Операционный усилитель с отрицательной обратной связью: принципы работы и применение

Что такое отрицательная обратная связь в операционных усилителях. Как работает схема с ООС. Каковы преимущества использования отрицательной обратной связи. Какие типы схем на ОУ используют ООС.

Принцип работы операционного усилителя с отрицательной обратной связью

Отрицательная обратная связь (ООС) — один из ключевых принципов работы операционных усилителей. Но как именно она работает?

При использовании ООС часть выходного сигнала подается обратно на инвертирующий вход ОУ. Это создает самокорректирующуюся систему, которая стремится уравнять напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах.

Рассмотрим простейшую схему повторителя напряжения:

• Выход напрямую соединен с инвертирующим входом
• Входной сигнал подается на неинвертирующий вход
• ОУ стремится уравнять напряжения на входах, поэтому выходное напряжение повторяет входное

Как это работает на практике? Если входное напряжение увеличивается, то напряжение на неинвертирующем входе становится выше, чем на инвертирующем. ОУ реагирует увеличением выходного напряжения, которое через цепь ООС повышает напряжение на инвертирующем входе, пока оно не сравняется с неинвертирующим.

Преимущества использования отрицательной обратной связи в ОУ

Применение ООС дает операционным усилителям ряд важных преимуществ:

• Стабилизация коэффициента усиления
• Расширение полосы пропускания
• Снижение искажений
• Увеличение входного сопротивления
• Уменьшение выходного сопротивления

Благодаря этим свойствам схемы с ООС обладают высокой линейностью и предсказуемостью характеристик. Это позволяет создавать прецизионные усилители и другие аналоговые схемы.

Основные схемы ОУ с отрицательной обратной связью

Рассмотрим наиболее распространенные схемы включения ОУ с отрицательной обратной связью:

Инвертирующий усилитель

В этой схеме:

• Входной сигнал подается через резистор на инвертирующий вход
• Неинвертирующий вход заземлен
• Цепь ООС — резистор между выходом и инвертирующим входом

Коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений резисторов. Фаза выходного сигнала инвертирована относительно входного.

Неинвертирующий усилитель

Схема включает:

• Подачу входного сигнала на неинвертирующий вход
• Делитель напряжения в цепи ООС между выходом и инвертирующим входом

Коэффициент усиления задается резисторами делителя. Фаза выходного сигнала совпадает с входным.

Применение ОУ с отрицательной обратной связью

Благодаря своим свойствам, схемы ОУ с ООС широко используются в различных областях электроники:

• Прецизионные измерительные усилители
• Активные фильтры
• Интеграторы и дифференциаторы
• Генераторы сигналов
• Стабилизаторы напряжения и тока

Возможность точно задавать характеристики с помощью внешних компонентов делает такие схемы универсальными «строительными блоками» аналоговой электроники.

Расчет схем ОУ с отрицательной обратной связью

При проектировании схем на ОУ с ООС необходимо учитывать несколько ключевых моментов:

• Коэффициент усиления определяется резисторами цепи ООС
• Входное сопротивление зависит от типа схемы (инвертирующая/неинвертирующая)
• Выходное сопротивление близко к нулю
• Полоса пропускания обратно пропорциональна коэффициенту усиления

Для точных расчетов нужно также учитывать неидеальность реальных ОУ — входные токи, напряжение смещения, частотные свойства.

Отличия схем с ООС от схем без обратной связи

Как изменяются характеристики ОУ при введении отрицательной обратной связи?

• Уменьшается коэффициент усиления
• Расширяется полоса пропускания
• Стабилизируются параметры схемы
• Снижаются нелинейные искажения
• Уменьшается выходное сопротивление

Таким образом, ООС позволяет «пожертвовать» частью усиления ради улучшения других важных характеристик.

Частотная коррекция в схемах ОУ с ООС

Для обеспечения устойчивой работы в схемах ОУ с глубокой ООС применяется частотная коррекция. Ее основные методы:

• Внутренняя коррекция (встроенная в ОУ)
• Внешняя RC-цепь в петле ООС
• Емкость между выходом и инвертирующим входом

Правильно выполненная коррекция обеспечивает стабильность схемы во всем рабочем диапазоне частот.

