8.4: Comentarios negativos

Si conectamos la salida de un amplificador operacional a su entrada inversora y aplicamos una señal de voltaje a la entrada no inversora, encontramos que el voltaje de salida del amplificador operacional sigue de cerca ese voltaje de entrada (he descuidado extraer la fuente de alimentación, los cables +V/-V y el símbolo de tierra para simplificar):

A medida que V _en aumenta, V _out aumentará de acuerdo con la ganancia diferencial. Sin embargo, a medida que aumenta la _salida V, ese voltaje de salida se realimenta a la entrada inversora, actuando así para disminuir el diferencial de voltaje entre las entradas, lo que actúa para bajar la salida. Lo que sucederá con cualquier entrada de voltaje dada es que el amplificador operacional emitirá un voltaje casi igual a V _in, pero lo suficientemente bajo para que quede suficiente diferencia de voltaje entre V _in y la entrada (-) para amplificarse y generar el voltaje de salida.

El circuito alcanzará rápidamente un punto de estabilidad (conocido como equilibrio en física), donde el voltaje de salida es la cantidad justa para mantener la cantidad correcta de diferencial, lo que a su vez produce la cantidad correcta de voltaje de salida. Tomar el voltaje de salida del amplificador operacional y acoplarlo a la entrada inversora es una técnica conocida como retroalimentación negativa, y es la clave para tener un sistema autoestabilizante (esto es cierto no solo de amplificadores operacionales, sino de cualquier sistema dinámico en general). Esta estabilidad le da al amplificador operacional la capacidad de trabajar en su modo lineal (activo), en lugar de simplemente estar saturado completamente “encendido” o “apagado” como lo era cuando se usaba como comparador, sin retroalimentación alguna.

Debido a que la ganancia del amplificador operacional es tan alta, el voltaje en la entrada de inversión se puede mantener casi igual a V _in. Digamos que nuestro amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje diferencial de 200,000. _{Si V es igual a 6 voltios, el voltaje de salida será de 5.999970000149999 voltios.} Esto crea suficiente voltaje diferencial (6 voltios - 5.999970000149999 voltios = 29.99985 µV) para hacer que 5.999970000149999 voltios se manifiesten en el terminal de salida, y el sistema se mantiene ahí en equilibrio. Como puede ver, 29.99985 µV no es mucho diferencial, por lo que para cálculos prácticos, podemos suponer que el voltaje diferencial entre los dos cables de entrada se mantiene por retroalimentación negativa exactamente a 0 voltios.

Una gran ventaja de usar un amplificador operacional con retroalimentación negativa es que la ganancia de voltaje real del amplificador operacional no importa, siempre y cuando sea muy grande. Si la ganancia diferencial del amplificador operacional fuera 250,000 en lugar de 200,000, todo lo que significaría es que el voltaje de salida se mantendría un poco más cerca de V _in (menos voltaje diferencial necesario entre las entradas para generar la salida requerida). En el circuito que se acaba de ilustrar, la tensión de salida seguiría siendo (para todos los fines prácticos) igual a la tensión de entrada no inversora. Por lo tanto, las ganancias de amplificador operacional no tienen que ser establecidas con precisión por la fábrica para que el diseñador de circuitos construya un circuito amplificador con ganancia precisa. La retroalimentación negativa hace que el sistema se autocorrija. El circuito anterior en su conjunto simplemente seguirá el voltaje de entrada con una ganancia estable de 1.

Volviendo a nuestro modelo de amplificador diferencial, podemos pensar en el amplificador operacional como una fuente de voltaje variable controlada por un detector de nulos extremadamente sensible, el tipo de movimiento del medidor u otro dispositivo de medición sensible utilizado en circuitos de puente para detectar una condición de equilibrio ( cero voltios). El “potenciómetro” dentro del amplificador operacional que crea el voltaje variable se moverá a cualquier posición que deba para “equilibrar” los voltajes de entrada inversora y no inversora para que el “detector nulo” tenga voltaje cero a través de él:

Como el “potenciómetro” se moverá para proporcionar un voltaje de salida necesario para satisfacer el “detector nulo” a una “indicación” de cero voltios, el voltaje de salida se vuelve igual al voltaje de entrada: en este caso, 6 voltios. Si el voltaje de entrada cambia en absoluto, el “potenciómetro” dentro del amplificador operacional cambiará de posición para mantener el “detector nulo” en equilibrio (indicando cero voltios), resultando en un voltaje de salida aproximadamente igual al voltaje de entrada en todo momento.

