Отрицательный отзыв

Если мы подключим выход операционного усилителя к его инвертирующему входу и подадим сигнал напряжения на неинвертирующий вход, мы обнаружим, что выходное напряжение операционного усилителя точно соответствует этому входному напряжению (я пренебрегал потреблением мощности питание, провода + V / -V и символ заземления для простоты):

Как V _в увеличивается, V _out будет увеличиваться в соответствии с дифференциальным усилением. Однако, поскольку V _out увеличивается, это выходное напряжение возвращается на инвертирующий вход, тем самым уменьшая разность напряжений между входами, что снижает выходное напряжение. Что произойдет для любого заданного входного напряжения, так это то, что операционный усилитель будет выдавать напряжение, почти равное V _в , но достаточно низкое, чтобы между V _в оставалась достаточная разница напряжений. а вход (-) должен быть усилен для генерации выходного напряжения.

Схема быстро достигнет точки стабильности (известной как равновесие в физике), где выходное напряжение - это как раз то количество, которое необходимо для поддержания нужной величины дифференциала. Снятие выходного напряжения операционного усилителя и подключение его к инвертирующему входу - это метод, известный как отрицательная обратная связь . , и это ключ к созданию самостабилизирующейся системы (это верно не только для операционных усилителей, но и для любой динамической системы в целом). Эта стабильность дает операционному усилителю возможность работать в линейном (активном) режиме, в отличие от простого полного насыщения «включено» или «выключено», как это было при использовании в качестве компаратора, без какой-либо обратной связи. P>

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя настолько велик, напряжение на инвертирующем входе может поддерживаться почти равным V _в . Мы можем написать уравнение, связывающее выходное напряжение с входным напряжением и усилением, G :

$$ V_ {out} =G · (V_ {вход} - V_ {выход}) $$

Затем, вычисляя выходное напряжение, получаем следующее:

$$ V_ {out} =\ frac {V_ {in}} {1 + (\ frac {1} {G})} $$

Допустим, наш операционный усилитель имеет дифференциальное усиление по напряжению 200000 В и _в равно 6 В, мы можем рассчитать выходное напряжение, используя наше уравнение:

$$ V_ {out} =\ frac {6} {1 + (\ frac {1} {20,000})} =5,999700015 В $$

Это создает достаточное дифференциальное напряжение (6 В - 5,99997000015 В =29,99985 мкВ), чтобы на выходном зажиме возникало напряжение 5,99997000015 В, и система удерживает его в равновесии. Как видите, 29,99985 мкВ - это не много разницы, поэтому для практических расчетов мы можем предположить, что дифференциальное напряжение между двумя входными проводами удерживается отрицательной обратной связью ровно на уровне 0 вольт.

Преимущество отрицательной обратной связи в операционных усилителях

Одним из огромных преимуществ использования операционного усилителя с отрицательной обратной связью является то, что фактическое усиление по напряжению операционного усилителя не имеет значения, если оно очень велико. Если бы дифференциальное усиление операционного усилителя было бы 250 000 вместо 200 000, все это означало бы, что выходное напряжение будет немного ближе к V _в (требуется меньшее дифференциальное напряжение между входами для генерации требуемого выхода). В только что проиллюстрированной схеме выходное напряжение по-прежнему будет (для всех практических целей) равным неинвертирующему входному напряжению. Следовательно, коэффициенты усиления операционного усилителя не должны точно устанавливаться на заводе, чтобы разработчик схем мог построить схему усилителя с точным коэффициентом усиления. Отрицательная обратная связь заставляет систему самокорректироваться. Вышеупомянутая схема в целом будет просто следовать входному напряжению со стабильным коэффициентом усиления 1.

Как работает схема в операционном усилителе?