Отрицательная обратная связь

Добавлено 22 ноября 2018 в 09:21

Если мы соединим выход операционного усилителя с его инвертирующим входом и подадим напряжение сигнала на неинвертирующий вход, мы обнаружим, что выходное напряжение операционного усилителя близко повторяет входное напряжение (для упрощения на схеме не показаны источник питания, выводы +V/-V и условное обозначение земли).

Отрицательная обратная связь

По мере увеличения V_вх, напряжение V_вых будет увеличиваться в соответствии с дифференциальным коэффициентом усиления. Однако, по мере того, как V_вых увеличивается, это выходное напряжение подается обратно на инвертирующий вход, тем самым воздействуя на уменьшение разности напряжений между входами, что приводит к уменьшению выходного напряжения. Что произойдет для любого заданного входного напряжения, так это то, что операционный усилитель будет выдавать напряжение, почти равное V_вх, но достаточно низкое, чтобы между V_вх и входом (-) была разность напряжений, достаточная для усиления, чтобы генерировать выходное напряжение.

Схема быстро достигнет точки стабильности (известной в физике как равновесие), где выходное напряжение является только величиной, правильной для поддержания подходящей величины разности напряжений, которая в свою очередь, создает подходящую величину выходного напряжения. Взятие выходного напряжения усилителя и подача его на инвертирующий вход – это метод, известный как отрицательная обратная связь, и ключ к созданию самостабилизирующейся системы (это справедливо не только для операционных усилителей, но и для любой динамической системы в целом). Эта стабильность дает операционному усилителю возможность работать в линейном (активном) режиме, а не просто насыщаться, полностью «включаясь» или «выключаясь», как это было при использовании ОУ в качестве компаратора, без обратной связи вовсе.

Поскольку коэффициент усиления ОУ настолько высок, напряжение на инвертирующем входе может поддерживаться почти равным Vвх. Предположим, что наш операционный усилитель имеет дифференциальный коэффициент усиления 200000. Если V_вх равно 6 вольт, выходное напряжение будет равно 5,999970000149999 вольт. Это создает достаточное дифференциальное напряжение (6 вольт — 5,999970000149999 вольт = 29,99985 мкВ), чтобы на выходном выводе появлялось напряжение 5,999970000149999 вольт, и система сохранялась в состоянии равновесия. Как вы можете видеть, 29,99985 мкВ – это не такая большая разница, поэтому для практических расчетов можно предположить, что дифференциальное напряжение между двумя входными выводами удерживается отрицательной обратной связью точно на 0 вольт.

Эффект от отрицательной обратной связиЭффект от отрицательной обратной связи (округленные значения)

Одно большое преимущество использования операционного усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что фактический коэффициент по напряжению операционного усилителя не имеет значения, если он очень велик. Если дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя был бы равен 250000, вместо 200000, это означало лишь только то, что выходное напряжение находилось бы чуть ближе к V_вх (для создания необходимого выходного напряжения требовалось бы меньшее дифференциальное напряжение между входами). В только что показанной схеме выходное напряжение будет (для всех практических целей) равным напряжению на неинвертирующем входе. Таким образом, чтобы разработчик схемы мог построить схему с точным коэффициентом усиления, коэффициенты усиления операционных усилителей не обязательно должны точно выставляться на заводе. Отрицательная обратная связь делает систему самокорректирующейся. Приведенная выше схема в целом просто повторяет входное напряжение со стабильным коэффициентом усиления 1.

Возвращаясь к нашей модели дифференциального усилителя, мы можем думать о том, что операционный усилитель является источником изменяемого напряжения, контролируемым чрезвычайно чувствительным детектором нуля, типа стрелочного индикатора или другого чувствительного измерительного прибора, используемого в мостовых схемах для детектирования состояния баланса (нуля вольт). «Потенциометр» внутри операционного усилителя, создавая изменяемое напряжение, будет перемещаться в какое-либо положение, необходимое для «баланса» напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах, чтобы на «детекторе нуля» было нулевое напряжение:

Модель операционного усилителя, охваченная отрицательной обратной связью

По мере того, как «потенциометр» будет двигаться, чтобы обеспечить выходное напряжение, необходимое для удовлетворения «индикации» нуля вольт на «детекторе нуля», выходное напряжение будет становиться равным входному напряжению (в этом случае 6 вольт). Если входное напряжение изменится, «потенциометр» внутри операционного усилителя изменит положение, чтобы удерживать «детектор нуля» в равновесии (с индикацией нуля вольт), что приводит к выходному напряжению всегда приблизительно равному входному напряжению.

