6.3: Seguidor de voltaje de precisión

PARTES Y MATERIALES

• Amplificador operacional, modelo 1458 o 353 recomendado (Catálogo Radio Shack # 276-038 y 900-6298, respectivamente)
• Tres baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar un amplificador operacional como seguidor de voltaje
• Propósito de la retroalimentación negativa
• Estrategia de solución de problemas

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

En el experimento anterior de op-amp, el amplificador se utilizó en modo de “bucle abierto”; es decir, sin ningún tipo de retroalimentación de salida a entrada. Como tal, la ganancia de voltaje total del amplificador operacional estaba disponible, lo que resultó en la saturación de voltaje de salida para prácticamente cualquier cantidad de voltaje diferencial aplicado entre los dos terminales de entrada. Esto es bueno si deseamos el funcionamiento del comparador, pero si queremos que el amplificador operacional se comporte como un verdadero amplificador, lo necesitamos para exhibir una ganancia de voltaje manejable.

Dado que no tenemos el lujo de desmontar los circuitos integrados del amplificador operacional y cambiar los valores de resistencia para dar una menor ganancia de voltaje, estamos limitados a conexiones externas y componentes. En realidad, esto no es una desventaja como se podría pensar, porque la combinación de ganancia de voltaje de bucle abierto extremadamente alta junto con retroalimentación nos permite usar el amplificador operacional para una variedad de propósitos mucho más amplia, mucho más fácil que si tuviéramos que ejercer la opción de modificar su circuito interno.piense, porque la combinación de ganancia de voltaje de bucle abierto extremadamente alta junto con retroalimentación nos permite usar el amplificador operacional para una variedad de propósitos mucho más amplia, mucho más fácil que si tuviéramos que ejercer la opción de modificar su circuitería interna.

Si conectamos la salida de un amplificador operacional a su entrada inversora (-), el voltaje de salida buscará cualquier nivel que sea necesario para equilibrar el voltaje de la entrada inversora con el aplicado a la entrada no inversora (+). Si esta conexión de retroalimentación es directa, ya que, en un trozo de cable recto, el voltaje de salida “seguirá” precisamente el voltaje de la entrada no inversora. A diferencia del circuito seguidor de voltaje hecho de un solo transistor (ver capítulo 5: Circuitos semiconductores discretos), que aproximó el voltaje de entrada dentro de varias décimas de voltio, este circuito seguidor de voltaje dará salida a una tensión precisa dentro de meros microvoltios del ¡voltaje de entrada!

Mida el voltaje de entrada de este circuito con un voltímetro conectado entre el terminal de entrada no inversor (+) del amplificador operacional y la masa del circuito (el lado negativo de la fuente de alimentación), y el voltaje de salida entre el terminal de salida del amplificador operacional y la masa del circuito. Observe que el voltaje de salida del amplificador operacional sigue el voltaje de entrada mientras ajusta el potenciómetro a través de su rango.

Puede medir directamente la diferencia, o error, entre los voltajes de salida y entrada conectando el voltímetro entre los dos terminales de entrada del amplificador operacional. A lo largo de la mayor parte del rango del potenciómetro, este voltaje de error debería ser casi cero.

Intenta mover el potenciómetro a una de sus posiciones extremas, lejos en sentido horario o lejos en sentido contrario a las agujas del reloj. Mida el voltaje de error o compare el voltaje de salida con el voltaje de entrada. ¿Te das cuenta de algo inusual? Si está utilizando el modelo 1458 o el modelo 353 op-amp para este experimento, debe medir un voltaje de error sustancial, o la diferencia entre la salida y la entrada. Muchos amplificadores operacionales, incluidos los modelos especificados, no pueden “balancear” su voltaje de salida exactamente a los niveles de voltaje de la fuente de alimentación completa (“riel”). En este caso, los voltajes “rail” son +18 voltios y 0 voltios, respectivamente. Debido a las limitaciones en los circuitos internos del 1458, su voltaje de salida es incapaz de alcanzar exactamente estos límites altos y bajos. Es posible que encuentre que solo puede ir dentro de uno o dos voltios de los “rieles” de la fuente de alimentación. Esta es una limitación muy importante a entender a la hora de diseñar circuitos usando amplificadores operativos. Si se requiere una oscilación completa de voltaje de salida “riel a riel” en un diseño de circuito, se pueden seleccionar otros modelos de amplificador operacional que ofrezcan esta capacidad. El modelo 3130 es uno de esos op-amp.

Los circuitos seguidores de voltaje de precisión son útiles si la señal de voltaje a amplificar no puede tolerar la “carga”; es decir, si tiene una alta impedancia de fuente. Dado que un seguidor de voltaje por definición tiene una ganancia de voltaje de 1, su propósito no tiene nada que ver con amplificar el voltaje, sino con amplificar la capacidad de una señal para entregar corriente a una carga.

Los circuitos seguidores de voltaje tienen otro uso importante para los constructores de circuitos: permiten realizar pruebas lineales simples de un amplificador operacional. Una de las técnicas de solución de problemas que recomiendo es simplificar y reconstruir. Supongamos que está construyendo un circuito usando uno o más amplificadores operacionales para realizar alguna función avanzada. Si uno de esos amplificadores operacionales parece estar causando un problema y sospecha que puede estar defectuoso, intente volver a conectarlo como un simple seguidor de voltaje y vea si funciona en esa capacidad. ¡Un amplificador operacional que no funciona como seguidor de voltaje ciertamente no funcionará como algo más complejo!

SIMULACIÓN COMPU

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (hacer un archivo de texto que contenga el siguiente texto, textualmente):

Un amplificador operacional ideal se puede simular en SPICE usando una fuente de voltaje dependiente (e1 en la lista de red). Los nodos de salida se especifican primero (2 0), luego los dos nodos de entrada, entrada no inversora primero (1 2). La ganancia de bucle abierto se especifica por último (999meg) en la línea de fuente de voltaje dependiente.

Debido a que SPICE ve la impedancia de entrada de una fuente dependiente como infinita, se debe incluir cierta cantidad finita de resistencia para evitar un error de análisis. Este es el propósito de R _falso: proporcionar una ruta de CC a tierra para la fuente de voltaje _{de entrada} de V. Tales resistencias “falsas” deberían ser arbitrariamente grandes. En esta simulación, elegí 1 MΩ para un valor _falso de R.

Una resistencia de carga se incluye en el circuito por casi la misma razón: para proporcionar una ruta de CC para la corriente en la salida de la fuente de voltaje dependiente. Como puedes ver, ¡a SPICE no le gustan los circuitos abiertos!