Покрокове пояснення того, як послідовник напруги досягає сталого стану, використовуючи негативні відгуки

Всього одну хвилину! Я не намагаюся зрозуміти, що негативний зворотний зв’язок має врешті-решт чи чому його слід використовувати. Я намагаюся зрозуміти, як схема досягає сталого стану, і як, крок за кроком, негативний зворотний зв’язок призводить до того, що Vout такий же, як і Він. В інших відповідях це не було вирішено належним чином.

Припустимо, що підсилювач має коефіцієнт посилення 10000, живлення 15В, а Вин - 5В.

Наскільки я розумію, це так:

1. $V_{in}$ 5V, тому повинен бути 50 000V. Однак він обмежений 15В джерелом живлення підсилювача.$V_{out}$
2. $V_{out}$Потім повертається до , але він віднімається від через негативний зворотний зв'язок$V_-$$V_{in}$
3. Тож диференціальна вхідна напруга зараз 5В - 15В = -10В
4. Потім він підсилюється до -15 В підсилювачем (через насичення)
5. Тепер -15V застосовується до через негативний зворотний зв'язок, але він додається до 5V, завдяки подвійному негативному$V_{in}$
6. Отже, диференціальний вхід становить 20 В, а 15 В (через насичення)$V_{out}$
7. Здається, щоразу, коли підсилювач досягне насичення, але просто інвертувати вихід

Я, очевидно, щось тут зробив не так. Таким чином, вихід ніколи не буде стабілізуватися на 5 В. Як це насправді працює?

Завдяки чудовим відповідям, я (думаю, що я) зрозумів функціонування негативних відгуків. Наскільки я розумію, це так:

Скажімо для простоти, що вхід є ідеальним кроком до 5 В (інакше вихід буде слідувати перехідному входу, роблячи все "безперервним" і важко пояснити кроками).

1. На початку вхід 5В, і зараз вихід знаходиться на 0В, а 0В подається на$V_{in}$
2. Тож тепер диференційна напруга становить 5В. Оскільки коефіцієнт підсилення підсилювача становить 10 000, він захоче отримати потужність 50 000 В (практично обмежена напругою живлення), таким чином вихід почне швидко збільшуватися.$(V_+ - V_-)$
3. Розглянемо момент часу, коли цей вихід досягає 1В.
4. Зараз зворотний зв'язок також буде 1В, а диференціальна напруга впаде до 4В. Тепер напруга «цільового» підсилювача буде складати 40 000 В (через посилення 10000, і знову ж таки, обмежене 15 В джерелом живлення). Таким чином, V_out буде постійно зростати.
5. Розглянемо момент часу, коли цей вихід досягає 4В.
6. Тепер зворотний зв'язок буде також на 4В, а диференціальна напруга впаде до 1В. Тепер "цільовий" підсилювач становить 10 000 В (обмежений 15В джерелом живлення). Таким чином, буде продовжувати зростати.$V_{out}$

Виникаюча схема: диференціальний вхід викликає збільшення V_out, що викликає збільшення напруги зворотного зв’язку, що спричиняє зменшення диференціального входу, що зменшує вихідну напругу «цільового» підсилювача. Цей цикл є безперервним, тобто ми можемо розділити його на ще більш короткі проміжки для дослідження. У будь-якому випадку:

7. Розглянемо момент часу, коли цей вихід досягне 4.9995В. Зараз зворотний зв'язок становить 4,9955В, тому диференціальна напруга впаде до 0,0005V . Тепер ціль підсилювача .$(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Однак якщо підсилювач змінного струму досягає 4.9998В, то диференційна напруга становитиме лише 0.0002В. Таким чином, вихідний підсилювач повинен зменшитися до 2В. Чому цього не відбувається?

Я вважаю, що нарешті зрозумів процес:

Вихідний підсилювач не може досягати 4.9998В. Оскільки, як тільки збільшується вище 4,9995 В, зворотний зв'язок також збільшуватиметься, спричиняючи зменшення диференціального введення, повертаючи вихідний підсилювач до рівня 4,9955 В.$V_{out}$

І якщо вихідний підсилювач зменшиться до нижче 4,9955 В, зворотний зв'язок зменшиться, що призведе до збільшення диференціальної напруги, повернення виходу підсилювача до рівня 4,9955 В.

