Negatif geri besleme kullanarak voltaj takipçisinin nasıl sabit duruma ulaştığının adım adım açıklaması

Sadece bir dakika! Sonunda olumsuz geri bildirimin ne yaptığını veya neden kullanılması gerektiğini anlamaya çalışmıyorum . Devrenin nasıl sabit duruma geldiğini ve adım adım olumsuz geri bildirimin Vout'un Vin ile aynı olmasına neden olduğunu anlamaya çalışıyorum. Bu, diğer cevaplarda yeterince ele alınmamıştır.

Op-amp'in 10.000 kazancı, 15V'luk bir kaynağı ve Vin'in 5V olduğunu varsayalım.

Anladığım kadarıyla, işte böyle gidiyor:

1. $V_{in}$ 5V, bu nedenle 50.000V olmalıdır. Ancak, op-amp'in güç kaynağı ile 15V ile sınırlıdır.$V_{out}$
2. $V_{out}$Daha sonra , öğesine geri uygulanır , ancak negatif geri bildirim olması nedeniyle den çıkarılır$V_-$$V_{in}$
3. Böylece diferansiyel giriş voltajı şimdi 5V - 15V = -10V
4. Bu daha sonra op-amp tarafından -15V'a yükseltilir (doygunluk nedeniyle)
5. Şimdi -15V, 'ye negatif geri besleme yoluyla uygulanır , ancak çift negatif nedeniyle 5V'ye eklenir$V_{in}$
6. Şimdi diferansiyel giriş 20V ve 15V (doygunluk nedeniyle)$V_{out}$
7. Görünüşe göre op-amp her seferinde doygunluğa ulaşacak, ancak çıkışı tersine çevirecek

Burada yanlış bir şey yaptım. Çıkış asla 5V'de bu şekilde stabilize olmayacak. Aslında nasıl çalışır?

Mükemmel cevaplar nedeniyle, olumsuz geri bildirimin çalıştığını anladım (sanırım). Anladığım kadarıyla, işte böyle gidiyor:

Basitlik için, girdinin 5V için mükemmel bir adım olduğunu varsayalım (aksi takdirde çıktı geçici girişi takip eder, her şeyi 'sürekli' ve adımlarla açıklamak zor hale getirir).

1. Başlangıçta, giriş 5V ve şu anda çıkış 0V'da ve 0V geri besleniyor$V_{in}$
2. Şimdi diferansiyel voltajı 5V. Op-amp'in kazancı 10.000 olduğundan, 50.000V'luk bir çıkış üretmek isteyecektir (pratik olarak besleme voltajı ile sınırlıdır), böylece çıkış hızla artmaya başlayacaktır.$(V_+ - V_-)$
3. Bu çıkışın 1V'a ulaştığı noktayı düşünelim.
4. Şu anda geri bildirim de 1V olacak ve diferansiyel voltaj 4V'a düşecek. Şimdi op-amp'in 'hedef' voltajı 40.000V olacaktır (10.000 kazanç nedeniyle ve yine güç kaynağı tarafından 15V ile sınırlıdır). Böylece V_out hızla artmaya devam edecektir.
5. Bu çıkışın 4V'a ulaştığı noktayı düşünelim.
6. Şimdi geri bildirim de 4V'da olacak ve diferansiyel voltaj 1V'a düşecek. Şimdi op-amp 'target' 10.000V (besleme tarafından 15V ile sınırlıdır). Böylece artmaya devam edecektir.$V_{out}$

Ortaya çıkan model: diferansiyel giriş V_out'ta artışa neden olur, bu da geri besleme voltajında ​​artışa neden olur, bu da op-amp 'hedef' çıkış voltajını düşüren diferansiyel girişte azalmaya neden olur. Bu döngü süreklidir, yani araştırma için daha da kısa aralıklara bölebiliriz. Her neyse:

7. Bu çıktının 4.9995V'a ulaştığı noktayı düşünelim. Şu anda geri bildirim 4.9995V'dir, bu nedenle diferansiyel voltaj 0.0005V'ye düşecektir . Şimdi op- hedefi .$(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Ancak , op-amp 4.9998V'a ulaşırsa, şimdi diferansiyel voltaj sadece 0.0002V olacaktır. Bu nedenle, op-amp çıkışı 2V'a düşmelidir. Bu neden olmadı?

Sonunda süreci anladığımı düşünüyorum:

Op-amp çıkış olamaz 4.9998V ulaşır. Çünkü 4.9995V'un üzerine çıkar çıkmaz, geri besleme de artarak diferansiyel girişin azalmasına neden olarak op-amp çıkışını 4.9995V'ye geri getirir.$V_{out}$

Ve op-amp çıkışı 4.9995V'un altına düşerse, geri besleme azalacak ve diferansiyel voltajın artmasına neden olacak ve op-amp çıkışını 4.9995V'ye geri getirecektir.

