Comprensión del cortocircuito virtual en los circuitos de los amplificadores operacionales

Este artículo explica y discute una importante técnica de simplificación utilizada en el análisis del amplificador operacional.

Una comprensión más profunda de la funcionalidad del amplificador es, en mi opinión, tiempo bien empleado. Estos componentes son muy comunes y con razón: son dispositivos simples y versátiles que proporcionan la funcionalidad necesaria en una lista aparentemente interminable de aplicaciones.

El análisis y diseño de circuitos con operativa es una cosa interesante, por la siguiente razón: Analizamos los amplificadores operacionales que hacen uso de supuestos ejemplares que son claramente falsas, Pero rara vez nos encontramos con graves problemas causados por las diferencias entre el dispositivo real y el dispositivo idealizado supuestos subyacentes.

Lo virtual corto

Uno de estos supuestos se llama circuito virtual, o simplemente virtuales corta. en realidad, esto no es una de las características fundamentales de un amplificador operacional ideales. más bien, el corto virtual es una situación teórica que se deriva de una de las características fundamentales de un amplificador operacional ideales, a saber, una ganancia de bucle abierto infinito para.

Imagine que tiene un amplificador operacional conectado como un amplificador inversor. Como casi siempre sucede con los circuitos de amplificadores operacionales, La funcionalidad se basa en el uso de retroalimentación negativo.

el método estándar para obtener una expresión para la ganancia de este circuito es asumir que el voltaje en el terminal de entrada no inversora (VIN +) es igual a la tensión en el terminal inversor (VINO-). Desde el terminal de entrada no inversora está conectada a tierra, VIN + = 0 V y luego VIN- = 0 V. pero ¿por qué? Debido a que podemos asumir que las dos tensiones diferentes son los mismos?

ganancia infinita

Podemos suponer que dos tensiones diferentes son los mismos, porque en realidad la diferencia entre estos voltajes es muy pequeña y la diferencia entre las tensiones es muy pequeño porque la ganancia es muy grande. Considere el siguiente diagrama:

y su ecuación siguiente ecuación:

Un amplificador operacional es un amplificador diferencial. Se produce una tensión de salida mediante la aplicación de una ganancia en bucle abierto (indicada por A) la diferencia entre el voltaje en el terminal de entrada no inversora y el voltaje en el terminal de entrada inversora. Si reorganizamos esta ecuación por lo que la diferencia de voltaje se separa de la ganancia, tenemos el siguiente:

Observe lo que sucede cuando se aumenta la ganancia de bucle abierto (para un determinado V_AFUERA): la diferencia de tensión disminuye. Cuando la ganancia tiende a infinito, la diferencia de voltaje se aproxima a cero. En otras palabras, si la ganancia es infinito, V_{EN +} Debe ser igual a V_EN-, y este es el corto virtuales.

ganancia extremos

La incapacidad para construir un amplificador de ganancia infinita no anula el valor práctico de la corta Virtual contratado. ¿Por qué? ¿Por qué “virtual de corta” Es simplemente otra forma de decir que hay una clara diferencia entre las dos tensiones de entrada del amplificador operacional, y en los circuitos reales es la diferencia “lo suficientemente cerca” un cero.

La ganancia de bucle abierto de los amplificadores operacionales real puede ser mayor que 100 dB. Esto es una relación de salida a la entrada de al menos 100.000. Digamos que si tenemos un amplificador operacional con A = 100 dB produce una tensión de salida de 2,5 V nos:

debe leer 25 mV. Cuando la ganancia de bucle abierto es lo suficientemente alta como para producir una diferencia de voltaje (muy pequeña), el circuito virtual es tan fiable como una herramienta de diseño práctico, a pesar de que no es realista.

Al reflexionar sobre los detalles

La paradoja de entrada cero

No me gusta cuando me dicen que una ganancia aplicada a una señal 0 V produce una salida a 2,5 V. Ya he aprendido de niño que los tiempos cualquier cosa cero es cero.

El amplificador operacional ideal es un amplificador diferencial y su señal de entrada (a saber, V_{EN +}-V_EN-) es cero. por lo tanto, el amplificador operacional ideales produce una tensión de salida igual a cero en todas las condiciones … considerado desde este punto de vista no parece un dispositivo muy útil.

¡Por supuesto, este es el punto donde la hipótesis demuestra parcialmente infundado. No se puede utilizar el circuito virtual para determinar VOUT acuerdo con la función normal de bucle abierto del amplificador operacional. más bien, el corto virtual es una herramienta que se utiliza cuando el amplificador operacional se lleva a cabo en el contexto de retroalimentación negativa.

por ejemplo, Cuando estamos analizando un amplificador inversor no estándar, la hipótesis corta virtuales (en conjunción con el supuesto de corriente de entrada cero) Esto nos permite derivar una expresión para la ganancia en lazo cerrado como si el amplificador operacional ni siquiera estaba allí.

Cuando miro a este circuito, mi mente ignora, naturalmente, el triángulo que representa la operativa, el triángulo es como una piedra lanzada en el flujo de agua de un río. La corriente fluye alrededor de ella sin incrementos y resta de la corriente total que fluye.

La entrada es una entrada o una salida?

Si se pone en el suelo de la terminal de entrada inversora de un amplificador operacional y se aplica una señal de 1 V al terminal de entrada no inversora, la salida se saturará y se moverá cerca de la alimentación positiva y la diferencia entre VIN + e Wine- voluntad 1 V. No hay nada sorprendente en este discurso; la alta ganancia en bucle abierto del dispositivo de piloto la de salida a la tensión de salida máxima y la tensión de entrada se mantiene en 1 V.

sin embargo, cuando comenzamos a hablar sobre el corto virtual, La situación es menos clara. Casi parece que el amplificador operacional está utilizando su alta ganancia para forzar el signo igual de las tensiones de entrada. En la configuración inversora, por ejemplo, una entrada está conectada a tierra y el otro recibe la señal de entrada, pero entonces el amplificador operacional decide que esas dos tensiones deben ser iguales. Lo que está sucediendo realmente?

de nuevo, la hipótesis de cortocircuito virtual es algo que existe en el contexto de un amplificador de retroalimentación negativa. En la configuración inversora, el terminal de entrada inversora está conectada no sólo a la señal de entrada (a través de un resistor) pero también al terminal de salida (a través de un resistor). La tensión de salida afecta la tensión en el terminal de entrada inversora, y la ganancia de amplificador operacional afecta la tensión de salida, y esto lleva a mis declaraciones finales sobre lo que es en realidad el circuito virtual:

La presencia de una red de realimentación negativa establece una salida a la entrada relación;
la diferencia entre VIN + e Wine- Debe ser compatible con la ganancia impuesta por la red de realimentación de bucle cerrado;
entonces, el circuito crea naturalmente una situación en la que la diferencia entre el inversor y el voltaje de entrada no inversora es muy pequeña, porque la única manera de producir una tensión de salida típica de un amplificador a velocidades extremadamente alta diferencia de ganancia es tener una muy pequeña diferencia de voltaje .