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8.5: Comentarios divididos

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    Si agregamos un divisor de voltaje al cableado de retroalimentación negativa para que solo una fracción del voltaje de salida se realimente a la entrada inversora en lugar de la cantidad total, el voltaje de salida será un múltiplo del voltaje de entrada (tenga en cuenta que las conexiones de la fuente de alimentación a los op-amp se han omitido una vez más por razones de simplicidad):

    03037.webp

    Si R1 y R2 son iguales y V in es de 6 voltios, el amplificador operacional emitirá cualquier voltaje que se necesite para caer 6 voltios a través de R1 (para hacer que el voltaje de entrada de inversión sea igual a 6 voltios, así, manteniendo la diferencia de voltaje entre las dos entradas igual a cero). Con el divisor de voltaje 2:1 de R 1 y R2, esto tomará 12 voltios en la salida del amplificador operacional para lograr.

    Otra forma de analizar este circuito es comenzar calculando la magnitud y dirección de la corriente a través de R1, conociendo el voltaje en cada lado (y por lo tanto, por resta, el voltaje a través de R1), y la resistencia de R1. Dado que el lado izquierdo de R1 está conectado a tierra (0 voltios) y el lado derecho está a un potencial de 6 voltios (debido a la retroalimentación negativa que mantiene ese punto igual a V in), podemos ver que tenemos 6 voltios a través de R1. Esto nos da 6 mA de corriente a través de R 1 de izquierda a derecha. Debido a que sabemos que ambas entradas del op-amp tienen una impedancia extremadamente alta, podemos asumir con seguridad que no sumarán ni restarán ninguna corriente a través del divisor. En otras palabras, podemos tratar a R1 y R2 como que están en serie entre sí: todos los electrones que fluyen a través de R1 deben fluir a través de R2. Conociendo la corriente a través de R2 y la resistencia de R2, podemos calcular el voltaje a través de R2 (6 voltios), y su polaridad. Contando voltajes desde tierra (0 voltios) hasta el lado derecho de R 2, llegamos a 12 voltios en la salida.

    Al examinar la última ilustración, uno podría preguntarse, “¿a dónde va ese 6 mA de corriente?” La última ilustración no muestra toda la ruta de corriente, pero en realidad proviene del lado negativo de la fuente de alimentación de CC, a través de tierra, a través de R 1, a través de R 2, a través del pin de salida del amplificador operacional, y luego de vuelta al lado positivo de la fuente de alimentación de CC a través de la salida transistor (es) del amplificador operacional. Usando el modelo de detector/potenciómetro nulo del amplificador operacional, la ruta de corriente se ve así:

    03233.png

    La fuente de señal de 6 voltios no tiene que suministrar ninguna corriente para el circuito: simplemente ordena al amplificador operacional equilibrar el voltaje entre los pines de entrada inversora (-) y no inversora (+), y al hacerlo produce un voltaje de salida que es el doble de la entrada debido al efecto divisor de las dos resistencias de 1 kΩ.

    Podemos cambiar la ganancia de voltaje de este circuito, en general, simplemente ajustando los valores de R 1 y R2 (cambiando la relación de voltaje de salida que se retroalimenta a la entrada inversora). La ganancia se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

    13004.png

    Tenga en cuenta que la ganancia de voltaje para este diseño de circuito amplificador nunca puede ser inferior a 1. Si bajáramos R 2 a un valor de cero ohmios, nuestro circuito sería esencialmente idéntico al seguidor de voltaje, con la salida conectada directamente a la entrada inversora. Dado que el seguidor de voltaje tiene una ganancia de 1, esto establece el límite de ganancia inferior del amplificador no inversor. Sin embargo, la ganancia puede incrementarse mucho más allá de 1, al aumentar R 2 en proporción a R1.

    También tenga en cuenta que la polaridad de la salida coincide con la de la entrada, al igual que con un seguidor de voltaje. Un voltaje de entrada positivo resulta en un voltaje de salida positivo, y viceversa (con respecto a tierra). Por esta razón, a este circuito se le conoce como un amplificador no inversor.