Останні два моменти - суть негативних відгуків. стабілізувався як можна ближче до . Якби посилення було більшим, різниця в і була б меншою. Якщо коефіцієнт посилення досягає нескінченності, то вихідна напруга точно дорівнює вхідній напрузі, а через зворотний зв’язок, рівний , буде диференційована напруга 0, і між двома входами буде створено віртуальну землю. V i n V o u t V i n V i $V_{out}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

"Він 5В, тому Vout має бути 50 000В."

Чому? OpAmp посилює різницю між входами + і -, а не лише значенням на вході +!

Гаразд, ви можете почати з: вихід на 0В, а вхід (підключений до входу + 5В). Що ви зробили, це застосувати 5V крок до входу.

Тепер, що відбувається, це те, що OpAmp починає підвищувати напругу на виході. Це не може зробити це одразу, тому він підніметься "повільно" (для деякого досить швидкого значення повільно, яке має технічну назву в світі OpAmp: частота скорочення, яка є характерною характеристикою справжнього OpAmp). Коли вона досягає 5В, вона повертається до негативного входу, і в цей час вона компенсує 5В на вході +, тому OpAmp більше не намагається підвищити вихідний рівень. (Якщо бути дійсно точним: це відбувається трохи раніше, коли різниця становить 5 В / 10 к.)

Залежно від характеристик часу, вихід може «повільно» осісти до 5 В або перекрити 5 В, опуститися нижче 5 В тощо (коливатися в напрямку до 5 В). Якщо схема сконструйована погано, коливання можуть зростати (і ніколи не закінчуватися).

Основна інтерпретація:

Ось мій інтуїтивний спосіб зрозуміти заданий ланцюг підсилювача шляхом персоніфікації. Зображте маленького чувака всередині операційного підсилювача. Маленький чувак має дисплей, який вказує на різницю напруг між входами + і -. Маленький чувак також має ручку. Ручка регулює вихідну напругу, десь між напрямками напруги.

Мета нашого маленького друга - зробити різницю між двома напругами нульовими. Він повертатиме ручку, поки не знайде напругу на виході, що, виходячи з ланцюга, який ви підключили до неї, призводить до нульової різниці на його дисплеї.

Отже, в "послідовних" кроках:

1. Вхід в буферну схему знаходиться на рівні 5В. Припустимо, що вихідна ручка спочатку знаходиться на 0V.
2. Оскільки вхід підключений безпосередньо до виходу в буферній конфігурації, різниця, яка є на дисплеї маленького чувака, становить 5В. Він не радий тому.
3. Маленький чувак починає повертати ручку, щоб збільшити вихід напруги. Це все ближче і ближче.
4. Нарешті, коли він бачить 0V на дисплеї, він перестає змінювати ручку. Зараз вихід буде на рівні 5В.

Всередині ідеального Op Amp:

Це насправді не маленький чувак всередині підсилювача: це математика! Ось подання того, що ми намагаємось реалізувати в підсилювачі:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Це дозволить досягти того, що маленький чувак намагався досягти з деякими обмеженнями:

• Маленький чувак міг зрозуміти, в який спосіб повернути ручку, але це не може. Ми повинні підключити його таким чином, що збільшення виходу зменшує різницю.
• Буде крихітна помилка, якщо "Багато виграшу" насправді не є нескінченним.
• Треба уважно розглянути, чи буде схема стабільною. На цю тему є зовсім небагато .

Справжній підсилювач Op:

Ось як виглядає справжній підсилювач (741) з внутрішньої сторони:

Ці транзистори реалізують математичне подання вище.

