Wyjaśnienie krok po kroku, w jaki sposób popychacz napięcia osiąga stan ustalony za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego

Tylko jedna minuta! Nie próbuję zrozumieć, co ostatecznie robi negatywna informacja zwrotna , ani dlaczego należy ją wykorzystać. Próbuję zrozumieć, w jaki sposób obwód osiąga stan ustalony i jak krok po kroku negatywne sprzężenie zwrotne powoduje, że Vout jest taki sam jak Vin. Nie rozwiązano tego odpowiednio w innych odpowiedziach.

Załóżmy, że wzmacniacz operacyjny ma wzmocnienie 10 000, zasilanie 15 V, a Vin 5 V.

Zgodnie z moim rozumieniem, tak to wygląda:

1. $V_{in}$$V_{out}$
2. $V_{out}$$V_-$$V_{in}$
3. Różnicowe napięcie wejściowe wynosi teraz 5–15 V = –10 V.
4. Jest to następnie wzmacniane do -15 V przez wzmacniacz operacyjny (z powodu nasycenia)
5. $V_{in}$
6. $V_{out}$
7. Wydaje się, że za każdym razem wzmacniacz operacyjny osiąga nasycenie, ale po prostu odwraca moc wyjściową

Oczywiście zrobiłem tutaj coś złego. W ten sposób moc wyjściowa nigdy nie ustabilizuje się na 5 V. Jak to faktycznie działa?

Ze względu na doskonałe odpowiedzi zrozumiałem działanie negatywnego sprzężenia zwrotnego. Zgodnie z moim rozumieniem, tak to wygląda:

Powiedzmy dla uproszczenia, że ​​wejście jest idealnym krokiem do 5 V (w przeciwnym razie wyjście podąży za wejściem przejściowym, dzięki czemu wszystko będzie „ciągłe” i trudne do wyjaśnienia w krokach).

1. $V_{in}$
2. $(V_+ - V_-)$
3. Rozważmy moment, w którym ta moc osiągnie 1 V.
4. W tej chwili sprzężenie zwrotne będzie również wynosić 1 V, a napięcie różnicowe spadnie do 4 V. Teraz napięcie „docelowe” wzmacniacza operacyjnego wyniesie 40 000 V (z powodu wzmocnienia 10 000 i ponownie ograniczone do 15 V przez zasilacz). W ten sposób V_out będzie rósł szybko.
5. Rozważmy moment, w którym ta moc osiągnie 4 V.
6. $V_{out}$

Pojawiający się wzorzec brzmi: wejście różnicowe powoduje wzrost V_out, co powoduje wzrost napięcia sprzężenia zwrotnego, co powoduje zmniejszenie wejścia różnicowego, co zmniejsza napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego. Ten cykl jest ciągły, co oznacza, że ​​możemy go podzielić na jeszcze krótsze interwały w celu zbadania. W każdym razie:

7. $(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Jeśli jednak wzmacniacz operacyjny osiągnie 4,9998 V, teraz napięcie różnicowe wyniesie tylko 0,0002 V. Zatem moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego powinna spaść do 2 V. Dlaczego tak się nie dzieje?

Myślę, że w końcu zrozumiałem proces:

$V_{out}$

A jeśli moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego spadnie poniżej 4,9995 V, sprzężenie zwrotne spadnie, co spowoduje wzrost napięcia różnicowego, co spowoduje powrót mocy wyjściowej wzmacniacza operacyjnego do 4,9995 V.

$V_{out}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

„Vin ma napięcie 5 V, więc Vout powinno wynosić 50 000 V.”

Dlaczego? OpAmp zwiększa różnicę między wejściami + i -, a nie tylko wartość na wejściu +!

OK, możesz zacząć od: napięcie wyjściowe wynosi 0 V, a wejście (podłączone do wejścia +) wynosi 5 V. To, co zrobiłeś, to zastosować krok 5 V do wejścia.

