8.12: Retroalimentación positiva

Como hemos visto, la retroalimentación negativa es un principio increíblemente útil cuando se aplica a amplificadores operativos. Es lo que nos permite crear todos estos circuitos prácticos, pudiendo establecer con precisión ganancias, tasas y otros parámetros significativos con solo unos pocos cambios de valores de resistencia. La retroalimentación negativa hace que todos estos circuitos sean estables y autocorrectores.

El principio básico de la retroalimentación negativa es que la salida tiende a conducir en una dirección que crea una condición de equilibrio (equilibrio). En un circuito de amplificador operacional sin retroalimentación, no hay mecanismo correctivo, y el voltaje de salida se saturará con la menor cantidad de voltaje diferencial aplicado entre las entradas. El resultado es un comparador:

Con retroalimentación negativa (la tensión de salida “retroalimentada” de alguna manera a la entrada inversora), el circuito tiende a evitar que conduzca la salida a la saturación completa. Más bien, el voltaje de salida solo conduce tan alto o tan bajo como sea necesario para equilibrar los voltajes de las dos entradas:

Ya sea que la salida se realimente directamente a la entrada inversora (-) o se acople a través de un conjunto de componentes, el efecto es el mismo: la ganancia de voltaje diferencial extremadamente alta del amplificador operacional será “domesticada” y el circuito responderá de acuerdo con los dictados del “bucle” de retroalimentación que conecta la salida a inversión de entrada.

Otro tipo de retroalimentación, a saber, la retroalimentación positiva, también encuentra aplicación en circuitos de amplificador operacional. A diferencia de la retroalimentación negativa, donde el voltaje de salida se “retroalimenta” a la entrada inversora (-), con retroalimentación positiva el voltaje de salida se encamina de alguna manera a la entrada no inversora (+). En su forma más simple, podríamos conectar una pieza recta de cable desde la salida a la entrada no inversora y ver qué sucede:

La entrada inversora permanece desconectada del bucle de retroalimentación y es libre de recibir una tensión externa. Veamos qué pasa si conectamos a tierra la entrada inversora:

Con la entrada inversora puesta a tierra (mantenida a cero voltios), el voltaje de salida será dictado por la magnitud y polaridad del voltaje en la entrada no inversora. Si ese voltaje resulta ser positivo, el amplificador operacional también conducirá su salida positiva, alimentando ese voltaje positivo de nuevo a la entrada no inversora, lo que dará como resultado una saturación total de salida positiva. Por otro lado, si el voltaje en la entrada no inversora pasa a comenzar negativo, la salida del amplificador operacional conducirá en la dirección negativa, retroalimentándose a la entrada no inversora y dando como resultado una saturación negativa completa.

Lo que tenemos aquí es un circuito cuya salida es biestable: estable en uno de dos estados (positivo saturado o negativo saturado). Una vez que haya alcanzado uno de esos estados saturados, tenderá a permanecer en ese estado, inmutable. Lo que se necesita para que cambie de estado es un voltaje colocado sobre la entrada inversora (-) de la misma polaridad, pero de una magnitud ligeramente mayor. Por ejemplo, si nuestro circuito está saturado a un voltaje de salida de +12 voltios, tomará un voltaje de entrada en la entrada inversora de al menos +12 voltios para que la salida cambie. Cuando cambie, se saturará completamente negativo.

Entonces, un amplificador operacional con retroalimentación positiva tiende a permanecer en cualquier estado de salida en el que ya esté. Se “engancha” entre uno de dos estados, saturado positivo o saturado negativo. Técnicamente, esto se conoce como histéresis.

La histéresis puede ser una propiedad útil para que tenga un circuito comparador. Como hemos visto antes, los comparadores se pueden utilizar para producir una onda cuadrada a partir de cualquier tipo de entrada de forma de onda en rampa (onda sinusoidal, onda triangular, onda en diente de sierra, etc.). Si la forma de onda de CA entrante está libre de ruido (es decir, una forma de onda “pura”), un simple comparador funcionará bien.

Sin embargo, si existen anomalías en la forma de onda, como armónicos o “picos” que hagan que el voltaje aumente y caiga significativamente dentro del lapso de tiempo de un solo ciclo, la salida de un comparador podría cambiar de estado inesperadamente:

Cada vez que hay una transición a través del nivel de voltaje de referencia, por muy pequeña que sea esa transición, la salida del comparador cambiará de estado, produciendo una onda cuadrada con “fallas”.

Si agregamos un poco de retroalimentación positiva al circuito comparador, introduciremos histéresis en la salida. Esta histéresis hará que la salida permanezca en su estado actual a menos que el voltaje de entrada de CA sufra un cambio importante de magnitud.

Lo que crea esta resistencia de retroalimentación es una referencia dual para el circuito comparador. El voltaje aplicado a la entrada no inversora (+) como referencia para comparar con el voltaje de CA entrante cambia dependiendo del valor del voltaje de salida del amplificador operacional. Cuando la salida op-amp es positiva saturada, el voltaje de referencia en la entrada no inversora será más positivo que antes. Por el contrario, cuando la salida op-amp es negativa saturada, el voltaje de referencia en la entrada no inversora será más negativo que antes. El resultado es más fácil de entender en una gráfica:

Cuando la salida de amplificador operacional es positiva saturada, el voltaje de referencia superior está vigente y la salida no caerá a un nivel de saturación negativo a menos que la entrada de CA se eleve por encima de ese nivel de referencia superior. Por el contrario, cuando la salida de amplificador operacional es negativa saturada, el voltaje de referencia más bajo está vigente y la salida no se elevará a un nivel de saturación positivo a menos que la entrada de CA caiga por debajo de ese nivel de referencia inferior. El resultado es una salida de onda cuadrada limpia nuevamente, a pesar de cantidades significativas de distorsión en la señal de entrada de CA. Para que una “falla” haga que el comparador cambie de un estado a otro, tendría que ser al menos tan grande (alto) como la diferencia entre los niveles de voltaje de referencia superior e inferior, y en el punto correcto en el tiempo para cruzar ambos niveles.

Otra aplicación de retroalimentación positiva en circuitos de amplificador operacional es en la construcción de circuitos osciladores. Un oscilador es un dispositivo que produce una tensión de salida alterna (CA) o al menos pulsante. Técnicamente, se le conoce como un dispositivo astable: no tener estado de salida estable (sin equilibrio alguno). Los osciladores son dispositivos muy útiles y se fabrican fácilmente con solo un amplificador operacional y algunos componentes externos.

Cuando la salida es positiva saturada, la V _ref será positiva y el condensador se cargará en una dirección positiva. Cuando la _rampa V excede V _ref por el margen más pequeño, la salida se saturará en negativo, y el condensador se cargará en la dirección opuesta (polaridad). La oscilación ocurre porque la retroalimentación positiva es instantánea y la retroalimentación negativa se retrasa (por medio de una constante de tiempo RC). La frecuencia de este oscilador se puede ajustar variando el tamaño de cualquier componente.

Revisar

• La retroalimentación negativa crea una condición de equilibrio (balance). La retroalimentación positiva crea una condición de histéresis (la tendencia a “bloquearse” en uno de los dos estados extremos).
• Un oscilador es un dispositivo que produce una tensión de salida alterna o pulsante.