Электроника:Полупроводники/Операционные усилители/Отрицательная обратная связь

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: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Отрицательная обратная связь[1]

Если мы подключим выход операционного усилителя к его инвертирующему входу и подадим сигнал напряжения на неинвертирующий вход, то обнаружим, что выходное напряжение операционного усилителя точно соответствует входному (для простоты на схеме опускаем источник питания, выводы + V/-V и заземление):

Рис. 1. Отрицательная обратная связь.
Рис. 1. Отрицательная обратная связь.

По мере увеличения VВход, будет увеличиваться и VВыход в соответствии с дифференциальным усилением. Однако, когда VВыход увеличивается, это выходное напряжение возвращается на инвертирующий вход, тем самым уменьшая разность напряжений между входами, что снижает выходное напряжение. Что произойдёт с любым заданным входным напряжением, так это то, что операционный усилитель будет выдавать напряжение, почти равное VВход, но достаточно низкое, чтобы между VВход и (-) входом оставалась достаточная разница напряжений для усиления, генерирующего выходное напряжение.

Схема быстро достигнет точки стабильности (в физике это ещё называют точкой равновесия), когда выходное напряжение является именно той величиной, которая необходима для поддержания нужного значения дифференциала. Взять выходное напряжение операционного усилителя и подключить его к инвертирующему входу – это метод, известный как отрицательная обратная связь, и это ключ к созданию самостабилизирующейся системы (это верно не только для операционных усилителей, но, по большей части, и практически для любой динамической системы). Эта стабильность даёт операционному усилителю возможность работать в линейном (активном) режиме, в отличие от простого полного насыщения находящегося в состоянии или «Вкл.» или «Выкл.», как это было при использовании в качестве компаратора, без какой-либо обратной связи.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя настолько велик, напряжение на инвертирующем входе может поддерживаться почти равным VВход. Предположим, что наш операционный усилитель имеет дифференциальное усиление по напряжению 200000. Если VВход равно 6 вольт, выходное напряжение будет 5,999970000149999 вольт. Это создаёт достаточное дифференциальное напряжение (6 вольт - 5,999970000149999 вольт = 29,99985 мкВ), чтобы вызвать проявление 5,999970000149999 вольт на выходе, и система удерживает баланс. Как видите, 29,99985 мкВ – это весьма небольшая разница, поэтому для практических расчётов мы можем предположить, что дифференциальное напряжение между двумя входными проводами удерживается отрицательной обратной связью ровно на уровне 0 вольт.

Рис. 2. Эффект от отрицательной обратной связи.
Рис. 2. Эффект от отрицательной обратной связи.
Рис. 3. Эффект от отрицательной обратной связи (значения округлены).
Рис. 3. Эффект от отрицательной обратной связи (значения округлены).

Преимущество использования отрицательной обратной связи в операционных усилителях

Одним из наибольших плюсов использования операционного усилителя с отрицательной обратной связью является то, что фактическое усиление напряжения операционного усилителя не имеет значения, если оно очень велико. Если бы дифференциальное усиление операционного усилителя было бы 250 тыс. вместо 200 тыс., все это означало бы, что выходное напряжение было бы немного ближе к VВход (меньше дифференциального напряжения, необходимого между входами для генерации требуемого выхода). В только что проиллюстрированной схеме выходное напряжение всё равно будет (для всех практических целей) равным неинвертирующему входному напряжению. Следовательно, коэффициенты усиления операционного усилителя не должны точно устанавливаться на заводе, чтобы разработчик схем мог построить схему усилителя с точным коэффициентом усиления. Отрицательная обратная связь заставляет систему самокорректироваться. Вышеупомянутая схема в целом будет просто следовать входному напряжению со стабильным коэффициентом усиления 1.

Как работает схема операционного усилителя?