Важливо пам’ятати, що існує ціла низка практичних питань, які необхідно вирішити при використанні реального підсилювача. Назвати декілька:

• Струми зміщення
• Шум
• Вхідна напруга загального режиму
• Поточний вихід
• Напруги живлення
• Розсіювання потужності
• Динамічна поведінка та стабільність

Але у всіх підсилювачах підсилювача мій погляд завжди починається з пояснення "маленького чувака", щоб зрозуміти, що відбувається. Потім, якщо потрібно, я продовжую це за допомогою математичного аналізу. Нарешті, також, якщо потрібно, я застосовую практичні знання про те, що потрібно для задоволення вимог заявок.

OpAmp працює в постійному режимі, а не в нерозбірливий час. Це означає, що жодна дія не може відбутися миттєво, а дії не відбуваються поетапно. Навіть якщо перемикач переключений для підключення напруги до + штифта, все одно минулий час підйому на вході, і вихідний сигнал постійно триває. Це дуже часто називають дією opAmp. Спеціальна модель - це саме те, модель. Модель не містить і не може включати всі нюанси, які є в opAmp. Якщо ви хочете вивчити минущі ефекти opAmp, тоді придбайте його і подивіться на нього осцилографом. Це єдиний спосіб, коли ви зможете вивчити наслідки.

У реальному світі підсилювачі напруги мають обмежений темп скорочення. Для деяких видів підсилювачів частота скорочення може бути дуже швидкою, але ніколи не буває миттєвою. Коли вхід "+" підсилювача підсилювача буде більшим, вихід буде дуже швидко підніматися, поки він не досягне позитивної рейки або вхід "+" не буде вище, ніж "-" вхід. Коли вхід "-" більший, вихід буде падати дуже швидко, поки не досягне негативної рейки або вхід "-" більше не буде вхідним "+".

У більшості правильно розроблених мікросхем, які використовують підсилювачі, аспекти поведінки ланцюга, необхідні для задоволення вимог, повинні задовольнятися однаково добре для значного діапазону швидкості виходу виходу. Наприклад, у випадку з послідовником напруги, частота зменшення швидкості додасть коротку затримку між часом зміни входу і часом, коли вихід буде досягати того ж значення, але це не вплине на значення, досягнуте на виході.

Власне, явище, яке ви описуєте, раніше було справжньою проблемою, ще в темні століття (1970-ті). Інформаційний аркуш поважного послідовника напруги LM310 містить підказку щодо програми (внизу сторінки 2), яка рекомендує вхідний резистор потужністю 10 к Ом для підтримки стабільності.

Також зауважте, що ваш аргумент може бути застосований до будь-якої схеми підсилювача, і для вирішення вашого заперечення потрібно врахувати частотну характеристику підсилювача, що набагато більше, ніж я можу охопити. Нехай буде достатньо сказати, що, з одного боку, вихід не змінюється миттєво (обмежена швидкість спаду, яку згадують інші респонденти, а з іншого боку, є розгляд того, як внутрішня схема також реагує на зміни.

Що насправді відбувається, було описано іншими: вихід відповідає у відповідь, щоб довести різницю між двома входами до нуля, і якщо схема правильно розроблена, з часом залишиться там. Але тільки щоб показати вам, що тема складна, врахуйте, що якщо ви сповільнити вихід занадто сильно (помістивши конденсатор на землю на виході), ви також можете викликати коливання підсилювача.

Вибачте, що не можу дати більше деталей, але цілком зрозуміло, що вам потрібно набагато більше інформації, перш ніж я навіть спробую це пояснити.

Повна відповідь полягає в тому, що вихід opamp зменшиться до тієї напруги, яка потрібна для того, щоб неінвертуючі (+) та інвертуючі (-) входи були однакової напруги. Отже, якщо для входу + встановлено, скажімо, 5 вольт, вихід буде подавати на 5 вольт, так що вхід буде на рівні 5 вольт, якщо припустити, що рейкові опори дозволять, щоб це відбулося.

У дійсності, однак, вихід ніколи насправді не стихає і завжди подає напругу вище і нижче напруги на вході +.

Скільки залежить від посилення та пропускної спроможності операційного апарата, а також від зовнішньої схеми, але це зовсім інше питання.