Аналогия с рычагом: наглядное объяснение делительной обратной связи в усилителях

Для разъяснения схем усилителей с делительной обратной связи обратимся к знакомой механической системе: рычагу. Движущиеся концы рычага представляют входное и выходное напряжения, а опора — физическую землю или виртуальную — служит опорной точкой обратной связи.

Рассмотрим классический неинвертирующий ОУ. Как обсуждалось, его усиление по напряжению не может быть ниже единицы. Сочетая схему с диаграммой рычага — где длины плеч соответствуют номиналам резисторов — можно наглядно увидеть, как изменение напряжений преобразуется в механическое смещение.

Физики называют такую схему рычагом третьего класса, так как приложенное усилие (вход) и нагрузка (выход) лежат по одну сторону от фукуса. Рычаги третьего класса дают выходное смещение не меньше входного, что соответствует усилению ≥1 неинвертирующего усилителя.

Подъём входной точки рычага вверх аналогично подаче положительного входного напряжения. Геометрия рычага усиливает движение: выходная точка сдвигается в два раза дальше и в том же направлении. В схеме выходное напряжение равно удвоенному входному, сохраняя полярность.

Благодаря свойствам усиления смещения рычаг, «выходная» точка сдвинется в два раза дальше «входной» и в том же направлении. В электронной схеме выходное напряжение будет равно удвоенному входному, с той же полярностью. Подача отрицательного входного напряжения аналогична движению рычага вниз от его нулевого положения, что даёт усиленное выходное смещение, также отрицательное:

Изменение отношения R₂/R₁ смещает входную точку относительно фукуса, меняя механическое усиление. Например, увеличение R₂ относительно R₁ сдвигает рычаг так, что выходное смещение становится в четыре раза больше входного.

Теперь любой входной сигнал будет усиливаться в четыре раза вместо двух:

Инвертирующие конфигурации также отображаются на аналогию с рычагом, но другого класса. Здесь точкой земли делителя обратной связи является инвертирующий вход ОУ, что ставит вход и выход по разные стороны от фукуса — рычаг первого класса.

При равных резисторах — зеркально равных плечах рычага — выходное смещение равно по модулю входному, но направлено противоположно. Таким образом, положительный вход даёт отрицательный выход.

Снова изменение R₂/R₁ смещает фукус, модулируя усиление. Если R₂ в два раза больше R₁, геометрия рычага даёт усиление –2. При перестановке резисторов фукус смещается на треть от выходного конца, давая усиление –½.