Tại sao op-amps tiếp tục khuếch đại?

Tôi đang đọc một bản sao cũ của Nghệ thuật Điện tử của Horowitz và Hill và tôi đang cố gắng quấn đầu xung quanh các bộ khuếch đại hoạt động trong các mạch phản hồi tiêu cực.

Như cuốn sách giải thích, vì op-amp thấy điện áp dương ở đầu vào đảo ngược so với đầu vào không đảo của nó, nó điều khiển đầu ra âm cực mạnh, thiết lập hiệu quả một bộ chia điện áp dọc theo điện trở giữa nguồn tín hiệu và op -amp của đầu vào đảo ngược và điện trở phản hồi chạy giữa đầu ra của op-amp đến đầu vào đảo ngược. Hệ số khuếch đại sẽ sao cho điện áp ở đầu vào đảo ngược giống như ở đầu vào không đảo, thường là nối đất. Do đó, đầu vào đảo ngược trong mạch phản hồi âm đôi khi được gọi là mặt đất ảo.

Bây giờ nếu đây là trường hợp, và các đầu vào đảo ngược và không đảo ngược được đưa đến cùng một tiềm năng, liệu op-amp có ngừng khuếch đại không? Ý tôi là, bây giờ không có sự khác biệt điện áp, vì vậy không có gì để khuếch đại.

Tôi nghi ngờ rằng điều này thực sự đang xảy ra, nhưng khi op-amp ngừng khuếch đại, điện áp đầu ra tăng lên 0, làm tăng điện áp ở đầu vào đảo ngược của nó, kích hoạt khuếch đại trở lại cho đến khi mặt đất ảo được thiết lập lại và chu kỳ lặp lại .

Đợi đã, tôi vừa nói chu kỳ lặp lại? Điều này ngụ ý rằng điện áp đầu ra thực sự dao động ở (có thể) biên độ rất thấp và tần số rất cao, cho tất cả các ý định và mục đích cho các mạch chung là ổn định. Tôi hiểu có đúng không?

Tôi cá là nếu tôi sử dụng tụ điện để giới thiệu độ trễ trong phản ứng của op-amp, tôi có thể có dao động ở tần số thấp hơn.

Đầu tiên, nguyên tắc "mặt đất ảo" có thể được áp dụng trong quá trình THIẾT KẾ các bộ khuếch đại dựa trên opamp. Điều này đơn giản hóa các tính toán - và trong hầu hết các trường hợp, lỗi là chấp nhận được. Lỗi? Có - bởi vì luôn có một điện áp khác biệt giữa cả hai đầu vào opamp, chính xác là Vdiff = Vout / Aol. (Aol = mức tăng vòng hở của opamp). Do các giá trị lớn cho Aol (1E4 ... 1E6 cho tần số thấp hơn) nên độ lệch này. điện áp Vdiff nằm trong phạm vi củaVV.

Tuy nhiên, vì điều này không đúng với tần số lớn hơn, mức tăng của vòng kín sẽ lệch khỏi giá trị tính toán cho tần số tăng.

Về câu cuối cùng của bạn: Có - giới thiệu thêm độ trễ trong đường dẫn phản hồi sẽ gây ra dịch pha bổ sung - và điều này có thể dẫn đến mất ổn định / dao động.

EDIT: "... cho đến khi mặt đất ảo được thiết lập lại và chu kỳ lặp lại ."

Tôi cho rằng, với câu được trích dẫn ở trên, bạn đang yêu cầu một cái gì đó giống như một "chuỗi" dẫn đến các điều kiện trạng thái ổn định sau khi áp dụng tín hiệu đầu vào, đúng không? Đây thực sự là một câu hỏi đáng được giải thích.

Ví dụ : Đảo ngược bộ khuếch đại dựa trên opamp với mức tăng "-2". Đầu vào: + 1V bước (t = 0).

Khi bắt đầu (t> 0), phản hồi chưa hoạt động và đầu ra sẽ nhảy đến điện áp âm tối đa (đường ray cung cấp). Bây giờ, mạng phản hồi làm cho thiết bị đầu cuối đảo ngược trở nên âm - và đầu ra bắt đầu chuyển sang điện áp dương. Tuy nhiên, điều này sẽ không tiếp tục lặp đi lặp lại vì opamp có các yếu tố trễ bên trong (gây ra giới hạn băng thông và dịch pha). Điều đó có nghĩa là: Đầu ra không "nhảy" sang các giá trị khác nhưng phải mất một thời gian để đến đường ray trên. Nhưng, trong thực tế, đầu ra sẽ KHÔNG chạm tới đường ray trên bởi vì trên đường tới đầu ra dương tối đa, điện áp đầu ra vượt qua một số giá trị âm hữu hạn - và đối với giá trị đầu ra của ứng dụng. Vout = -1.999V sẽ có trạng thái cân bằng giữa đầu vào và đầu ra. Giải trình:

Vout = -1.999V và Vin = + 1V gây ra điện áp rất nhỏ giữa cả hai điện trở (tại đầu vào đầu vào), khi được nhân với Aol - chính xác là điện áp đầu ra giả định (trong ví dụ: Vout = -1.999V. ) Trạng thái cân bằng này là ổn định.

Bây giờ nếu đây là trường hợp, và các đầu vào đảo ngược và không đảo ngược được đưa đến cùng một tiềm năng, liệu op-amp có ngừng khuếch đại không?

Op-amp khuếch đại điện áp trên (chênh lệch) các đầu vào đầu vào bất kể .

Đối với op-amp lý tưởng, mức tăng điện áp là 'vô hạn' (lớn tùy ý), do đó, chênh lệch điện áp có thể nhỏ tùy ý và op-amp vẫn sẽ tạo ra đầu ra khác không.$A$

Đây là một phân tích nhanh. Kết nối nguồn tín hiệu với đầu vào không đảo và kết nối đầu vào đảo ngược với đầu ra thông qua một bộ chia điện áp để

$$v_+ = v_S$$

$$v_- = \alpha \cdot v_O$$

trong đó nằm trong khoảng từ 0 đến 1.$\alpha$

Sau đó, điện áp đầu ra được đưa ra bởi

$$v_O = A(v_+ - v_-) = A(v_S - \alpha \cdot v_O)$$

Như vậy

$$v_O = \frac{A}{1 + \alpha A}v_S$$

và điện áp đầu vào đảo ngược là

$$v_- = \alpha \cdot v_O = \frac{\alpha A}{1 + \alpha A}v_S$$

và sự khác biệt điện áp đầu vào là

$$(v_+ - v_-) = v_S - \frac{\alpha A}{1 + \alpha A}v_S = \frac{v_S}{1 + \alpha A}$$

Vì vậy, chúng ta thấy rằng, đối với mức tăng op-amp hữu hạn , chênh lệch điện áp đầu vào nhỏ nhưng không bằng 0 khi điện áp nguồn tín hiệu khác không$A$$v_S$

Sự khác biệt này được khuếch đại bởi op-amp tạo ra điện áp đầu ra khác không.

Chỉ trong giới hạn của , chênh lệch điện áp đầu vào mới bằng 0, nhưng sau đó, với mức tăng 'vô hạn', đầu ra vẫn có thể khác không.$A \rightarrow \infty$