Giải thích từng bước về cách theo dõi điện áp đạt đến trạng thái ổn định bằng cách sử dụng phản hồi tiêu cực

Chỉ một phút! Tôi không cố gắng để hiểu những gì phản hồi tiêu cực cuối cùng , hoặc tại sao nó nên được sử dụng. Tôi đang cố gắng hiểu làm thế nào mạch đạt đến trạng thái ổn định và làm thế nào, từng bước, phản hồi tiêu cực khiến Vout giống như Vin. Điều này đã không được giải quyết thỏa đáng trong các câu trả lời khác.

Giả sử op-amp có mức tăng 10.000, nguồn cung cấp 15V và Vin là 5V.

Theo hiểu biết của tôi, đây là cách nó diễn ra:

1. là 5V, vì vậyphải là 50.000V. Tuy nhiên, nó bị giới hạn ở 15V bởi nguồn cung cấp năng lượng của op-amp.$V_{in}$$V_{out}$
2. $V_{out}$ sau đó được áp dụng trở lại , nhưng nó bị trừ khỏi do nó là phản hồi âm$V_-$$V_{in}$
3. Vì vậy, điện áp đầu vào vi sai bây giờ là 5V - 15V = -10V
4. Điều này sau đó được khuếch đại đến -15V bởi op-amp (vì bão hòa)
5. Bây giờ -15V được áp dụng cho thông qua phản hồi âm, nhưng nó được thêm vào 5V, do âm kép$V_{in}$
6. Vì vậy, bây giờ đầu vào vi sai là 20V và là 15V (do bão hòa)$V_{out}$
7. Có vẻ như mỗi lần op-amp sẽ đạt đến độ bão hòa, nhưng chỉ cần đảo ngược đầu ra

Tôi rõ ràng đã làm điều gì đó sai ở đây. Đầu ra sẽ không bao giờ ổn định ở mức 5V theo cách này. Làm thế nào nó thực sự làm việc?

Do những câu trả lời xuất sắc, tôi (nghĩ rằng tôi) đã hiểu hoạt động của phản hồi tiêu cực. Theo hiểu biết của tôi, đây là cách nó diễn ra:

Giả sử đơn giản rằng đầu vào là một bước hoàn hảo đến 5V (nếu không, đầu ra sẽ đi theo đầu vào thoáng qua, khiến mọi thứ 'liên tục' và khó giải thích theo các bước).

1. Ban đầu, đầu vào là 5V và ngay bây giờ đầu ra ở mức 0V và 0V đang được đưa trở lại$V_{in}$
2. Vì vậy, bây giờ điện áp vi sai là 5V. Vì mức tăng của op-amp là 10.000, nên nó sẽ muốn tạo ra công suất 50.000V (thực tế bị giới hạn bởi điện áp cung cấp), do đó đầu ra sẽ bắt đầu tăng nhanh.$(V_+ - V_-)$
3. Hãy xem xét thời điểm khi đầu ra này đạt 1V.
4. Ngay bây giờ thông tin phản hồi cũng sẽ là 1V và điện áp vi sai sẽ giảm xuống 4V. Bây giờ điện áp 'mục tiêu' của op-amp sẽ là 40.000V (vì mức tăng 10.000, và một lần nữa, giới hạn ở 15V bởi nguồn điện). Do đó, Vợi sẽ tiếp tục tăng nhanh.
5. Hãy xem xét thời điểm khi đầu ra này đạt 4V.
6. Bây giờ thông tin phản hồi cũng sẽ ở mức 4V và điện áp vi sai sẽ giảm xuống 1V. Bây giờ op-amp 'mục tiêu' là 10.000V (giới hạn ở 15V bởi nguồn cung cấp). Do đó, vẫn sẽ tiếp tục tăng.$V_{out}$

Mẫu mới nổi là: đầu vào vi sai làm tăng VOC, làm tăng điện áp phản hồi, làm giảm đầu vào vi sai, làm giảm điện áp đầu ra của mục tiêu op-amp '. Chu kỳ này là liên tục, có nghĩa là chúng ta có thể chia nó thành các khoảng thời gian ngắn hơn để điều tra. Dù sao đi nữa:

7. Hãy xem xét thời điểm khi sản lượng này đạt 4,9995V. Ngay bây giờ thông tin phản hồi là 4.9995V, vì vậy điện áp vi sai sẽ giảm xuống 0.0005V . Bây giờ mục tiêu của op-amp là .$(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Tuy nhiên , nếu op-amp đạt 4.9998V, thì bây giờ điện áp vi sai sẽ chỉ là 0,0002V. Do đó, đầu ra op-amp nên giảm xuống 2V. Tại sao điều này không xảy ra?

Tôi tin rằng cuối cùng tôi đã hiểu quá trình:

Đầu ra op-amp không thể đạt 4.9998V. Bởi vì ngay sau khi tăng trên 4.9995V, phản hồi cũng sẽ tăng, làm cho đầu vào vi sai giảm, đưa đầu ra op-amp trở lại 4.9995V.$V_{out}$

Và nếu đầu ra op-amp giảm xuống dưới 4.9995V, phản hồi sẽ giảm, làm cho điện áp vi sai tăng lên, đưa đầu ra op-amp trở lại 4.9995V.

