Amplificador operacional de retroalimentación negativa y Circuito amplificador operacional no inversor
1. ¿Qué es una retroalimentación?
La retroalimentación se considera una parte esencial de nuestras vidas. Intenta cerrar los ojos y juntar los dedos; la primera vez que lo hagas puede que no lo consigas porque has roto un circuito de retroalimentación que normalmente regula tus movimientos.
En ingeniería electrónica, los bucles de retroalimentación del amplificador se utilizan para controlar la salida de dispositivos electrónicos donde la señal de salida se utiliza como señal de entrada.
El papel regulador de la retroalimentación se manifiesta en sistemas electrónicos, biológicos y mecánicos, permitiendo la realización precisa de funciones.
Intentaremos introducir la estructura general de retroalimentación negativa. Más específicamente, nos concentraremos en el amplificador de retroalimentación negativa.
2. El amplificador de retroalimentación negativa:
En palabras simples, se dice que una retroalimentación es negativa si la señal de salida tiene valor o fase opuesta (es decir, desfasada o antifase) a la señal de entrada.
La palabra amplificador aquí es un poco engañosa, esta estructura no se limita solo a aumentar la amplitud de una señal. Este amplificador puede ser un sistema de ganancia unitaria (A=1) que se utiliza para mejorar la impedancia de entrada o salida de un circuito, o puede ser un filtro que pasa ciertas frecuencias mientras bloquea otras.
2.1-Diagrama de bloques del amplificador de retroalimentación genérico
Al restar el valor de salida real multiplicado por la retroalimentación β de la señal fuente y usar el resultado de la resta como entrada al amplificador de bucle abierto (A), podemos controlar con precisión la salida, incluso cuando la relación entre la entrada y la salida es compleja.
Los parámetros aquí son A y β. Entonces, ¿qué son exactamente A y β?
A: es la amplificación en bucle abierto que se aplicaría al sistema global en ausencia de retroalimentación.
β: es el factor de retroalimentación que determina qué parte de la señal de salida se devuelve al nodo de resta para restarse de la fuente. Esto debería quedar cada vez más claro cuando se piensa en términos de un circuito de amplificador operacional no inversor básico:
2.2- El circuito del amplificador operacional no inversor:
Las dos resistencias (R1 y r2) que usamos para controlar la ganancia no son más que una red divisora que devuelve un porcentaje de la salida al amplificador operacional, específicamente al terminal inversor del amplificador operacional.
El voltaje a través de la resistencia de salida se expresa mediante la relación de R1/(R1 +R2) que es (B), multiplicado por el voltaje a través del par de resistencias. Entonces, el porcentaje de producción retroalimentado y restado de la entrada, es decir, el factor de retroalimentación β es R1/(R1 +R2). Vale la pena comprender bien este concepto, porque β será el factor dominante cuando analicemos la estabilidad.
3- Notas sobre Ganancia (A) y Factor de Retroalimentación (β):
No es necesario que sean constantes como en A = 105 y β = 0,01. También se pueden representar en función de la frecuencia, lo que significa que el valor de A o β varía según la frecuencia de la señal de entrada que pasa por el amplificador (en otras palabras, dependiente de la frecuencia).
3.1- Ecuaciones de retroalimentación:
Ahora explicaremos brevemente algunas relaciones y fórmulas que ayudarán a comprender mejor el comportamiento del amplificador de retroalimentación. Primero está la fórmula matemática del factor de retroalimentación β:
Esto es simplemente una relación entre y la salida. La siguiente es una relación directa entre la entrada y la salida,
salida = A × entrada
3.2- Ecuaciones de retroalimentación negativa:
Otra relación más interesante es la ecuación de la ganancia en bucle cerrado (GCL), es decir, la ganancia global del amplificador cuando existe retroalimentación negativa.