Teraz dzieje się tak, że OpAmp zaczyna podnosić napięcie na wyjściu. Nie może tego zrobić od razu, więc wzrośnie „powoli” (dla pewnej dość szybkiej wartości slow, która ma techniczną nazwę w świecie OpAmp: szybkość zabijania, która jest charakterystyczną cechą prawdziwego OpAmp). Kiedy osiągnie 5 V, jest ono zwracane do ujemnego wejścia, w którym to czasie kompensuje 5 V na wejściu +, więc OpAmp nie próbuje już zwiększać poziomu wyjściowego. (Aby być naprawdę dokładnym: dzieje się to nieco wcześniej, gdy różnica wynosi 5 V / 10 000).

W zależności od charakterystyki czasowej moc wyjściowa może „powoli” ustabilizować się do 5 V lub przekroczyć 5 V, spaść poniżej 5 V itp. (Oscylować w kierunku 5 V). Jeśli obwód jest źle zaprojektowany, oscylacja może wzrosnąć (i nigdy się nie skończyć).

Najbardziej podstawowa interpretacja:

Oto mój intuicyjny sposób na zrozumienie danego obwodu wzmacniacza operacyjnego poprzez personalizację. Wyobraź sobie małego kolesia wewnątrz wzmacniacza operacyjnego. Mały koleś ma wyświetlacz, który wskazuje różnicę napięć między wejściami + i -. Mały koleś ma również gałkę. Pokrętło reguluje napięcie wyjściowe, gdzieś pomiędzy szynami napięciowymi.

Celem naszego małego przyjaciela jest, aby różnica między dwoma napięciami wynosiła zero. Obróci pokrętło, aż znajdzie napięcie na wyjściu, które w oparciu o obwód, który do niego podłączysz, spowoduje zerową różnicę na jego wyświetlaczu.

Zatem w „sekwencyjnych” krokach:

1. Wejście do obwodu buforowego wynosi 5 V. Załóżmy, że pokrętło wyjściowe ma początkowo wartość 0 V.
2. Ponieważ wejście jest podłączone bezpośrednio do wyjścia w konfiguracji bufora, różnica na wyświetlaczu małego kolesia wynosi 5 V. Nie jest z tego powodu szczęśliwy.
3. Mały koleś zaczyna obracać pokrętłem, aby zwiększyć napięcie wyjściowe. Jest coraz bliżej.
4. Wreszcie, gdy zobaczy 0V na wyświetlaczu, przestaje zmieniać pokrętło. Moc wyjściowa będzie teraz wynosić 5 V.

Wewnątrz idealnego wzmacniacza operacyjnego:

To naprawdę nie jest mały koleś we wzmacniaczu operacyjnym: to matematyka! Oto przedstawienie tego, co próbujemy wdrożyć we wzmacniaczu operacyjnym:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Osiągnie to, co mały koleś próbował osiągnąć z pewnymi ograniczeniami:

• Mały koleś mógł wymyślić, jak obrócić pokrętło, ale to nie jest możliwe. Musimy to podłączyć tak, aby zwiększenie mocy wyjściowej zmniejszyło różnicę.
• Wystąpi drobny błąd, jeśli „Dużo wzmocnienia” nie jest tak naprawdę nieskończonością.
• Musimy dokładnie rozważyć, czy obwód będzie stabilny. Na ten temat jest sporo .

Prawdziwy wzmacniacz operacyjny:

Oto jak wygląda prawdziwy wzmacniacz operacyjny (741) od wewnątrz:

Tranzystory te implementują powyższą reprezentację matematyczną.

Ważne jest, aby pamiętać, że istnieje wiele praktycznych problemów, które należy rozwiązać, używając prawdziwego wzmacniacza operacyjnego. By wymienić tylko kilka:

• Prądy polaryzacji
• Hałas
• Napięcie wejściowe w trybie wspólnym
• Prąd wyjściowy
• Napięcia zasilania
• Rozpraszanie mocy
• Dynamiczne zachowanie i stabilność

Ale we wszystkich obwodach wzmacniacza operacyjnego mój umysł zawsze zaczyna się od wyjaśnienia „małego kolesia”, aby dowiedzieć się, co się dzieje. Następnie, w razie potrzeby, rozszerzam to o analizę matematyczną. Wreszcie, także w razie potrzeby, wykorzystuję praktyczną wiedzę na temat tego, co jest potrzebne do spełnienia wymagań aplikacji.

