Explicación paso a paso de cómo el seguidor de voltaje alcanza el estado estable utilizando retroalimentación negativa

¡Solo un minuto! No estoy tratando de entender lo que hace la retroalimentación negativa con el tiempo , o por las que se debe utilizar. Estoy tratando de entender cómo el circuito alcanza el estado estable y cómo, paso a paso, la retroalimentación negativa hace que Vout sea el mismo que Vin. Esto no se ha abordado adecuadamente en otras respuestas.

Supongamos que el amplificador operacional tiene una ganancia de 10,000, un suministro de 15V y Vin es de 5V.

Según tengo entendido, así es como va:

1. es 5V, entonces V o u t debe ser 50,000V. Sin embargo, está limitado a 15V por la fuente de alimentación del amplificador operacional.$V_{in}$$V_{out}$
2. luego se aplica de nuevo a V - , pero serestade V i n debido a que esunaretroalimentaciónnegativa$V_{out}$$V_-$$V_{in}$
3. Entonces, el voltaje de entrada diferencial es ahora 5V - 15V = -10V
4. Esto se amplifica a -15V por el amplificador operacional (debido a la saturación)
5. Ahora -15V se aplica a través de retroalimentación negativa, pero se agrega a 5V, debido a doble negativo$V_{in}$
6. Así que ahora la entrada diferencial es de 20 , y V o u t es de 15 V (debido a la saturación)$V_{out}$
7. Parece que cada vez que el amplificador operacional alcance la saturación, pero solo invierta la salida

Obviamente he hecho algo mal aquí. La salida nunca se estabilizará a 5V de esta manera. ¿Cómo funciona realmente?

Debido a las excelentes respuestas, (creo que) he entendido el funcionamiento de los comentarios negativos. Según tengo entendido, así es como va:

Digamos por simplicidad que la entrada es un paso perfecto para 5V (de lo contrario, la salida seguiría la entrada transitoria, haciendo que todo sea 'continuo' y difícil de explicar en pasos).

1. Al principio, la entrada es de 5V, y en este momento la salida está a 0V, y 0V se está retroalimentando a $V_{in}$
2. $(V_+ - V_-)$
3. Consideremos el punto en el tiempo cuando esta salida alcanza 1V.
4. En este momento, la retroalimentación también será de 1V, y el voltaje diferencial habrá caído a 4V. Ahora el voltaje 'objetivo' del amplificador operacional será de 40,000V (debido a la ganancia de 10,000, y nuevamente, limitado a 15V por la fuente de alimentación). Por lo tanto, V_out seguirá aumentando rápidamente.
5. Consideremos el punto en el tiempo cuando esta salida alcanza 4V.
6. $V_{out}$

El patrón emergente es: la entrada diferencial provoca un aumento en V_out, lo que provoca un aumento en el voltaje de retroalimentación, lo que provoca una disminución en la entrada diferencial, lo que disminuye el voltaje de salida 'objetivo' del amplificador operacional. Este ciclo es continuo, lo que significa que podemos dividirlo en intervalos aún más cortos para la investigación. De todos modos:

7. $(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Sin embargo , si el amplificador operacional alcanza 4.9998V, ahora el voltaje diferencial será de solo 0.0002V. Por lo tanto, la salida del amplificador operacional debería disminuir a 2V. ¿Por qué no sucede esto?

Creo que finalmente he entendido el proceso:

$V_{out}$

Y si la salida del amplificador operacional disminuye a menos de 4.9995 V, la retroalimentación disminuirá, haciendo que el voltaje diferencial aumente, llevando la salida del amplificador operacional a 4.9995 V.

$V_{out}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

"Vin es 5V, entonces Vout debería ser 50,000V".

¿Por qué? ¡OpAmp amplifica la diferencia entre las entradas + y -, no solo el valor en la entrada +!

OK, puede comenzar con: la salida está a 0V, y la entrada (conectada a la entrada +) es 5V. Lo que ha hecho es aplicar un paso de 5V a la entrada.

Ahora lo que sucede es que el OpAmp comienza a aumentar el voltaje en la salida. No puede hacer esto a la vez, por lo que aumentará 'lentamente' (para un valor bastante rápido de lento, que tiene un nombre técnico en el mundo de OpAmp: la velocidad de respuesta, que es una característica importante de un OpAmp real). Cuando alcanza 5V, esto se retroalimenta a la entrada negativa, en cuyo momento compensa los 5V en la entrada +, por lo que el OpAmp ya no intenta aumentar su nivel de salida. (Para ser realmente exactos: esto sucede un poco antes, cuando la diferencia es de 5V / 10k).

Dependiendo de las características de temporización, la salida podría establecerse 'lentamente' a 5V, o sobrepasar los 5V, caer por debajo de 5V, etc. (oscilar hacia 5V). Si el circuito está mal diseñado, la oscilación podría aumentar (y nunca terminar).

Interpretación más básica:

Aquí está mi forma intuitiva de entender un circuito de amplificador operacional dado por personificación. Imagen de un pequeño tipo dentro del amplificador operacional. El pequeño tiene una pantalla que indica la diferencia de voltajes entre las entradas + y -. El pequeño también tiene una perilla. La perilla ajusta el voltaje de salida, en algún lugar entre los rieles de voltaje.

El objetivo de nuestro pequeño amigo es hacer que la diferencia entre los dos voltajes sea cero. Girará la perilla hasta que encuentre el voltaje en la salida que, según el circuito que conectó, da como resultado una diferencia cero en su pantalla.

