Dlaczego w obwodach wzmacniacza operacyjnego wymagana jest informacja zwrotna?

Rozumiem, że aby wzmacniacz operacyjny działał poprawnie, wymagana jest pętla sprzężenia zwrotnego DC od wyjścia do wejścia odwracającego lub nieodwracającego (w zależności od zewnętrznego obwodu).

Do czego służy sprzężenie zwrotne prądu stałego podczas używania wzmacniaczy operacyjnych? Dlaczego jest to konieczne i jakie byłyby bez niego skutki?

Idealny opamp ma nieskończony zysk. Wzmacnia różnicę napięcia między pinami + i -. Oczywiście w rzeczywistości zysk ten nie jest nieskończony, ale wciąż dość duży.

Moc wyjściowa opampa (w pewnym stopniu także wejściowa) jest ograniczona przez zasilacz, nie możemy wydostać się więcej niż wkład zasilający.

Gdybyśmy po prostu włożyli sygnały do ​​opampa bez sprzężenia zwrotnego, pomnożyliby je one przez nieskończoność i otrzymałyby wyjście binarne (nasycałoby się na szynach zasilania)

Potrzebujemy więc sposobu kontrolowania zysku. Tak właśnie robi sprzężenie zwrotne.

Sprzężenie zwrotne (zarówno DC, jak i AC) bierze udział w wzmocnionym wyjściu z wejścia, tak że wzmocnienie jest znacznie bardziej ograniczone przez sieć sprzężenia zwrotnego, co jest przewidywalne, a znacznie mniej przez masywne (i nieprzewidywalne) wzmocnienie w otwartej pętli.

Nawet w obwodzie tylko prądu przemiennego nadal potrzebujemy sprzężenia zwrotnego działającego przy prądzie stałym (zero Hz), w przeciwnym razie wzmocnienie byłoby tylko dla pętli otwartej dla sygnałów prądu stałego. Twój sygnał prądu przemiennego, choć ograniczony, zostanie zalany przez wzmocnienie otwartej pętli prądu stałego.

Wiesz już, że opamp ma bardzo wysokie wzmocnienie w otwartej pętli, zwykle 100 000 razy. Spójrzmy na najprostszą sytuację zwrotną:

Opamp zwiększy różnicę między i V - : $V_+$$V_-$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$

Teraz i V - = V O U T , a następnie$V_+ = V_{IN}$$V- = V_{OUT}$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - V_{OUT})$

lub przegrupowanie:

$V_{OUT} = \dfrac{100 000}{100 000 + 1} \times V_{IN}$

To jest tak dobre jak

$V_{OUT} = V_{IN}$

Jest to popychacz napięcia , wzmacniacz 1, który jest najczęściej używany do uzyskania wysokiej impedancji wejściowej i niskiej impedancji wyjściowej.$\times$

Zwrotne zmniejsza się bardzo wysoką otwartej pętli amplifikacji 1. Należy zauważyć, że wysoka amplifikacji potrzebnej aby V O U T , tak blisko jak to możliwe, V I N .$\times$$V_{OUT}$$V_{IN}$

edytuj
Teraz, używając tylko ułamka napięcia wyjściowego w sprzężeniu zwrotnym, możemy kontrolować wzmocnienie.

Jeszcze raz

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$

$V_+ = V_{IN}$$V- = \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT}$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT})$

Or:

$V_{OUT} = \dfrac{100000 \times V_{IN}}{\dfrac{R1}{R1+R2} \times 100000 + 1}$

The term "1" can be ignored, so that

$V_{OUT} = \dfrac{R1+R2}{R1} \times V_{IN}$

Notice that in both the voltage follower and this non-inverting amplifier the actual amplification factor of the opamp cancels provided it is high enough (>> 1).

The ideal op-amp has infinite gain, and this is of little use in analog electronics. The feedback is used to limit the gain of the circuit. You can find many examples in the wiki article.

Consider the simple feedback loop:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

$Vout = A \cdot Vin - A \cdot F \cdot Vout$

$Av = \frac{Vout}{Vin} = \frac{A}{1+AF}$

In the case of the op-amp, its gain defines A: it will be a quite nasty function, because these amplifier are made for just giving brutal gain, and won't have a nice linear function. Luckily, if you look at Av, if A is big enough it will cancel the 1 and itself leaving 1/F to determine the gain.

In the case of the non-inverting amplifier, the block F is a voltage divider, so it will be something like 1/X. This will set the gain of the amplifier to X.

In the case of real op-amps, A won't be infinite, but big enough to allow cancelling it in the DC gain equation. And the advantages of feedback are even more, like increasing bandwith, linearity, S/N ratio and more. For instance, in a closed loop the gain is determined only by the inverse of the feedback gain, provided that the op-amp gain is big enough.

Actually, one resistor only is not that useful as a feedback, as it behaves the same as a short circuit. A voltage divider to ground makes it behave like a fixed ratio multiplier of the same factor (for the same reason mentioned above).

The purpose of DC feedback is to define what you want the op-amp to do, i.e. what its output voltage will be. Without it, the output will rise or fall until it hits the power rails.

This can be useful, and there is a large market for op-amps specialized to work this way, called "comparators".

A comparator is simple: if the + input is greater than the - input, the output is +Vcc. Otherwise, the output is −Vee. The schematic symbol is the same as an op-amp, and they can even with sufficient effort be coaxed into working in both roles, but in practice, the two types are highly specialized, and such efforts are not really worth it.

With the DC feedback path, an op-amp can be stable at some point other than "output hard against the rails", and the circuit is generally designed to find that point.

Rather than thinking about it statically, think about an op-amp as an integrator. Whenever its + input is greater than its − input, an op-amp's output will RISE, rapidly. This rise should being the inputs closer together, finally stopping when they are equal. Likewise, + input less than − input will cause the output to fall. The feedback is generally to the − input because that's the simplest way to make a circuit that works this way.

A typical power supply error amplifier has no DC feedback path:

I can assure you, however, that this amplifier works quite well.

Visualize this error amplifier controlling a buck converter. Vcomp would be used to control the duty cycle of a switch, which controls current flow through an inductor and controls Vout. As Vcomp increases, so does the duty cycle, which causes Vout to increase and Vcomp to decrease. The compensation network will increase or decrease Vcomp in a controlled manner, to force Vout to match Vref (as closely as the opamp will allow).

[ Of course, the power train is providing some semblance of DC feedback, but I digress :) ]

DC feedback in op-amp uses due to stability, also op-amp gain is too high so we use feedback to have a specific gain in output