Esta relación es muy simple. En aplicaciones de amplificadores de retroalimentación, el término Aβ (denominado ganancia de bucle abierto) es mayor que 1.
por ejemplo, con una ganancia de amplificador operacional de bucle abierto de 105 y un factor de retroalimentación (β) de 0,01, la ganancia del bucle es 103. Mediante una mayor aproximación podemos simplificar la expresión de ganancia en bucle cerrado de la siguiente manera:
Y aquí vemos en las ecuaciones anteriores que la ganancia (GRAMOcl) (depende solo de β. Recuerde el circuito del amplificador operacional no inversor que se muestra arriba, también recordamos que la ecuación de ganancia para un amplificador no inversor (GNI) es 1 + (R2/R1):
4- Mejora del ancho de banda y la sensibilidad de ganancia:
4.1- Mejora de la Sensibilidad:
Ya hemos mencionado la capacidad de la retroalimentación para hacer que un amplificador dependa de β en lugar de A, por lo que
Aquí discutiremos que la ganancia en bucle cerrado más el circuito de retroalimentación es mucho menos sensible a las variaciones en la ganancia en bucle abierto.
Hay otra cosa que todavía no hemos discutido explícitamente es que se logra una mayor desensibilización cuando la ganancia de bucle abierto es mayor y la ganancia de bucle cerrado es menor. Recuerde la ecuación de la ganancia en circuito cerrado.
Podemos ver claramente que cualquier cambio en A se divide por el término (1 + Aβ) antes de que afecte la ganancia del circuito cerrado. Con un poco de matemática se puede demostrar que la relación Gcl, viejo/GRAMOCL, nuevo se reduce por el factor (1 + Aβ) si se compara con Aviejo/Anuevo. entonces, cuando la ganancia A es muy grande, como lo es en los amplificadores operacionales estándar, y β está limitado a valores estándar, por ejemplo, no menos de 0,01, correspondiente a una ganancia de 1000, el término (1 + Aβ) es lo suficientemente grande. para asegurarse de que la ganancia del circuito cerrado no se vea muy afectada por las variaciones de A.
4.1.1- Ejemplo de mejora de la sensibilidad del amplificador operacional:
Por ejemplo, digamos que la ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional aumenta o disminuye en un 10 % como resultado de cambios de temperatura, por ejemplo, con una ganancia de bucle abierto de 100.000. La red de retroalimentación está diseñada para una ganancia de 10.
Es seguro decir que la mayoría de los sistemas no se verían muy afectados por un aumento o disminución de 0,00009 V/V en la ganancia del amplificador.
4.2- Mejora del ancho de banda del amplificador operacional:
Como se mencionó anteriormente, los amplificadores reales no tienen un valor único de ganancia que se aplique a señales de cualquier frecuencia. La mayoría de los amplificadores operacionales están compensados internamente para hacerlos más estables, lo que resulta en una disminución de 20 dB/década para la ganancia de bucle abierto a partir de frecuencias muy bajas. E incluso en los dispositivos que están diseñados para operación de alta frecuencia, las capacitancias e inductancias parásitas eventualmente harán que la ganancia disminuya. Entonces, con comentarios negativos puedes superar esta limitación de ancho de banda.
Debido a que estamos considerando la respuesta de frecuencia del amplificador, tenemos que modificar la ecuación de ganancia de bucle cerrado de la siguiente manera, donde GCL,LF y unLF denota la ganancia de bucle cerrado y bucle abierto a frecuencias mucho más bajas que la frecuencia de corte de bucle abierto.
Lo interesante aquí es lo que sucede con la respuesta de frecuencia, si traza y analiza la ganancia del circuito cerrado en función de la frecuencia, obviamente encontrará que la frecuencia de corte del circuito cerrado (fC,CL) está relacionado con la frecuencia de corte de bucle abierto (fCOLUMNA) como sigue:
entonces, en realidad obtenemos más ancho de banda utilizable en el amplificador más el circuito de retroalimentación. Tenga en cuenta también que, al igual que con la desensibilización de ganancia, una mayor ganancia de bucle abierto conduce a una mayor mejora en el ancho de banda.
4.2.1- Ganancia versus ancho de banda del amplificador
Es posible que hayas notado algo interesante aquí: el ancho de banda aumenta en el factor (1 + ALFβ) y la ganancia de baja frecuencia se reduce en el factor (1 + ALFβ). Esto lleva al resultado de que disminuir la ganancia del amplificador en un cierto factor provoca un aumento en el ancho de banda en el mismo factor.
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