Возвращаясь к нашей модели дифференциального усилителя, мы можем рассматривать операционный усилитель как источник переменного напряжения, управляемый чрезвычайно чувствительным детектором нуля . , вид движения измерителя или другого чувствительного измерительного устройства, используемого в мостовых схемах для обнаружения состояния баланса (ноль вольт). «Потенциометр» внутри операционного усилителя, создающий переменное напряжение, будет перемещаться в любое положение, в которое он должен «уравновесить» инвертирующие и неинвертирующие входные напряжения, чтобы «нулевой детектор» имел нулевое напряжение на нем:

Поскольку «потенциометр» будет перемещаться, чтобы обеспечить выходное напряжение, необходимое для удовлетворения «нулевого детектора» при «показании» нуля вольт, выходное напряжение становится равным входному напряжению:в данном случае 6 вольт. Если входное напряжение вообще изменится, «потенциометр» внутри операционного усилителя изменит положение, чтобы удерживать «нулевой детектор» в равновесии (показывающий ноль вольт), в результате чего выходное напряжение всегда будет примерно равным входному напряжению.

Это будет справедливо в пределах диапазона напряжений, которые может выдавать операционный усилитель. С источником питания +15 В / -15 В и идеальным усилителем, который может так же сильно изменять выходное напряжение, он будет точно «следовать» за входным напряжением в пределах от +15 до -15 вольт. По этой причине указанная выше схема известна как повторитель напряжения . . Как и его однотранзисторный аналог, усилитель с общим коллектором («эмиттер-повторитель»), он имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 1, высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления по току. Контроллеры напряжения также известны как буферы напряжения . , и используются для повышения способности источника тока сигналов напряжения, слишком слабых (слишком высокое сопротивление источника), чтобы напрямую управлять нагрузкой. Модель операционного усилителя, показанная на последнем рисунке, показывает, как выходное напряжение по существу изолировано от входного напряжения, так что ток на выходном контакте вообще подается не источником входного напряжения, а скорее от источника питания, питающего операционную систему. -усилитель

Следует отметить, что многие операционные усилители не могут переключать свои выходные напряжения точно в соответствии с напряжениями на шинах питания + V / -V. Модель 741 - одна из тех, которые не могут:при насыщении ее выходное напряжение достигает пика в пределах примерно одного вольта от напряжения источника питания + V и примерно в пределах 2 вольт от напряжения источника питания -V. Следовательно, при раздельном источнике питания + 15 / -15 В на выходе ОУ 741 может доходить до +14 В или до -13 В (приблизительно), но не более того. Это связано с конструкцией биполярного транзистора. Эти два предела напряжения известны как положительное напряжение насыщения . и отрицательное напряжение насыщения , соответственно. Другие операционные усилители, такие как модель 3130 с полевыми транзисторами в конечном выходном каскаде, могут изменять свое выходное напряжение в пределах милливольт от любой шины источника питания. Напряжение. Следовательно, их положительное и отрицательное напряжения насыщения практически равны напряжениям питания.

ОБЗОР:

• Подключение выхода операционного усилителя к его инвертирующему (-) входу называется отрицательной обратной связью . . Этот термин может широко применяться к любой динамической системе, где выходной сигнал каким-то образом «возвращается» на вход, чтобы достичь точки равновесия (баланса).
• Когда выход операционного усилителя напрямую подключенный к его инвертирующему (-) входу, повторитель напряжения будет создан. Какое бы напряжение сигнала ни подавалось на неинвертирующий (+) вход, это будет видно на выходе.
• Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет пытаться довести свое выходное напряжение до необходимого уровня, чтобы дифференциальное напряжение между двумя входами было практически нулевым. Чем выше дифференциальное усиление операционного усилителя, тем ближе дифференциальное напряжение к нулю.
• Некоторые операционные усилители не могут выдавать выходное напряжение, равное напряжению питания в насыщенном состоянии. Модель 741 - одна из них. Верхний и нижний пределы размаха выходного напряжения операционного усилителя известны как положительное напряжение насыщения . и отрицательное напряжение насыщения соответственно.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Таблица схем операционных усилителей с отрицательной обратной связью