente recientemente cuando escribí un artículo sobre amplificadores de carga para sensores piezoeléctricos: el corto virtual (en este caso, una base virtual) permite la señal de salida. no ser afectado por cambios en la capacitancia del cable. Si tiene alguna información adicional sobre este tema, siéntase libre de compartir sus pensamientos en la sección de comentarios a continuación.