Hai điểm cuối cùng là bản chất của phản hồi tiêu cực. đã ổn định càng gần càng tốt$V_{out}$ với . Nếu mức tăng cao hơn, chênh lệch trong và sẽ nhỏ hơn. Nếu độ lợi đạt đến vô cùng, thì điện áp đầu ra chính xác bằng điện áp đầu vào và do phản hồi chính xác bằng , sẽ có 0 điện áp vi sai và một mặt đất ảo sẽ được tạo ra giữa hai đầu vào.$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

"Vin là 5V, vì vậy Vout nên là 50.000V."

Tại sao? OpAmp khuếch đại sự khác biệt giữa các đầu vào + và -, không chỉ giá trị trên đầu vào +!

OK, bạn có thể bắt đầu bằng: đầu ra ở 0V và đầu vào (được kết nối với đầu vào +) là 5V. Những gì bạn đã làm là áp dụng một bước 5V cho đầu vào.

Bây giờ điều xảy ra là OpAmp bắt đầu tăng điện áp trên đầu ra. Nó không thể làm điều này ngay lập tức, vì vậy nó sẽ tăng 'chậm' (đối với một số giá trị khá chậm của từ từ, có tên kỹ thuật trong thế giới OpAmp: tốc độ xoay, là một đặc tính nhập khẩu của OpAmp thực). Khi đạt mức 5V, điều này được đưa trở lại đầu vào âm, tại thời điểm nó bù 5V ở đầu vào +, do đó OpAmp không còn cố gắng tăng mức đầu ra. (Để thực sự chính xác: điều này xảy ra sớm hơn một chút, khi mức chênh lệch là 5V / 10k.)

Tùy thuộc vào đặc điểm thời gian, đầu ra có thể 'từ từ' ổn định đến 5V hoặc vượt quá 5V, giảm xuống dưới 5V, v.v. (dao động theo hướng 5V). Nếu mạch được thiết kế xấu, dao động có thể tăng (và không bao giờ kết thúc).

Giải thích cơ bản nhất:

Đây là cách trực quan của tôi để hiểu một mạch op amp nhất định bằng cách nhân cách hóa. Hình ảnh một chút anh chàng bên trong op amp. Anh chàng nhỏ bé có màn hình hiển thị sự khác biệt về điện áp giữa các đầu vào + và -. Các anh chàng nhỏ bé cũng có một núm. Núm điều chỉnh điện áp đầu ra, ở đâu đó giữa các đường ray điện áp.

Mục tiêu của người bạn nhỏ của chúng tôi là tạo ra sự khác biệt giữa hai điện áp bằng không. Anh ta sẽ xoay núm cho đến khi anh ta tìm thấy điện áp trên đầu ra, dựa trên mạch bạn kết nối với nó, dẫn đến chênh lệch bằng không trên màn hình của anh ta.

Vì vậy, trong các bước "tuần tự":

1. Đầu vào của mạch đệm là 5V. Giả sử rằng núm đầu ra ban đầu ở 0V.
2. Vì đầu vào được kết nối trực tiếp với đầu ra trong cấu hình bộ đệm, sự khác biệt trên màn hình của anh chàng nhỏ là 5V. Anh ấy không vui về điều đó.
3. Anh chàng nhỏ bé bắt đầu xoay núm để tăng đầu ra điện áp. Nó càng ngày càng gần hơn.
4. Cuối cùng, khi nhìn thấy 0V trên màn hình, anh ta dừng thay đổi núm. Đầu ra bây giờ sẽ ở mức 5V.

Bên trong một Op Op lý tưởng:

Nó không thực sự là một anh chàng nhỏ bé trong một op amp: đó là toán học! Đây là một đại diện cho những gì chúng tôi đang cố gắng thực hiện trong một op amp:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Điều này sẽ đạt được những gì anh chàng nhỏ bé đã cố gắng đạt được với một số hạn chế:

• Anh chàng nhỏ bé có thể tìm ra cách xoay núm, nhưng điều này không thể. Chúng ta phải nối nó lên để tăng sản lượng làm giảm sự khác biệt.
• Sẽ có một lỗi nhỏ nếu "Rất nhiều lợi ích" không thực sự là vô cùng.
• Chúng tôi phải xem xét cẩn thận liệu mạch sẽ ổn định. Có khá nhiều về chủ đề này .

Một Op Op thực sự:

Đây là những gì một op amp thực sự (741) trông giống như bên trong:

Các bóng bán dẫn thực hiện các biểu diễn toán học ở trên.