Entonces, en pasos "secuenciales":

1. La entrada al circuito tampón está a 5V. Supongamos que la perilla de salida está inicialmente a 0V.
2. Dado que la entrada está conectada directamente a la salida en la configuración del búfer, la diferencia que está en la pantalla del pequeño amigo es de 5V. No está contento con eso.
3. El pequeño comienza a girar la perilla para aumentar la salida de voltaje. Se acerca cada vez más.
4. Finalmente, cuando ve 0V en la pantalla, deja de cambiar la perilla. La salida ahora estará a 5V.

Dentro de un amplificador operacional ideal:

En realidad no es un pequeño tipo dentro de un amplificador operacional: ¡es matemática! Aquí hay una representación de lo que estamos tratando de implementar en un amplificador operacional:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Esto logrará lo que el pequeño estaba tratando de lograr con algunas limitaciones:

• El pequeño tipo podría descubrir qué manera de girar la perilla, pero esto no puede. Tenemos que conectarlo de modo que al aumentar la salida disminuya la diferencia.
• Habrá un pequeño error si "Mucha ganancia" no es en realidad infinito.
• Tenemos que considerar cuidadosamente si el circuito será estable. Hay bastante por ahí sobre este tema .

Un amplificador operacional real:

Así es como se ve un amplificador operacional real (el 741) en el interior:

Estos transistores implementan la representación matemática anterior.

Es importante tener en cuenta que hay una gran cantidad de problemas prácticos que deben abordarse al usar un amplificador operacional real. Para nombrar unos pocos:

• Corrientes de sesgo
• ruido
• Voltaje de entrada en modo común
• Salida de corriente
• Voltajes de suministro
• Disipación de potencia
• Comportamiento dinámico y estabilidad

Pero en todos los circuitos de amplificadores operacionales, mi mente siempre comienza con la explicación del "pequeño amigo" para tener una idea de lo que está sucediendo. Luego, si es necesario, extiendo esto con análisis matemático. Finalmente, también si es necesario, aplico el conocimiento práctico de lo que se necesita para cumplir con los requisitos de una aplicación.

Un opAmp funciona en tiempo continuo y no en tiempo discreto. Esto significa que ninguna acción puede ocurrir instantáneamente y las acciones no ocurren en pasos. Incluso si se gira un interruptor para conectar un voltaje al pin +, todavía hay un tiempo de aumento transitorio en la entrada y la salida se sigue continuamente. Esto se describe muy comúnmente como acción opAmp. Un modelo de especias es solo eso, un modelo. El modelo no incorpora ni puede incorporar todos los matices que se encuentran en el opAmp. Si desea estudiar los efectos transitorios de un opAmp, compre uno y mírelo con un osciloscopio. Esa es la única forma en que podrá estudiar los efectos.

En el mundo real, los amplificadores operacionales tienen una velocidad de respuesta limitada. Para algunos tipos de amplificadores operacionales, la velocidad de respuesta puede ser muy rápida, pero nunca es instantánea. Cuando la entrada "+" del amplificador operacional es más alta, la salida aumentará muy rápidamente hasta que llegue al riel positivo o la entrada "+" ya no sea más alta que la entrada "-". Cuando la entrada "-" es más alta, la salida caerá muy rápidamente hasta que llegue al riel negativo o la entrada "-" ya no sea más alta que la entrada "+".

En la mayoría de los circuitos diseñados adecuadamente que usan amplificadores operacionales, los aspectos del comportamiento del circuito necesarios para cumplir con los requisitos deben satisfacerse igualmente bien para un rango significativo de velocidades de respuesta de salida. En el caso del seguidor de voltaje, por ejemplo, la velocidad de respuesta agregará un breve retraso entre el momento en que la entrada cambia y el momento en que la salida alcanza el mismo valor, pero no afectará el valor alcanzado por la salida.

En realidad, el fenómeno que describe solía ser un problema real, allá por la Edad Media (años 70). La venerable hoja de datos del seguidor de voltaje LM310 contiene la sugerencia de aplicación (parte inferior de la página 2) que recomienda una resistencia de entrada de 10k ohmios para mantener la estabilidad.

También tenga en cuenta que su argumento se puede aplicar a cualquier circuito de amplificador operacional, y tratar su objeción requiere considerar la respuesta de frecuencia del amplificador, que es mucho más de lo que puedo cubrir. Que sea suficiente decir que, por un lado, la salida no cambia instantáneamente (velocidad de respuesta limitada mencionada por otros respondedores, y por otro lado, se considera cómo la circuitería interna también responde a los cambios.

Otros han descrito lo que realmente sucede: la salida responde para poner la diferencia entre las dos entradas a cero, y si el circuito está diseñado correctamente, eventualmente permanecerá allí. Pero sólo para mostrar que el tema se complica, tenga en cuenta que si usted retrasa la salida hacia abajo demasiado (por poner un condensador a tierra en la salida) puede también causa el amplificador a oscilar.

Lo siento, no puedo dar más detalles, pero está bastante claro que necesitas muchos más antecedentes antes de que incluso pueda intentar explicarlo.

La respuesta general es que la salida del opamp se desplazará a cualquier voltaje necesario para que las entradas no inversoras (+) e inversoras (-) estén en el mismo voltaje. En consecuencia, si la entrada + se establece en, por ejemplo, 5 voltios, la salida servirá a 5 voltios para que la entrada - esté a 5 voltios, suponiendo que los rieles del opamp permitirán que eso suceda.

En realidad, sin embargo, la salida nunca se estabiliza y siempre está en servo por encima y por debajo del voltaje en la entrada +.

Cuánto depende de la ganancia y el ancho de banda del opamp y de los circuitos externos, pero esa es una pregunta completamente diferente.