İşlemsel yükselteç devrelerinde geri besleme neden gereklidir?

Bir op-amp'in düzgün çalışması için, çıkıştan eviriciye veya evirmeyen girişe (harici devreye bağlı olarak) bir DC geri besleme döngüsü gerektiğini anlıyorum.

Op-amp kullanırken DC geri beslemenin amacı nedir? Neden gereklidir ve etkileri onsuz ne olurdu?

İdeal bir opamp sonsuz kazanç sağlar. + Ve - pinleri arasındaki voltaj farkını artırır. Elbette gerçekte bu kazanç sonsuz değil, yine de oldukça büyük.

Opamp çıkışı (bazı girişlerde de) güç kaynağı tarafından sınırlandırılır, kaynağın koyduğundan daha fazlasını çıkaramayız.

Sinyalleri opamp içine geri bildirim olmadan koyarsak, sonsuzluk ile çarpar ve ikili bir çıkış elde eder (besleme raylarında doyurur)

Yani, kazancı kontrol etmenin bir yoluna ihtiyacımız var. Geri bildirim budur.

Geri besleme (DC ve AC) girişten amplifiye edilmiş çıkışın bir parçasını alır, böylece kazanç tahmin edilebilir geri bildirim ağı tarafından çok daha fazla ve büyük (ve tahmin edilemez) açık döngü kazancı tarafından daha az kısıtlanır.

Sadece bir AC devresinde bile DC'de (sıfır Hz) çalışan geri beslemeye ihtiyacımız var, yoksa kazanç sadece DC sinyalleri için açık çevriminki olacaktır. Kısıtlanmış olsanız da AC sinyali DC açık döngü kazancı tarafından boğulur.

Bir opampın çok yüksek açık döngü amplifikasyona sahip olduğunu zaten biliyorsunuz, tipik olarak 100 000 kez. En basit geribildirim durumuna bakalım:

Opamp arasındaki farkı yükseltmek olacak ve V - : $V_+$$V_-$

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

Şimdi ve V - = V O U T , sonra$V_+ = V_{IN}$$V- = V_{OUT}$

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

veya yeniden düzenleme:

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

Bu kadar iyi

$V_{OUT} = V_{IN}$

Bu, çoğunlukla yüksek giriş empedansı ve düşük çıkış empedansı elde etmek için kullanılan bir voltaj takipçisi , 1 amplifikatördür.$\times$

Geri bildirim, çok yüksek açık döngü amplifikasyonunu 1'e düşürür. V O U T'yi V I N'ye mümkün olduğunca yaklaştırmak için yüksek amplifikasyonun gerekli olduğuna dikkat edin .$\times$$V_{OUT}$$V_{IN}$

düzenlemek
Şimdi geri besleme gerilimi sadece bir kısmını kullanarak amplifikasyon kontrol edebilirsiniz.

Tekrar

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

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

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

Veya:

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

"1" terimi göz ardı edilebilir, böylece

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

Hem gerilim takipçisinde hem de bu evirmeyen amplifikatörde, opampın gerçek amplifikasyon faktörünün yeterince yüksek olması koşuluyla iptal edildiğine dikkat edin (>> 1).

İdeal op-amp'in sonsuz kazancı vardır ve bu analog elektroniklerde çok az kullanılır. Geri besleme, devrenin kazancını sınırlamak için kullanılır. Wiki makalesinde birçok örnek bulabilirsiniz .

Basit geri bildirim döngüsünü düşünün:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

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

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

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