Điều quan trọng là phải nhớ rằng có một loạt các vấn đề thực tế phải được giải quyết khi sử dụng một amp op thực sự. Đến tên một vài:

• Dòng điện thiên vị
• Tiếng ồn
• Điện áp đầu vào chế độ chung
• Sản lượng hiện tại
• Điện áp cung cấp
• Sự thât thoat năng lượng
• Hành vi năng động và ổn định

Nhưng trong tất cả các mạch op amp, tâm trí tôi luôn bắt đầu với lời giải thích "anh chàng nhỏ bé" để có ý tưởng về những gì đang diễn ra. Sau đó, nếu cần, tôi mở rộng điều này với phân tích toán học. Cuối cùng, nếu cần, tôi áp dụng kiến ​​thức thực tế về những gì cần thiết để đáp ứng yêu cầu ứng dụng.

Một opAmp hoạt động trong thời gian liên tục và không trong thời gian kín đáo. Điều này có nghĩa là không có hành động nào có thể xảy ra tức thời và hành động không xảy ra theo các bước. Ngay cả khi một công tắc được lật để kết nối điện áp với chân +, vẫn có thời gian tăng tạm thời trong đầu vào và việc đưa ra liên tục theo sau. Điều này rất thường được mô tả là hành động opAmp. Một mô hình gia vị chỉ có vậy, một mô hình. Mô hình không và không thể kết hợp tất cả các sắc thái trong opAmp. Nếu bạn muốn nghiên cứu các hiệu ứng thoáng qua của opAmp thì hãy mua nó và xem xét nó bằng máy hiện sóng. Đó là cách duy nhất bạn sẽ có thể nghiên cứu các hiệu ứng.

Trong thế giới thực, op amps có tốc độ quay hạn chế. Đối với một số loại op amps, tốc độ xoay có thể rất nhanh, nhưng nó không bao giờ hoàn toàn tức thời. Khi đầu vào "+" của op amp cao hơn, đầu ra sẽ tăng rất nhanh cho đến khi chạm tới đường ray dương hoặc đầu vào "+" không còn cao hơn đầu vào "-". Khi đầu vào "-" cao hơn, đầu ra sẽ giảm rất nhanh cho đến khi chạm tới đường ray âm hoặc đầu vào "-" không còn cao hơn đầu vào "+".

Trong hầu hết các mạch được thiết kế đúng sử dụng op amps, các khía cạnh của hành vi mạch cần thiết để đáp ứng yêu cầu phải được thỏa mãn như nhau đối với một phạm vi đáng kể của tốc độ quay đầu ra. Ví dụ, trong trường hợp theo dõi điện áp, tốc độ xoay sẽ thêm một độ trễ ngắn giữa thời gian đầu vào thay đổi và thời gian đầu ra đạt cùng giá trị, nhưng nó sẽ ảnh hưởng đến giá trị mà đầu ra đạt được.

Trên thực tế, hiện tượng bạn mô tả từng là một vấn đề thực sự, quay trở lại trong thời kỳ đen tối (những năm 1970). Bảng dữ liệu Người theo dõi điện áp LM 310 đáng kính chứa gợi ý ứng dụng (dưới cùng của trang 2) khuyến nghị điện trở đầu vào 10k ohm để duy trì sự ổn định.

Cũng lưu ý rằng đối số của bạn có thể được áp dụng cho bất kỳ mạch op amp nào và để xử lý sự phản đối của bạn đòi hỏi phải xem xét đáp ứng tần số của bộ khuếch đại, đó là cách nhiều hơn tôi có thể bao quát. Hãy nói rằng, một mặt, đầu ra không thay đổi tức thời (tốc độ quay hạn chế được đề cập bởi những người phản hồi khác, và mặt khác cũng có sự xem xét về cách thức các mạch bên trong cũng phản ứng với những thay đổi.

Những gì thực sự xảy ra đã được mô tả bởi những người khác: đầu ra đáp ứng để đưa sự khác biệt giữa hai đầu vào về 0 và nếu mạch được thiết kế đúng sẽ cuối cùng sẽ ở đó. Nhưng chỉ để cho bạn thấy rằng đối tượng phức tạp, hãy xem xét rằng nếu bạn làm chậm đầu ra quá nhiều (bằng cách đặt một tụ điện xuống đất trên đầu ra), bạn cũng có thể khiến amp dao động.

Tôi xin lỗi tôi không thể cung cấp thêm chi tiết, nhưng rõ ràng bạn cần có nhiều thông tin hơn trước khi tôi có thể cố gắng giải thích nó.

Câu trả lời chung là đầu ra của opamp sẽ xoay quanh bất kỳ điện áp nào cần thiết để các đầu vào không đảo (+) và đảo ngược (-) có cùng điện áp. Do đó, nếu đầu vào + được đặt thành 5 volt, thì đầu ra sẽ servo thành 5 volt để đầu vào - ở mức 5 volt, giả sử đường ray của opamp sẽ cho phép điều đó xảy ra.

Tuy nhiên, trong thực tế, đầu ra không bao giờ thực sự lắng xuống và luôn luôn hoạt động ở trên và dưới điện áp trên đầu vào +.

Bao nhiêu là phụ thuộc vào mức tăng và băng thông của opamp và vào mạch bên ngoài, nhưng đó là một câu hỏi hoàn toàn khác.