Son iki nokta olumsuz geri bildirimin özüdür. stabilize olan mümkün olduğunca yakın olarak hiç . Kazanç daha yüksek olsaydı, ve fark daha küçük olurdu. Kazanç sonsuza ulaşırsa, çıkış voltajı tam olarak giriş voltajına eşittir ve geri bildirim tam olarak eşit olduğu için , 0 diferansiyel voltaj olacaktır ve iki giriş arasında sanal bir toprak oluşturulacaktır. V i n V o u t V i n V i $V_{out}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

"Vin 5V, bu yüzden Vout 50.000V olmalı."

Neden? OpAmp, yalnızca + girişindeki değeri değil, + ve - girişleri arasındaki farkı da artırır!

Tamam, şununla başlayabilirsiniz: çıkış 0V'da ve giriş (+ girişine bağlı) 5V. Yaptığınız şey, girişe 5V'luk bir adım uygulamaktır.

Şimdi olan şey, OpAmp'ın çıkıştaki voltajı artırmaya başlaması. Bunu bir kerede yapamaz, bu yüzden 'yavaşça' yükselir (OpAmp dünyasında teknik bir adı olan yavaş olan oldukça hızlı bir değer için: gerçek bir OpAmp'ın önemli bir özelliği olan dönüş hızı). 5V'a ulaştığında, negatif girişe geri beslenir, bu sırada + girişindeki 5V'yi telafi eder, böylece OpAmp artık çıkış seviyesini yükseltmeye çalışmaz. (Gerçekten doğru olmak gerekirse: bu fark 5V / 10k olduğunda biraz daha erken olur.)

Zamanlama özelliklerine bağlı olarak, çıkış 5V'a 'yavaşça' yerleşebilir veya 5V'yi aşabilir, 5V'un altına düşebilir, vb. (5V'a doğru salınabilir). Devre kötü tasarlanmışsa, salınım artabilir (ve asla bitmeyebilir).

En Temel Yorum:

İşte belirli bir op amp devresini kişileştirerek anlamanın sezgisel yolum. Operasyonda küçük bir ahbap hayal edin. Küçük ahbap, + ve - girişleri arasındaki voltaj farkını gösteren bir ekrana sahiptir. Küçük adamın da bir topuzu var. Düğme, voltaj rayları arasında bir yerde çıkış voltajını ayarlar.

Küçük dostumuzun amacı iki voltaj arasındaki farkı sıfır yapmaktır. Bağladığınız devreye bağlı olarak, ekranda sıfır farkla sonuçlanan çıkıştaki voltajı bulana kadar düğmeyi çevirecektir.

Yani "ardışık" adımlarda:

1. Tampon devresine giriş 5V'dur. Çıkış düğmesinin başlangıçta 0V olduğunu varsayalım.
2. Giriş doğrudan tampon yapılandırmasındaki çıkışa bağlandığından, küçük dude'nin ekranındaki fark 5V'dur. Bundan mutlu değil.
3. Küçük adam voltaj çıkışını artırmak için düğmeyi çevirmeye başlar. Gittikçe yaklaşıyor.
4. Son olarak, ekranda 0V gördüğünde düğmeyi değiştirmeyi bırakır. Çıkış şimdi 5V'da olacaktır.

İdeal Bir Op Amper İçinde:

Aslında bir op amp içinde küçük bir adam değil: matematik! İşte bir op amp'de uygulamaya çalıştığımız şeyin bir temsili:

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Bu, küçük ahbapın bazı sınırlamalarla elde etmeye çalıştığı şeyi başaracaktır:

• Küçük ahbap, düğmeyi hangi yöne çevireceğini öğrenebilir, ancak bu olamaz. Çıkışı arttırmak farkı azaltacak şekilde bağlamalıyız.
• "Çok fazla kazanç" gerçekten sonsuz değilse küçük bir hata olacaktır.
• Devrenin kararlı olup olmayacağına dikkat etmeliyiz. Bu konuda biraz var .

Gerçek Bir Op Amp:

İşte gerçek bir op amp (741) içeride nasıl görünüyor:

Bu transistörler yukarıdaki matematiksel temsili uygular.