Возвращаясь к нашей модели дифференциального усилителя, мы можем думать об операционном усилителе как об источнике переменного напряжения, управляемом чрезвычайно чувствительным нуль-индикатором, типом движителя для измерителя или другого чувствительного измерительного устройства, используемого в мостовых схемах для обнаружения состояния баланса (ноль вольт). «Потенциометр» внутри операционного усилителя, создающий переменное напряжение, будет перемещаться в любое положение, в которое он должен «уравновесить» инвертирующие и неинвертирующие входные напряжения, чтобы «нуль-индикатор» имел нулевое напряжение:

Рис. 4. Часть схемы, являющейся операционным усилителем, выделена треугольником.
Рис. 4. Часть схемы, являющейся операционным усилителем, выделена треугольником.

Поскольку «потенциометр» будет перемещаться, чтобы обеспечить выходное напряжение, необходимое для удовлетворения «нуль-индикатора» при «показании» нуля вольт, выходное напряжение становится равным входному напряжению: в данном случае 6 вольт. Если входное напряжение вообще изменится, «потенциометр» внутри операционного усилителя изменит положение, чтобы удерживать «нуль-индикатор» в состоянии баланса (показывающий ноль вольт), в результате чего выходное напряжение всегда будет примерно равным входному напряжению.

Это будет справедливо в пределах диапазона напряжений, которые может выдавать операционный усилитель. Благодаря источнику питания ±15 В и идеальному усилителю, который может так же сильно изменять выходное напряжение, он будет точно «следовать» за входным напряжением в пределах от +15 до -15 вольт. По этой причине вышеуказанная схема известна как повторитель напряжения. Как и его однотранзисторный аналог, усилитель с общим коллектором («эмиттерный повторитель»), он имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 1, высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления по току. Повторители напряжения также известны как буферы напряжения, и используются для повышения токовых способностей источника питания, слишком слабых (ввиду слишком высокого сопротивления источника), чтобы напрямую управлять нагрузкой. Модель операционного усилителя, показанная на последнем рисунке, показывает, как выходное напряжение фактически изолировано от входного напряжения, так что ток на выходном контакте вообще подаётся не источником входного напряжения, а скорее от источника питания, питающего ОУ.

Следует отметить, что многие операционные усилители не могут переключать свои выходные напряжения точно в соответствии с напряжениями шины питания + V/-V. Модель 741 – как раз одна из тех, которые не могут: при насыщении её выходное напряжение достигает пика в пределах примерно одного вольта от напряжения источника питания +V и примерно в пределах 2 вольт от напряжения источника питания -V. Следовательно, с разделённым источником питания ±15 вольт на выходе операционного усилителя 741 может достигать +14 вольт или ниже -13 вольт (приблизительно), но не более того. Это связано с конструкцией биполярного транзистора. Эти два предела напряжения известны как положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения, соответственно. Другие операционные усилители, такие как модель 3130 с полевыми транзисторами в конечном выходном каскаде, могут изменять свое выходное напряжение в пределах милливольт от напряжения шины питания. Следовательно, их положительное и отрицательное напряжения насыщения практически равны напряжениям питания.

Итог

  • Подключение выхода операционного усилителя к его инвертирующему (-) входу называется отрицательной обратной связью. Этот термин может широко применяться к любой динамической системе, где выходной сигнал каким-то образом «возвращается» на вход, чтобы достичь точки равновесия (баланса).
  • Когда выход операционного усилителя напрямую подключён к его инвертирующему (-) входу, то это повторитель напряжения. Какое бы напряжение сигнала ни подавалось на неинвертирующий (+) вход, он будет виден на выходе.
  • Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет пытаться довести своё выходное напряжение до необходимого уровня, чтобы дифференциальное напряжение между двумя входами было практически нулевым. Чем выше дифференциальное усиление операционного усилителя, тем ближе дифференциальное напряжение к нулю.
  • Некоторые операционные усилители не могут выдавать выходное напряжение, равное их напряжению питания в насыщенном состоянии. Модель 741 – одна из них. Верхний и нижний пределы амплитуды выходного напряжения операционного усилителя известны как положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения соответственно.

См.также

Внешние ссылки