OpAmp działa w sposób ciągły, a nie dyskretny. Oznacza to, że żadne działanie nie może nastąpić natychmiast, a działania nie następują stopniowo. Nawet jeśli przełącznik zostanie przełączony w celu podłączenia napięcia do styku +, nadal występuje przejściowy czas narastania na wejściu i wyjście wyjściowe stale następuje. Jest to bardzo często określane jako działanie opAmp. Model przyprawy to po prostu model. Model nie uwzględnia i nie może uwzględniać wszystkich niuansów zawartych w opAmp. Jeśli chcesz przestudiować przejściowe działanie opAmp, kup go i spójrz na niego za pomocą oscyloskopu. To jedyny sposób, w jaki będziesz mógł studiować efekty.

W prawdziwym świecie wzmacniacze operacyjne mają ograniczoną szybkość zabijania. W przypadku niektórych rodzajów wzmacniaczy operacyjnych szybkość narastania może być bardzo szybka, ale nigdy nie jest natychmiastowa. Kiedy wejście „+” wzmacniacza operacyjnego jest wyższe, wyjście będzie rosło bardzo szybko, aż osiągnie szynę dodatnią lub wejście „+” nie będzie już wyższe niż wejście „-”. Kiedy wejście „-” jest wyższe, wyjście spada bardzo szybko, aż osiągnie ujemną szynę lub wejście „-” nie będzie już wyższe niż wejście „+”.

W większości prawidłowo zaprojektowanych obwodów, które wykorzystują wzmacniacze operacyjne, aspekty zachowania obwodu niezbędne do spełnienia wymagań powinny być spełnione równie dobrze dla znacznego zakresu szybkości narastania mocy wyjściowej. Na przykład w przypadku popychacza napięcia szybkość narastania doda krótkie opóźnienie między momentem zmiany wejścia a czasem, w którym wyjście osiągnie tę samą wartość, ale nie wpłynie na wartość osiągniętą przez wyjście.

W rzeczywistości zjawisko, które opisujesz, było prawdziwym problemem już w średniowieczu (1970). Czcigodny arkusz LM310 Voltage Follower zawiera wskazówkę dotyczącą zastosowania (dół strony 2), która zaleca rezystor wejściowy 10 kΩ w celu utrzymania stabilności.

Zauważ też, że twój argument można zastosować do dowolnego obwodu wzmacniacza operacyjnego, a rozpatrzenie twojego sprzeciwu wymaga rozważenia odpowiedzi częstotliwościowej wzmacniacza, która jest o wiele większa niż mogę to wyjaśnić. Wystarczy powiedzieć, że z jednej strony moc wyjściowa nie zmienia się natychmiast (o ograniczonej prędkości przełączania wspominają inni respondenci, az drugiej strony rozważa się, w jaki sposób wewnętrzny obwód reaguje również na zmiany.

To, co faktycznie się dzieje, zostało opisane przez innych: wyjście reaguje na wyrównanie różnicy między dwoma wejściami do zera, a jeśli obwód jest odpowiednio zaprojektowany, ostatecznie tam pozostanie. Ale żeby pokazać, że temat jest skomplikowany, zastanów się, że jeśli zbyt mocno spowolnisz wyjście (umieszczając kondensator na ziemi na wyjściu), możesz również spowodować oscylację wzmacniacza.

Przepraszam, że nie mogę podać więcej szczegółów, ale jest całkiem jasne, że potrzebujesz dużo więcej tła, zanim będę mógł to wyjaśnić.

Ogólna odpowiedź jest taka, że ​​moc wyjściowa opampa będzie dostosowywana do wymaganego napięcia, aby wejścia nieodwracające (+) i odwracające (-) były na tym samym napięciu. W konsekwencji, jeśli wejście + jest ustawione na, powiedzmy, 5 woltów, wyjście będzie serwomechanizmem do 5 woltów, tak że wejście będzie wynosić 5 woltów, zakładając, że szyny opampa na to pozwolą.

W rzeczywistości jednak moc wyjściowa nigdy się nie uspokaja i zawsze serwo przewyższa i obniża napięcie na wejściu +.

Ile zależy od wzmocnienia i przepustowości opampa oraz od zewnętrznych obwodów, ale to zupełnie inne pytanie.