Разделенная обратная связь

Если мы добавим делитель напряжения к проводке отрицательной обратной связи так, чтобы на инвертирующий вход подавалась только часть выходного напряжения, а не полная величина, выходное напряжение будет кратным входного напряжения (имейте в виду, что соединения источника питания с операционным усилителем для простоты снова опущены):

Если R ₁ и R ₂ оба равны, и V _in составляет 6 вольт, операционный усилитель будет выдавать любое напряжение, необходимое для падения 6 вольт на R1 (чтобы инвертирующее входное напряжение также было равным 6 вольт, сохраняя разность напряжений между двумя входами равной нулю). С делителем напряжения 2:1 между R1 и R2 это потребует 12 В на выходе операционного усилителя.

Другой способ анализа этой схемы - начать с вычисления величины и направления тока через R ₁ . , зная напряжение с обеих сторон (и, следовательно, путем вычитания, напряжение на R ₁ ) и R ₁ s сопротивление. Поскольку левая часть R ₁ подключен к земле (0 вольт), а правая сторона находится под потенциалом 6 вольт (из-за отрицательной обратной связи, удерживающей эту точку равной V _in ), мы видим, что у нас есть 6 вольт на R ₁ . Это дает нам 6 мА тока через R ₁ . справа налево. Поскольку мы знаем, что оба входа операционного усилителя имеют чрезвычайно высокий импеданс, мы можем с уверенностью предположить, что они не будут добавлять или вычитать ток через делитель. Другими словами, мы можем лечить R ₁ и R ₂ как находящиеся последовательно друг с другом:ток, текущий через R ₁ должен совпадать с R ₂ . Зная ток через R ₂ и сопротивление R ₂ , мы можем рассчитать напряжение на R ₂ (6 вольт) и его полярность. Подсчет напряжений от земли (0 вольт) до правой части R ₂ , на выходе получаем 12 вольт.

Изучив последнюю иллюстрацию, можно задаться вопросом:«Куда идут эти 6 мА тока?» Поскольку выходное напряжение положительное, ток течет с положительной стороны источника питания постоянного тока через выходной контакт операционного усилителя через R ₂ , через R ₁ , К земле, приземляться. При использовании модели нулевого детектора / потенциометра операционного усилителя путь тока выглядит следующим образом:

Источник сигнала 6 вольт не должен обеспечивать ток для схемы:он просто дает команду операционному усилителю сбалансировать напряжение между инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входными контактами и тем самым выдает выходное напряжение, равное вдвое больше входного из-за разделяющего эффекта двух резисторов 1 кОм.

Мы можем изменить коэффициент усиления по напряжению этой схемы в целом, просто регулируя значения R ₁ и R ₂ (изменение отношения выходного напряжения, которое возвращается на инвертирующий вход). Прирост можно рассчитать по следующей формуле:

Обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению для этой схемы усилителя никогда не может быть меньше 1. Если бы мы понизили R ₂ при значении 0 Ом наша схема была бы по существу идентична повторителю напряжения, с выходом, напрямую подключенным к инвертирующему входу. Поскольку повторитель напряжения имеет коэффициент усиления 1, это устанавливает нижний предел усиления неинвертирующего усилителя. Однако коэффициент усиления можно увеличить намного больше 1, увеличив R ₂ пропорционально R ₁ .

Также обратите внимание, что полярность выхода совпадает с полярностью входа, как и в случае повторителя напряжения. Положительное входное напряжение приводит к положительному выходному напряжению и наоборот (относительно земли). По этой причине эта схема называется неинвертирующим усилителем . .

Соответствие дифференциального усиления операционного усилителя напряжениям и токам в цепи

Как и в случае с повторителем напряжения, мы видим, что дифференциальное усиление операционного усилителя не имеет значения, пока оно очень велико. Напряжения и токи в этой цепи почти не изменились бы, если бы коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя был бы 250 000 вместо 200 000. Это резко контрастирует с схемами однотранзисторного усилителя, где бета-коэффициент отдельного транзистора сильно влияет на общий коэффициент усиления усилителя. С отрицательной обратной связью у нас есть самокорректирующаяся система, которая усиливает напряжение в соответствии с отношениями, установленными резисторами обратной связи, а не внутренним усилением операционного усилителя.

Итоговое выходное напряжение и коэффициент усиления с входным напряжением на инвертирующем входе

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы сохраним отрицательную обратную связь через делитель напряжения, но подадим входное напряжение в другом месте:

За счет заземления неинвертирующего входа отрицательная обратная связь с выхода пытается удержать напряжение инвертирующего входа. на 0 вольт тоже. По этой причине инвертирующий вход в этой схеме называется виртуальной землей . , удерживаемый обратной связью при потенциале земли (0 вольт), но не подключенный напрямую к земле (электрически общий с). Входное напряжение на этот раз подается на левый конец делителя напряжения (R ₁ =R ₂ =1 кОм снова), поэтому выходное напряжение должно колебаться до -6 вольт, чтобы уравновесить середину при потенциале земли (0 вольт). Используя те же методы, что и с неинвертирующим усилителем, мы можем проанализировать работу этой схемы, определив величины и направления тока, начиная с R ₁ , и перейдем к определению выходного напряжения.

Мы можем изменить общий коэффициент усиления по напряжению этой схемы в целом, просто регулируя значения R ₁ и R ₂ (изменение отношения выходного напряжения, которое возвращается на инвертирующий вход). Прирост можно рассчитать по следующей формуле:

Обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению этой схемы может быть меньше 1, в зависимости исключительно от отношения R ₂ к R ₁ . Также обратите внимание, что выходное напряжение всегда имеет полярность, противоположную входному напряжению. Положительное входное напряжение приводит к отрицательному выходному напряжению и наоборот (относительно земли). По этой причине эта схема называется инвертирующим усилителем . . Иногда формула усиления содержит знак минус (перед R ₂ / R ₁ фракция), чтобы отразить это изменение полярности.

Эти две схемы усилителя, которые мы только что исследовали, служат для умножения или деления величины входного сигнала напряжения. Именно так математические операции умножения и деления обычно выполняются в аналоговых компьютерных схемах.

ОБЗОР:

• Подключив инвертирующий (-) вход операционного усилителя напрямую к выходу, мы получаем отрицательную обратную связь, которая дает нам повторитель напряжения . схема. Подключив отрицательную обратную связь через резистивный делитель напряжения (возвращая долю выходного напряжения на инвертирующий вход), выходное напряжение становится кратным входного напряжения.
• Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью, в которой входной сигнал поступает на неинвертирующий (+) вход, называется неинвертирующим усилителем . . Выходное напряжение будет той же полярности, что и входное. Коэффициент усиления по напряжению определяется следующим уравнением:AV =(R ₂ / R ₁ ) + 1
• Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью, в которой входной сигнал идет на «низ» резистивного делителя напряжения, а неинвертирующий (+) вход заземлен, называется инвертирующим усилителем . . Его выходное напряжение будет иметь полярность, противоположную входной. Коэффициент усиления по напряжению определяется следующим уравнением:A _V =-R ₂ / R ₁