Электроника:Полупроводники/Операционные усилители/Положительная 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: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Положительная обратная связь[1]

Как мы уже увидели, отрицательная обратная связь – невероятно полезный инструмент в применении к операционным усилителям. Это то, что позволяет нам создавать все эти практические схемы, имея возможность точно устанавливать коэффициенты усиления, скорости и другие важные параметры с помощью всего лишь нескольких изменений номиналов резисторов. Отрицательная обратная связь делает все эти схемы стабильными и самокорректирующимися.

Основной принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что выходной поток предпочитает двигаться в направлении, которое создаёт состояние равновесия (баланса). В схеме операционного усилителя без обратной связи нет корректирующего механизма, и выходное напряжение будет насыщаться минимальным значением дифференциального напряжения, приложенного между входами. В результате получается компаратор.

С отрицательной обратной связью (где выходное напряжение каким-то образом «возвращается» на инвертирующий вход) схема стремится не давать выходу полностью насыщаться. Скорее, управляемое выходное напряжение делается настолько высоким или низким, насколько необходимо, чтобы уравновесить оба входных напряжения:

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

Независимо от того, подаётся ли выходной сигнал напрямую на инвертирующий (-) вход или соединяется через набор компонентов, эффект один и тот же: чрезвычайно высокое дифференциальное усиление напряжения операционного усилителя будет «приручено», и схема будет реагировать должным образом в соответствии с требованиями «петли» обратной связи, соединяющей выход с инвертирующим входом.

Как работает положительная обратная связь в операционном усилителе?

Другой тип обратной связи, а именно положительная обратная связь, также находит применение в схемах операционных усилителей. В отличие от отрицательной обратной связи, где выходное напряжение «возвращается» на инвертирующий (-) вход, при положительной обратной связи выходное напряжение каким-то образом направляется обратно на неинвертирующий (+) вход. В простейшей форме можно подключить напрямую провод от выхода к неинвертирующему входу и посмотреть, что произойдёт:

Рис. 2. Положительная обратная связь.
Рис. 2. Положительная обратная связь.

Инвертирующий вход остаётся отключённым от контура обратной связи и может получать внешнее напряжение. Посмотрим, что будет, если заземлить инвертирующий вход:

Рис. 3. Положительная обратная связь, инвертирующий вход заземлён.
Рис. 3. Положительная обратная связь, инвертирующий вход заземлён.

Если инвертирующий вход заземлён (поддерживается нулевое напряжение), выходное напряжение будет определяться величиной и полярностью напряжения на неинвертирующем входе. Если это напряжение окажется положительным, операционный усилитель также будет управлять положительным выходом, подавая это положительное напряжение обратно на неинвертирующий вход, что приведёт к полному положительному выходному насыщению. С другой стороны, если напряжение на неинвертирующем входе становится отрицательным, выход операционного усилителя будет двигаться в отрицательном направлении, возвращаясь на неинвертирующий вход и приводя к полному отрицательному насыщению.

У нас есть схема, выход которой является бистабильным: т.е. стабильным в одном из двух состояний (насыщенный положительный или насыщенный отрицательный). Достигнув одного из этих насыщенных состояний, он будет стремиться оставаться в этом состоянии неизменным. Для переключения состояний необходимо подать напряжение на инвертирующий (-) вход той же полярности, но немного большей величины. Например, если наша схема насыщена при выходном напряжении +12 В, потребуется входное напряжение на инвертирующем входе не менее +12 В для изменения выходного сигнала. Когда он изменится, он станет полностью отрицательным.

В чём польза от положительной обратной связи?

Операционный усилитель с положительной обратной связью стремится оставаться в том состоянии выхода, в котором он уже находится. Он «закупоривается» в одном из двух состояний, насыщенным положительным или насыщенным отрицательным. Технически это называется гистерезисом.

Гистерезис может быть полезным свойством для схемы компаратора. Как мы видели ранее, компараторы могут использоваться для создания прямоугольной волны из любого вида линейно нарастающей волны (синусоидальной волны, треугольной волны, пилообразной волны и т. д.). Если входящий сигнал переменного тока не содержит шумов (то есть «чистый» сигнал без гармоник), простой компаратор будет работать нормально.

