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CR · Realimentación

Realimentación negativa y desensibilización de ganancia

¿Por qué el cortocircuito virtual del amplificador operacional funciona tan bien? La respuesta está en la realimentación negativa. Si recortas con realimentación una ganancia en bruto A enorme, la ganancia en lazo cerrado ya no la fija el amplificador sino la red de realimentación β; en esta unidad aprendes esa desensibilización de la ganancia, que mantiene firme la salida aunque A oscile y varíe.

Cuanto mayor la ganancia bruta, más se fija la ganancia en 1/β

Desliza la ganancia en bruto, la ganancia en lazo abierto A, y el punto de la curva se mueve a la ganancia en lazo cerrado de ese ajuste. Con realimentación negativa la ganancia en lazo cerrado es G = A/(1+Aβ), donde β es la fracción de la salida que se realimenta a la entrada. Cuando A es pequeña, G también lo es, pero en cuanto la ganancia de lazo Aβ es mucho mayor que 1, G se acerca a 1/β y se queda ahí, sin importar A. Con β = 0,1 la ganancia ideal es 10, la altura de la línea discontinua verde. Sube A hasta que la ganancia en lazo cerrado llegue al valor ideal de 10.

Ganancia bruta A (lazo abierto)A = 5
Ganancia en lazo cerrado G = A/(1+Aβ)
G = 3.34 · Aβ = 0.5
Lejos de 1/β

La realimentación recorta la ganancia

La ganancia en bruto A de un amplificador es enorme, pero varía de una pieza a otra y oscila con la temperatura y la frecuencia, así que no se puede usar tal cual con confianza. La realimentación negativa toma una fracción β de la salida y la resta en la entrada. La entrada que ve de verdad el amplificador disminuye, y la ganancia en lazo cerrado G = A/(1+Aβ) queda por debajo de la ganancia en bruto. El Aβ del denominador se llama ganancia de lazo: el factor total por el que se multiplica una señal en una vuelta por el amplificador y la red de realimentación.

Con gran ganancia de lazo, el amplificador desaparece

Cuando la ganancia de lazo Aβ es mucho mayor que 1, el denominador queda 1+Aβ ≈ Aβ y la ganancia se simplifica a G = A/(Aβ) = 1/β. A se ha simplificado y ha desaparecido de la ganancia en lazo cerrado. Así, la ganancia no la fija la caprichosa A del amplificador sino el inverso de la fracción de realimentación β, fijada con precisión por unas pocas resistencias. En el amplificador no inversor la ganancia era 1/β = 1 + Rf/Rg, justo este resultado, y el cortocircuito virtual cuenta la misma historia en el lenguaje de los circuitos.

La desensibilización compra precisión

Aunque A se duplique, la ganancia en lazo cerrado apenas se mueve. Con precisión, el cambio relativo de G es el cambio relativo de A reducido por 1/(1+Aβ), así que cuanto mayor la ganancia de lazo, menor la sensibilidad. Así se cambia, mediante la realimentación negativa, una ganancia en bruto barata, enorme pero imprecisa, por una ganancia pequeña pero precisa y estable. Por eso también el cortocircuito virtual del amplificador operacional ideal funciona tan bien: A es prácticamente infinita, la ganancia de lazo es abrumadora y la ganancia en lazo cerrado queda fijada por completo en 1/β. La realimentación negativa es un intercambio que convierte la ganancia sobrante en precisión y estabilidad.

ObservaG = A/(1+Aβ)
La definición de la ganancia en lazo cerrado.
EligeAβ >> 1 → G ≈ ?
Con ganancia de lazo grande, G es 1/β.
Completaβ = 0.1 → 1/β = ?
El inverso de β es la ganancia ideal.
Por tu cuenta(dG/G)/(dA/A) = ?
Una ganancia de lazo grande insensibiliza las variaciones de A.

De vuelta a la primera pantalla

Al deslizar la ganancia en bruto A, la ganancia en lazo cerrado G creció al principio con ella, pero en cuanto la ganancia de lazo Aβ pasó de 1, G dejó de crecer y se quedó junto al valor ideal 1/β = 10 de la línea discontinua verde (β = 0,1). Aunque subieras A hasta el final del eje, G no se movió de alrededor de 10. A se había simplificado en la ganancia en lazo cerrado y solo quedaba la β precisa. Una ganancia en bruto enorme pero poco fiable se volvió, gracias a la realimentación negativa, una ganancia pequeña pero fiable, y esta desensibilización es justo la razón por la que los circuitos con amplificador operacional se resolvían tan limpiamente con el cortocircuito virtual.

La ganancia en lazo cerrado de un amplificador con realimentación negativa es G = A/(1+Aβ), donde A es la ganancia en bruto (lazo abierto) y β la fracción de la salida que se realimenta a la entrada. Cuando la ganancia de lazo Aβ es mucho mayor que 1, A se simplifica y G ≈ 1/β, de modo que la ganancia la fija la red de realimentación precisa β y no un amplificador caprichoso. Además, cuando A cambia, el cambio relativo de G se reduce por 1/(1+Aβ), y queda desensibilizada. Esta desensibilización de la ganancia convierte una ganancia en bruto enorme pero imprecisa en una pequeña pero precisa y estable, y es la base del cortocircuito virtual en un op-amp ideal (A→∞).