Tại sao phản hồi cần thiết trong các mạch op-amp?

Tôi hiểu rằng, để op-amp hoạt động chính xác, cần có vòng phản hồi DC từ đầu ra đến đầu vào đảo ngược hoặc đầu vào không đảo ngược (tùy thuộc vào mạch ngoài).

Mục đích của phản hồi DC khi sử dụng op-amps là gì? Tại sao nó lại cần thiết và những hiệu ứng sẽ ra sao nếu không có nó?

Một opamp lý tưởng có lợi ích vô hạn. Nó khuếch đại sự khác biệt về điện áp giữa các chân + và -. Tất nhiên trong thực tế mức tăng này không phải là vô hạn, nhưng vẫn còn khá lớn.

Đầu ra của opamp (tại một số mức độ cũng là đầu vào) bị hạn chế bởi nguồn cung cấp, chúng ta không thể thoát ra nhiều hơn nguồn cung cấp.

Nếu chúng ta chỉ cần đặt tín hiệu vào opamp mà không có phản hồi, nó sẽ nhân chúng với vô hạn và nhận được đầu ra nhị phân (nó sẽ bão hòa tại đường ray cung cấp)

Vì vậy, chúng ta cần một số cách để kiểm soát mức tăng. Đó là những gì phản hồi làm.

Phản hồi (DC cũng như AC) lấy một phần của đầu ra được khuếch đại từ đầu vào, sao cho mức tăng bị hạn chế nhiều hơn bởi mạng phản hồi, có thể dự đoán được, và ít hơn nhiều bởi mức tăng vòng lặp mở lớn (và không thể đoán trước).

Ngay cả trong mạch chỉ AC, chúng ta vẫn cần phản hồi hoạt động ở DC (zero Hz) hoặc mức tăng sẽ chỉ là của vòng lặp mở cho tín hiệu DC. Tín hiệu AC của bạn mặc dù bị hạn chế sẽ bị ngập bởi mức tăng vòng lặp DC.

Bạn đã biết rằng một opamp có khuếch đại vòng hở rất cao, thường là 100 000 lần. Hãy xem xét tình huống phản hồi đơn giản nhất:

Opamp sẽ khuếch đại sự khác biệt giữa và V - : $V_+$$V_-$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$

Bây giờ và V - = V O U T , sau đó$V_+ = V_{IN}$$V- = V_{OUT}$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - V_{OUT})$

hoặc, sắp xếp lại:

$V_{OUT} = \dfrac{100 000}{100 000 + 1} \times V_{IN}$

Điều đó cũng tốt như

$V_{OUT} = V_{IN}$

Đây là một tín hiệu điện áp , a $\times$ bộ khuếch đại 1, phần lớn được sử dụng để có trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp.

Phản hồi làm giảm vòng hở khuếch đại rất cao để 1. Lưu ý rằng khuếch đại cao là cần thiết để có được V O U T càng gần càng tốt để V I N .$\times$$V_{OUT}$$V_{IN}$

chỉnh sửa
Bây giờ bằng cách sử dụng chỉ một phần điện áp đầu ra trong phản hồi, chúng ta có thể điều khiển khuếch đại.

Lần nữa

, $V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$

nhưng bây giờ và V - = R $V_+ = V_{IN}$$V- = \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT}$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT})$

Hoặc là:

$V_{OUT} = \dfrac{100000 \times V_{IN}}{\dfrac{R1}{R1+R2} \times 100000 + 1}$

Thuật ngữ "1" có thể được bỏ qua, do đó

$V_{OUT} = \dfrac{R1+R2}{R1} \times V_{IN}$

Lưu ý rằng trong cả bộ theo dõi điện áp và bộ khuếch đại không đảo ngược này, hệ số khuếch đại thực tế của các bộ hủy opamp miễn là nó đủ cao (>> 1).

Op-amp lý tưởng có mức tăng vô hạn, và điều này ít được sử dụng trong các thiết bị điện tử tương tự. Các phản hồi được sử dụng để hạn chế mức tăng của mạch. Bạn có thể tìm thấy nhiều ví dụ trong bài viết wiki .