Рис. 4. «Чистый» входной сигнал переменного напряжения создаёт предсказуемые точки перехода в выходном напряжении прямоугольной формы.
Рис. 4. «Чистый» входной сигнал переменного напряжения создаёт предсказуемые точки перехода в выходном напряжении прямоугольной формы.

Однако, если существуют какие-либо аномалии в форме волны, будь то гармоники или «всплески», которые вызывают значительное повышение и падение напряжения в пределах временно́го интервала одного цикла, выход компаратора может неожиданно переключить состояния:

Рис. 5. Реагирование компаратора на «грязную» синусоиду.
Рис. 5. Реагирование компаратора на «грязную» синусоиду.

Каждый раз, когда происходит переход через уровень опорного напряжения, независимо от того, насколько крошечным может быть этот переход, выход компаратора будет переключать состояния, создавая прямоугольную волну с «глюками».

Если мы добавим немного положительной обратной связи в схему компаратора, тем самым введём гистерезис на выходе. Этот гистерезис заставит выход оставаться в текущем состоянии, если входное напряжение переменного тока не претерпит значительных изменений по величине.

Рис. 6. Введение положительной обратной связи в схему компаратора.
Рис. 6. Введение положительной обратной связи в схему компаратора.

Этот резистор обратной связи создаёт двойное опорное напряжение для схемы компаратора. Напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход в качестве эталона, которое сравнивается с входящим напряжением переменного тока, изменяется в зависимости от значения выходного напряжения операционного усилителя. Когда выход операционного усилителя насыщен положительной полярностью, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более положительным, чем раньше. И наоборот, когда выход операционного усилителя является отрицательным, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более отрицательным, чем раньше. Результат легче понять с помощью графика:

Рис. 7. Реагирование компаратора с положительной обратной связью на «грязную» синусоиду.
Рис. 7. Реагирование компаратора с положительной обратной связью на «грязную» синусоиду.

Когда выход операционного усилителя имеет положительное насыщение, действует верхнее опорное напряжение, и выход не упадёт до отрицательного уровня насыщения, если вход переменного тока не поднимется выше этого верхнего опорного уровня. И наоборот, когда выход операционного усилителя имеет отрицательное насыщение, действует более низкое опорное напряжение, и выход не поднимется до положительного уровня насыщения, если входной сигнал переменного тока не упадёт ниже этого более низкого опорного уровня. В результате снова получается чистый прямоугольный выходной сигнал, несмотря на значительные искажения входного сигнала переменного тока. Для того, чтобы «сбой» заставил компаратор переключаться из одного состояния в другое, он должен быть по крайней мере таким же большим (высоким), как разница между верхним и нижним уровнями опорного напряжения, и в нужный момент времени пересечь оба эти уровня.

Ещё одно применение положительной обратной связи в схемах операционных усилителей – создание генераторных схем. Генератор представляет собой устройство, производящее переменный ток (AC) или, хотя бы, пульсацию выходного напряжения. Технически это нестабильное устройство: не имеющее стабильного выходного состояния (равновесие вообще отсутствует). Осцилляторы – очень полезные устройства, и их легко сделать с помощью всего лишь операционного усилителя и нескольких внешних компонентов.

Рис. 8. Схема генератора, использующая положительную обратную связь.
Рис. 8. Схема генератора, использующая положительную обратную связь.

Когда выход насыщен положительно, VОпорн. будет положительным, и конденсатор будет заряжаться в положительном направлении. Когда VНакл. превышает VОпорн. с минимальным запасом, выходной сигнал станет отрицательным, и конденсатор будет заряжаться в противоположном направлении (изменит полярность). Колебания возникают из-за того, что положительная обратная связь является мгновенной, а отрицательная обратная связь задерживается (за счёт постоянной времени RC-контура). Частоту этого генератора можно регулировать, изменяя размер любого из компонентов.

Итог

  • Отрицательная обратная связь создаёт состояние равновесия (баланса). Положительная обратная связь создаёт состояние гистерезиса (стремление «закупориться» в одном из двух крайних состояний).
  • Генератор представляет собой устройство, производящее выходное напряжение переменного тока или пульсирующего выходного напряжения.

См.также

Внешние ссылки