    Al igual que con el seguidor de voltaje, vemos que la ganancia diferencial del op-amp es irrelevante, siempre y cuando sea muy alta. Los voltajes y corrientes en este circuito difícilmente cambiarían en absoluto si la ganancia de voltaje del amplificador operacional fuera de 250.000 en lugar de 200,000. Esto se erige como un marcado contraste con los diseños de circuitos amplificadores de un solo transistor, donde la Beta del transistor individual influyó en gran medida en las ganancias generales del amplificador. Con retroalimentación negativa, tenemos un sistema de autocorrección que amplifica el voltaje de acuerdo con las relaciones establecidas por las resistencias de retroalimentación, no las ganancias internas al amplificador operacional.

    Veamos qué sucede si retenemos retroalimentación negativa a través de un divisor de voltaje, pero aplicamos el voltaje de entrada en una ubicación diferente:

    03038.png

    Al poner a tierra la entrada no inversora, la retroalimentación negativa de la salida busca mantener el voltaje de la entrada inversora a 0 voltios, también. Por esta razón, la entrada inversora se refiere en este circuito como una tierra virtual, manteniéndose a potencial de tierra (0 voltios) por la retroalimentación, pero no conectada directamente a (eléctricamente común con) tierra. El voltaje de entrada esta vez se aplica al extremo izquierdo del divisor de voltaje (R 1 = R2 = 1 kΩ nuevamente), por lo que el voltaje de salida debe oscilar a -6 voltios para equilibrar el potencial medio a tierra (0 voltios). Usando las mismas técnicas que con el amplificador no inversor, podemos analizar el funcionamiento de este circuito determinando magnitudes y direcciones de corriente, comenzando con R1, y continuando determinando el voltaje de salida.

    Podemos cambiar la ganancia de voltaje general de este circuito, en general, simplemente ajustando los valores de R1 y R2 (cambiando la relación de voltaje de salida que se retroalimenta a la entrada inversora). La ganancia se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

    13005.png

    Tenga en cuenta que la ganancia de voltaje de este circuito puede ser inferior a 1, dependiendo únicamente de la relación de R2 a R1. También tenga en cuenta que el voltaje de salida es siempre la polaridad opuesta a la tensión de entrada. Un voltaje de entrada positivo resulta en un voltaje de salida negativo, y viceversa (con respecto a tierra). Por esta razón, a este circuito se le conoce como un amplificador inversor. En ocasiones, la fórmula de ganancia contiene un signo negativo (antes de la fracción R 2 /R1) para reflejar esta inversión de polaridades.

    Estos dos circuitos amplificadores que acabamos de investigar sirven para multiplicar o dividir la magnitud de la señal de voltaje de entrada. Así es exactamente como las operaciones matemáticas de multiplicación y división se manejan típicamente en circuitos informáticos analógicos.

    Revisar

    • Al conectar la entrada inversora (-) de un amplificador operacional directamente a la salida, obtenemos retroalimentación negativa, lo que nos da un circuito seguidor de voltaje. Al conectar esa retroalimentación negativa a través de un divisor de voltaje resistivo (retroalimentando una fracción de la tensión de salida a la entrada inversora), la tensión de salida se convierte en un múltiplo de la tensión de entrada.
    • Un circuito de amplificador operacional de retroalimentación negativa con la señal de entrada que va a la entrada no inversora (+) se llama amplificador no inversor. El voltaje de salida será de la misma polaridad que la entrada. La ganancia de voltaje viene dada por la siguiente ecuación: A V = (R 2 /R 1) + 1
    • Un circuito de amplificador operacional de retroalimentación negativa con la señal de entrada que va a la “parte inferior” del divisor de voltaje resistivo, con la entrada no inversora (+) conectada a tierra, se llama amplificador inversor. Su voltaje de salida será la polaridad opuesta a la entrada. La ganancia de voltaje viene dada por la siguiente ecuación: A V = -R 2 /R 1

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