Gerçek bir op amp kullanıldığında ele alınması gereken bir dizi pratik sorun olduğunu akılda tutmak önemlidir. Birkaç isim:

• Önyargı akımları
• gürültü, ses
• Ortak mod giriş voltajı
• Akım çıkışı
• Besleme gerilimleri
• Güç dağılımı
• Dinamik davranış ve kararlılık

Ama tüm op amp devrelerinde, aklım her zaman neler olup bittiğine dair bir fikir edinmek için "küçük ahbap" açıklaması ile başlar. Daha sonra, gerekirse, bunu matematiksel analizle genişletiyorum. Son olarak, gerekirse, bir uygulama gereksinimlerini karşılamak için neyin gerekli olduğuna dair pratik bilgiler de uyguluyorum.

Bir opAmp, gizli zamanda değil sürekli zamanda çalışır. Bu, hiçbir eylemin anında gerçekleşemeyeceği ve eylemlerin adımlarla gerçekleşmeyeceği anlamına gelir. + Pime bir voltaj bağlamak için bir anahtar çevrilmiş olsa bile, girişte hala geçici bir yükselme süresi vardır ve çıkış sürekli olarak devam eder. Bu çok yaygın olarak opAmp eylemi olarak tanımlanır. Bir baharat modeli sadece bu, bir model. Model, opAmp'taki tüm nüansları içermez ve içeremez. Bir opAmp'ın geçici etkilerini incelemek istiyorsanız, bir tane satın alın ve ona bir osiloskop ile bakın. Etkileri inceleyebilmenin tek yolu budur.

Gerçek dünyada, op amperlerin sınırlı bir dönüş hızı vardır. Bazı op amperlerde, dönüş hızı çok hızlı olabilir, ancak asla anlık değildir. Op amp'in "+" girişi daha yüksek olduğunda, çıkış pozitif raya ulaşana veya "+" girişi artık "-" girişinden daha yüksek olmayana kadar çok hızlı yükselir. "-" girişi daha yüksek olduğunda, çıkış negatif raya ulaşıncaya veya "-" girişi artık "+" girişinden daha yüksek olmayana kadar çok hızlı düşer.

Op amper kullanan en uygun şekilde tasarlanmış devrelerde, gereksinimleri karşılamak için gerekli devre davranışının yönleri, önemli bir çıkış dönüş hızı aralığı için eşit derecede iyi karşılanmalıdır. Örneğin, gerilim takipçisi durumunda, dönüş hızı, girişin değiştiği zaman ile çıkışın aynı değere ulaştığı zaman arasında kısa bir gecikme ekleyecektir, ancak çıkışın ulaştığı değeri etkilemeyecektir.

Aslında, tanımladığınız fenomen karanlık çağlarda (1970'lerde) gerçek bir problemdi. Saygıdeğer LM310 Gerilim Takipçisi veri sayfası, kararlılığı korumak için 10k ohm giriş direnci öneren uygulama ipucunu (sayfa 2'nin alt kısmı) içerir.

Ayrıca, argümanınızın herhangi bir op amp devresine uygulanabileceğini ve itirazınızla başa çıkabilmek için, kapsayabileceğimden daha fazla olan amplifikatör frekans tepkisinin dikkate alınmasını gerektirir. Bir yandan çıktının aniden değişmediğini (diğer yanıt verenler tarafından belirtilen sınırlı dönüş hızı ve diğer yandan iç devrenin de değişikliklere nasıl tepki verdiğini dikkate aldığını söylemek yeterli olsun).

Gerçekte olanlar başkaları tarafından tanımlanmıştır: çıktı iki giriş arasındaki farkı sıfıra getirmek için tepki verir ve devre düzgün tasarlanmışsa sonunda orada kalır. Ancak sadece konunun karmaşık olduğunu göstermek için, çıkışı çok fazla yavaşlatırsanız (kapasiteyi toprağa topraklayarak) amperin salınmasına da neden olabileceğini düşünün .

Daha fazla ayrıntı veremediğim için özür dilerim, ama açıklamaya bile başlamadan önce çok daha fazla arka plana ihtiyacınız var.

Brüt cevap, ters çevren (+) ve ters çeviren (-) girişlerin aynı gerilimde olması için opamp'ın çıkışının gereken gerilime döneceğidir. Sonuç olarak, + girişi 5 volt olarak ayarlanırsa, çıkış 5 volt'a servo olur, böylece - giriş 5 voltta olur, opamp raylarının buna izin vereceği varsayılır.

Ancak gerçekte, çıkış hiçbir zaman gerçekten oturmaz ve her zaman + girişindeki voltajın üstünde ve altında çalışır.

Opamp'ın kazancına ve bant genişliğine ve harici devreye ne kadar bağlı olduğu, ancak bu tamamen farklı bir soru.