Esto se mantendrá cierto dentro del rango de voltajes que el amplificador operacional puede emitir. Con una fuente de alimentación de +15V/-15V, y un amplificador ideal que puede balancear su voltaje de salida tan lejos, “seguirá” fielmente el voltaje de entrada entre los límites de +15 voltios y -15 voltios. Por esta razón, el circuito anterior se conoce como seguidor de voltaje. Al igual que su contraparte de un transistor, el amplificador de colector común (“emisor-seguidor”), tiene una ganancia de voltaje de 1, una impedancia de entrada alta, una impedancia de salida baja y una ganancia de corriente alta. Los seguidores de voltaje también se conocen como búferes de voltaje y se utilizan para aumentar la capacidad de suministro de corriente de las señales de voltaje demasiado débiles (una impedancia de fuente demasiado alta) para impulsar directamente una carga. El modelo de amplificador operacional que se muestra en la última ilustración representa cómo el voltaje de salida está esencialmente aislado del voltaje de entrada, de modo que la corriente en el pin de salida no es suministrada por la fuente de voltaje de entrada en absoluto, sino por la fuente de alimentación que alimenta el amplificador operacional.

Cabe mencionar que muchos amplificadores operacionales no pueden balancear sus voltajes de salida exactamente a voltajes de riel de fuente de alimentación de +V/-V. El modelo 741 es uno de los que no pueden: cuando está saturado, su voltaje de salida alcanza un máximo dentro de aproximadamente un voltio del voltaje de la fuente de alimentación +V y dentro de aproximadamente 2 voltios del voltaje de la fuente de alimentación -V. Por lo tanto, con una fuente de alimentación dividida de +15/-15 voltios, la salida de un amplificador operacional de 741 puede llegar hasta +14 voltios o tan baja como -13 voltios (aproximadamente), pero no más. Esto se debe a su diseño de transistor bipolar. Estos dos límites de voltaje se conocen como voltaje de saturación positivo y voltaje de saturación negativo, respectivamente. Otros amplificadores operacionales, como el modelo 3130 con transistores de efecto de campo en la etapa de salida final, tienen la capacidad de oscilar sus voltajes de salida dentro de milivoltios de cualquiera de los voltajes del riel de la fuente de alimentación. En consecuencia, sus voltajes de saturación positivos y negativos son prácticamente iguales a los voltajes de alimentación.

Revisar

• Conectar la salida de un amplificador operacional a su entrada inversora (-) se llama retroalimentación negativa. Este término se puede aplicar ampliamente a cualquier sistema dinámico donde la señal de salida se “retroalimenta” a la entrada de alguna manera para alcanzar un punto de equilibrio (equilibrio).
• Cuando la salida de un amplificador operacional se conecta directamente a su entrada inversora (-), se creará un seguidor de voltaje. Cualquier voltaje de señal que se imprima en la entrada no inversora (+) se verá en la salida.
• Un amplificador operacional con retroalimentación negativa intentará conducir su voltaje de salida a cualquier nivel necesario para que el voltaje diferencial entre las dos entradas sea prácticamente cero. Cuanto mayor sea la ganancia diferencial de amplificador operacional, más cerca estará el voltaje diferencial a cero.
• Algunos amplificadores operacionales no pueden producir un voltaje de salida igual a su voltaje de suministro cuando están saturados. El modelo 741 es uno de estos. Los límites superior e inferior de la oscilación de voltaje de salida de un amplificador operacional se conocen como voltaje de saturación positivo y voltaje de saturación negativo, respectivamente.