Электроника:Полупроводники/Операционные усилители/Аналогия для делителя напряжения в цепи обратной связи

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Аналогия для делителя напряжения в цепи обратной связи[1]

Будет полезно разобрать аналогию для понимания усилительных схем для делителей напряжения с обратной связью. Представим механический рычаг, относительное движение концов которого – это изменение входного и выходного напряжения, а точка опоры (точка поворота) – это местоположение точки заземления, реальной или фиктивной.

Возьмём, к примеру, такую схему неинвертирующего операционного усилителя (см. рисунки ниже). Из предыдущего раздела мы знаем, что коэффициент усиления по напряжению в конфигурации неинвертирующего усилителя никогда не может быть меньше единицы (1). Будем изображать рычаг рядом со схемой усилителя таким образом, что расстояния между точкой опоры и концами рычага будут соответствовать номиналам резисторов. Движение рычага – это изменения напряжения на входных и выходных выводах усилителя:

Рис. 1. Рычаг в качестве аналогии отрицательной обратной связи с делителем напряжения.
Рис. 1. Рычаг в качестве аналогии отрицательной обратной связи с делителем напряжения.

Такой тип рычага с входной силой (усилием), приложенной между точкой опоры и выходом (нагрузкой), физики называют рычагом третьего рода. Он характеризуется выходным смещением (движением), по крайней мере, так же бо́льшим, чем входное смещение («усиление» не менее 1) – и в том же направлении. Применение положительного входного напряжения к этой схеме операционного усилителя аналогично перемещению точки «входа» на рычаге в направлении «вверх»:

Рис. 2. Опорная точка (точка входа) смещается вверх (что аналогично приложению положительного входного напряжения).
Рис. 2. Опорная точка (точка входа) смещается вверх (что аналогично приложению положительного входного напряжения).

Благодаря характеристикам рычага, усиливающим смещение, точка «выхода» переместится в два раза дальше точки «входа» и в том же направлении. В электронной схеме выходное напряжение будет в два раза больше входного при той же полярности. Применение отрицательного входного напряжения аналогично перемещению рычага вниз от его нулевого положения, что приводит к усиленному выходному смещению, которое также является отрицательным:

Рис. 3. Опорная точка (точка входа) смещается вниз. Точка выхода смещается на двойное расстояние (по сравнению с точкой входа) и в том же направлении (вниз).
Рис. 3. Опорная точка (точка входа) смещается вниз. Точка выхода смещается на двойное расстояние (по сравнению с точкой входа) и в том же направлении (вниз).

Если мы изменим соотношение резисторов R2/R1, то изменим коэффициент усиления схемы операционного усилителя. В терминах рычага это означает перемещение точки входа относительно оси и конца рычага, что аналогичным образом изменяет «усиление» смещения механизма:

Рис. 4. Опорная точка (точка входа) смещена влево.
Рис. 4. Опорная точка (точка входа) смещена влево.

Теперь любой входной сигнал будет усилен в четыре раза вместо двух:

Рис. 5. На выходе получаем вчетверо большее значение, чем до смещения.
Рис. 5. На выходе получаем вчетверо большее значение, чем до смещения.

Схемы инвертирующего операционного усилителя также могут быть смоделированы с использованием аналогии с рычагом. В инвертирующей конфигурации точка заземления делителя напряжения обратной связи является инвертирующим входом операционного усилителя с входом слева и выходом справа. Это механически эквивалентно рычагу первого рода, где входная сила (усилие) находится на противоположной стороне точки опоры от выхода (нагрузки):

Рис. 6. Опорная точка рычага теперь не с краю, а посередине. Если мы будем толкать вход в одном направлении, то выход будет двигаться в противоположном.
Рис. 6. Опорная точка рычага теперь не с краю, а посередине. Если мы будем толкать вход в одном направлении, то выход будет двигаться в противоположном.

С резисторами равного номинала (рычаги одинаковой длины на каждой стороне оси) выходное напряжение (смещение) будет равно по величине входному напряжению (смещению), но с противоположной полярностью (направлением). Положительный вход приводит к отрицательному выходу:

Рис. 7. Если опорная точка рычага точно посередине, то выход по абсолютному значению равен входу, но с противоположным знаком.
Рис. 7. Если опорная точка рычага точно посередине, то выход по абсолютному значению равен входу, но с противоположным знаком.

Изменение соотношения номиналов резисторов R2/R1 изменяет коэффициент усиления схемы усилителя, точно так же, как изменение положения оси на рычаге изменяет его механическое смещение («усиление»). Рассмотрим следующий пример, где R2 вдвое больше, чем R1:

Рис. 8. Сместим точку опоры для рычага левее. Плечо на выходе проходит в 2 раза большее расстояние, чем плечо на входе, но в противоположном направлении.
Рис. 8. Сместим точку опоры для рычага левее. Плечо на выходе проходит в 2 раза большее расстояние, чем плечо на входе, но в противоположном направлении.

Однако в конфигурации инвертирующего усилителя возможен коэффициент усиления менее 1, как и в случае с рычагами первого рода. Изменение значений R2 и R1 на противоположные аналогично перемещению точки опоры в её дополнительное положение на рычаге: одна треть пути от выходного конца. Тогда выходное смещение будет составлять половину от входного смещения:

Рис. 9. Сместим точку опоры не левее, а правее середины. Плечо на выходе проходит в 2 раза меньшее расстояние, чем плечо на входе, но в противоположном направлении.
Рис. 9. Сместим точку опоры не левее, а правее середины. Плечо на выходе проходит в 2 раза меньшее расстояние, чем плечо на входе, но в противоположном направлении.

См.также

Внешние ссылки