Чому потрібен зворотний зв'язок в схемах підсилювача?

Я розумію, що для того, щоб підсилювач працював правильно, потрібен цикл зворотного зв'язку постійного струму від виходу на інвертуючий або неінвертуючий вхід (залежно від зовнішньої схеми).

Яка мета зворотного зв’язку постійного струму при використанні підсилювачів? Чому це потрібно і які наслідки були б без нього?

Ідеальний оппам має безмежний прибуток. Він підсилює різницю напруги між контактами + і -. Звичайно, насправді цей прибуток не є нескінченним, але все ще досить великим.

Вихід операційного підсилювача (на деякий розширення також вхід) обмежений джерелом живлення, ми не можемо вийти більше, ніж подає живлення.

Якщо ми просто покладемо сигнали в підсилювач без зворотного зв’язку, він помножив би їх на нескінченність і отримав бинарний вихід (це наситило б рейки подачі)

Отже, нам потрібен певний спосіб контролю над виграшем. Саме це і робить відгук.

Зворотній зв'язок (постійний і постійний струми) приймає частину посиленого виходу з входу, таким чином, що посилення значно обмежується мережею зворотного зв’язку, що передбачувано, і набагато менше масовим (і непередбачуваним) коефіцієнтом посилення відкритого циклу.

Навіть у ланцюзі лише змінного струму нам все ще потрібен зворотний зв'язок, який працює на постійному струмі (нульовий Гц), або посилення буде лише відкритим циклом для сигналів постійного струму. Сигнал змінного струму, хоча і обмежений, переповнюється посиленням відкритого циклу постійного струму.

Ви вже знаєте, що операційний підсилювач має дуже високу посилення з відкритим контуром, як правило, 100 000 разів. Давайте розглянемо найпростішу ситуацію із зворотним зв'язком:

Опамп посилить різницю між і V - : $V_+$$V_-$

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

Тепер і V - = V O U T , то$V_+ = V_{IN}$$V- = V_{OUT}$

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

або, переставляючи:

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

Це так само добре

$V_{OUT} = V_{IN}$

Це послідовник напруги , підсилювач 1, який в основному використовується для отримання високого вхідного опору та низького вихідного опору.$\times$

Зворотній зв'язок зменшує дуже велике посилення з розімкненим контуром в 1. Слід зазначити , що висока посилення , необхідні для отримання V O U T якомога ближче до V I N .$\times$$V_{OUT}$$V_{IN}$

редагувати
зараз, використовуючи лише частину вихідної напруги у зворотній зв’язку, ми можемо контролювати посилення.

Знову

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

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

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

Або:

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

Термін "1" можна ігнорувати, так що

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

Зауважте, що і в послідовнику напруги, і на цьому неінвертуючому підсилювачі фактичний коефіцієнт посилення підсилювача відміняється за умови, що він досить високий (>> 1).

Ідеальний підсилювач має безмежний прибуток, і це мало користі в аналоговій електроніці. Зворотній зв'язок використовується для обмеження посилення схеми. Ви можете знайти багато прикладів у статті wiki .

Розглянемо просту петлю зворотного зв'язку:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

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

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

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