Hãy xem xét vòng phản hồi đơn giản:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

$Vout = A \cdot Vin - A \cdot F \cdot Vout$

$Av = \frac{Vout}{Vin} = \frac{A}{1+AF}$

Trong trường hợp của op-amp, mức tăng của nó xác định A: nó sẽ là một chức năng khá khó chịu, bởi vì các bộ khuếch đại này được tạo ra chỉ để mang lại lợi ích tàn bạo, và sẽ không có chức năng tuyến tính tốt. May mắn thay, nếu bạn nhìn vào Av, nếu A đủ lớn, nó sẽ hủy 1và tự để lại 1 / F để xác định mức tăng.

Trong trường hợp bộ khuếch đại không đảo, khối F là một bộ chia điện áp, vì vậy nó sẽ có dạng như 1 / X. Điều này sẽ đặt mức tăng của bộ khuếch đại thành X.

Trong trường hợp op-amps thực, A sẽ không phải là vô hạn, nhưng đủ lớn để cho phép hủy nó trong phương trình khuếch đại DC. Và những lợi thế của thông tin phản hồi thậm chí còn nhiều hơn, như tăng băng thông, tuyến tính, tỷ lệ S / N và nhiều hơn nữa. Ví dụ, trong một vòng khép kín, mức tăng chỉ được xác định bằng nghịch đảo của mức tăng phản hồi, với điều kiện là mức tăng op-amp đủ lớn.

Trên thực tế, một điện trở chỉ không hữu ích như một phản hồi, vì nó hoạt động giống như một mạch ngắn. Một bộ chia điện áp xuống đất làm cho nó hoạt động giống như một hệ số nhân tỷ lệ cố định của cùng một yếu tố (với cùng lý do đã đề cập ở trên).

Mục đích của phản hồi DC là xác định những gì bạn muốn op-amp làm, tức là điện áp đầu ra của nó sẽ là gì. Không có nó, đầu ra sẽ tăng hoặc giảm cho đến khi chạm đường ray điện.

Điều này có thể hữu ích, và có một thị trường lớn cho các op-amps chuyên hoạt động theo cách này, được gọi là "bộ so sánh".

Một bộ so sánh rất đơn giản: nếu đầu vào + lớn hơn đầu vào - thì đầu ra là + Vcc. Nếu không, đầu ra là −Vee. Biểu tượng sơ đồ giống như một op-amp và chúng thậm chí có thể đủ nỗ lực để được làm việc trong cả hai vai trò, nhưng trên thực tế, hai loại này rất chuyên dụng và những nỗ lực đó không thực sự xứng đáng.

Với đường dẫn phản hồi DC, op-amp có thể ổn định tại một số điểm khác với "đầu ra cứng so với đường ray" và mạch thường được thiết kế để tìm điểm đó.

Thay vì suy nghĩ về nó một cách tĩnh, hãy nghĩ về op-amp như một nhà tích hợp. Bất cứ khi nào đầu vào + của nó lớn hơn đầu vào của nó, đầu ra của op-amp sẽ tăng lên nhanh chóng. Sự gia tăng này phải là đầu vào gần nhau hơn, cuối cùng dừng lại khi chúng bằng nhau. Tương tự, + đầu vào nhỏ hơn - đầu vào sẽ khiến đầu ra giảm. Thông tin phản hồi thường là cho - đầu vào vì đó là cách đơn giản nhất để tạo ra một mạch hoạt động theo cách này.

Bộ khuếch đại lỗi cung cấp điện điển hình không có đường dẫn phản hồi DC:

Tôi có thể đảm bảo với bạn, tuy nhiên, bộ khuếch đại này hoạt động khá tốt.

Hình dung bộ khuếch đại lỗi này điều khiển bộ chuyển đổi buck . Vcomp sẽ được sử dụng để điều khiển chu kỳ làm việc của một công tắc, điều khiển dòng điện qua một cuộn cảm và điều khiển Vout. Khi Vcomp tăng, chu kỳ nhiệm vụ cũng tăng, khiến Vout tăng và Vcomp giảm. Mạng bù sẽ tăng hoặc giảm Vcomp một cách có kiểm soát, để buộc Vout khớp với Vref (gần như opamp sẽ cho phép).

[Tất nhiên, tàu điện đang cung cấp một số ngữ nghĩa của phản hồi DC, nhưng tôi lạc đề :)]

Phản hồi DC trong op-amp sử dụng do tính ổn định, cũng như mức tăng op-amp quá cao nên chúng tôi sử dụng phản hồi để có mức tăng cụ thể trong đầu ra