İşlemsel yükselteç devrelerinde geri besleme neden gereklidir?


17

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?



37
Direnç üreticileri konsorsiyumu tarafından oluşturulan bir komplo.
Olin Lathrop

1
Çünkü şaşırtıcı derecede iyi çalışıyor. Çoğu mühendis bu deneyime sahip değildir ancak: İdeal OpAmp varsayımı OLMADAN aslında düğüm analizi kullanın. Sonlu kazanç amplifikatörü olarak kabul edin. Benzer sonuçlar elde edeceğinizi göreceksiniz, kazancın sonsuz olduğunu varsaydığınızda ideal bir opamp elde edeceksiniz.
CyberMen

@OlinLathrop Neden voltaj takipçilerini yasaklamadılar?
Dmitry Grigoryev

Yanıtlar:


19

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.


Geri bildirim olmadan OpAmp bir karşılaştırıcı olarak çalışır, bu nedenle çıkış tamamen anlamsız değildir.
starblue

Tüm opamp'ler bir karşılaştırıcı kullanmayacak, bir karşılaştırıcı için bunu kullanmalısınız. Birçok rakip çok iyi bir opamp olarak çalışmaz. Bu, bir direncin tıpkı bir sigorta gibi çalıştığını söylemek gibidir. Evet öyle ama genelde iyi bir fikir değil. (En azından bir tasarımın nerede olduğunu
Jason Morgan

.... Belki de bazı opamps, raylara sürüldüğünde veya CM aralıklarını aşan aşırı garip şeyler yaparken çok garip şeyler yaptığını eklemeliydim.
Jason Morgan

Yine de, yanıtı düzenleyerek yapabilirsiniz: ayrıca düzenleme yoluyla metninizi geliştirmeniz önerilir (metnin sol alt köşesindeki düğme)
clabacchio

@ JasonMorgan: Sorun sadece ortak mod aralığı değil. Girişler arasındaki voltaj farkı çok fazla olursa, her iki giriş de cihazın işleyebileceği aralık dahilinde olsa bile bazı op amplifikatörler garip davranır.
supercat

22

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

enter image description here

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

VOUT=100000×(V+V)

Şimdi ve V - = V O U T , sonraV+=VINV=VOUT

VOUT=100000×(VINVOUT)

veya yeniden düzenleme:

VOUT=100000100000+1×VIN

Bu kadar iyi

VOUT=VIN

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

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 .×VOUTVIN

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

enter image description here

Tekrar

VOUT=100000×(V+V)

V+=VINV=R1R1+R2×VOUT

VOUT=100000×(VINR1R1+R2×VOUT)

Veya:

VOUT=100000×VINR1R1+R2×100000+1

"1" terimi göz ardı edilebilir, böylece

VOUT=R1+R2R1×VIN

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


5

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:

enter image description here

VÖut=birVx

Vf=FVÖut

Vx=Vbenn-Vf=Vbenn-FVÖut

Vout=AVinAFVout

Av=VoutVin=A1+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).


1
Thanks, I understand that a feedback is primarily needed to control the gain of the amplifier, so whatever the feedback gain, the amplifier gain will be equal to its inverse. Is that correct?
user1083734

1
And do I understand correctly that the single resistor between output and input is not effective because it will not alter/divide up Vout and so the amplifier gain will be the same as its open loop gain, without any feedback. I am not sure on this last point.
user1083734

@user1083734 it's right: if you understand how the op-amp works, and what is the transfer function of the feedback circuit, you are a step closer to understand the whole circuit
clabacchio

Is the feedback transfer function the same as the transfer function of the whole circuit? I can calculate the latter, but do not know how to calculate the former.
user1083734

2

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.


1
"This rise should being the inputs closer together, finally stopping when they are equal." You don't explain why that happens.
stevenvh

1

A typical power supply error amplifier has no DC feedback path:

Sipex app note  - error amplifier

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 :) ]


1
I think you are overcomplicating things trying to find an exception to OP's answer, especially because he's asking about feedback (try to abstract from him mentioning a resistor) and your circuit actually HAS feedback, but only for AC signals.
clabacchio

2
The circuit depends on DC feedback also. It's just not shown in the circuit. The circuit shown is not the complete amplifier. Vcomp controls the duty cycle of a switch which then controls Vout, and this is effectively a DC feedback path. There has to be DC feedback, otherwise what will stabilize the amplifier? The AC local feedback will not do that.
Kaz

@Kaz I guess Olin is the only person allowed to have some fun here.
Adam Lawrence

-4

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


3
"DC feeback in opamp uses due to stability" makes no sense, at least in English.
Olin Lathrop
Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.