Это справедливо в диапазоне напряжений, которые операционный усилитель может выдавать на выходе. При напряжении питания +15В/-15В и идеальном усилителе, который может изменять свое выходное напряжение до таких же пределов, он будет точно «повторять» входное напряжение в пределах от +15 вольт до -15 вольт. По этой причине приведенная выше схема известна как повторитель напряжения. Как и его однотранзисторный аналог, усилитель с общим коллектором («эмиттерный повторитель»), он имеет коэффициент усиления по напряжению 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 возможностей сигналов напряжения, которые слишком слабы (имеют слишком высокое сопротивление источника), чтобы непосредственно запитывать нагрузку. Модель операционного усилителя, показанная на последней иллюстрации, показывает, как выходное напряжение, по сути, изолировано от входного напряжения, поэтому ток на выходном выводе обеспечивается вовсе не источником входного напряжения, а на самом деле источником питания, питающим операционный усилитель.

Следует упомянуть, что многие операционные усилители не могут раскачивать свое выходное напряжение точно до напряжений +V/-V на шинах питания. Модель 741 является одной из тех, которые этого не могут: при насыщении выходное напряжение этого операционного усилителя в пике не доходит примерно на один вольт до напряжения источника питания +V и на два вольта до напряжения источника питания -V. Следовательно, при двуполярном источнике питания +15/-15 вольт выходное напряжение этого операционного усилителя может достигать +14 вольт в максимуме и -13 вольт в минимуме (приблизительно), но не более того. Это связано с его конструкцией на биполярных транзисторах. 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 оконечном выходном каскаде, имеют возможность раскачивать свои выходные напряжения в пределах милливольт от напряжений на шинах своих источников питания. Следовательно, их положительное и отрицательное напряжения насыщения практически равны напряжениям питания.

Резюме

• Подключение выхода операционного усилителя к его инвертирующему (-) входу называется отрицательной обратной связью. Этот термин может широко применяться в любой динамической системе, где каким-то образом выходной сигнал «подается обратно» на вход, чтобы достичь точки равновесия (баланса).
• Когда выход операционного усилителя напрямую подключен к его инвертирующему (-) входу, получается повторитель напряжения. Независимо от того, какое подается напряжение сигнала, напряжение на выходе будет таким же, как неинвертирующем (+) входе.
• Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет пытаться довести свое выходное напряжение до любого уровня, необходимого, чтобы дифференциальное напряжение между двумя входами было практически равно нулю. Чем выше дифференциальный коэффициент усиления ОУ, тем ближе это дифференциальное напряжение к нулю.
• Некоторые операционные усилители не могут при насыщении обеспечить выходное напряжение, равное их напряжению питания. Модель 741 является одной из них. Верхний и нижний пределы колебания выходного напряжения ОУ известны как положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения соответственно.

Оригинал статьи:

• Negative Feedback

Теги

ОбучениеОтрицательная обратная связьОУ (операционный усилитель)Электроника

Назад

Оглавление

Вперед

Введение. Модель идеального операционного усилителя / Хабр

Даже после появления цифровых вычислительных машин вычисления и обработка сигналов зачастую производились средствами аналоговой электроники.

Основу этих устройств составляли операционные усилители.

Операционные усилители как класс появились в качестве унифицированных элементов аналоговых вычислительных машин (АВМ) после Второй Мировой войны. На них собирались звенья, производящие математические операции: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.п. Слово «операционный» в названии появилось в силу этого факта. В качестве входного сигнала использовалось напряжение.

Вычисления могли быть достаточно сложными и требовать большого количества звеньев, что выдвигало достаточно жёсткие требования к унификации и стабильности характеристик операционных усилителей. Выполнение требований стабильности характеристик достигалось введением в схемы звеньев отрицательной обратной связи (ООС). Для унифицированных операционных усилителей применялась внешняя обратная связь. Характеристики такого звена определялись исключительно параметрами цепи обратной связи.

Массовое применение операционных усилителей началось со второй половины 60-х годов прошлого века, когда был налажен серийный выпуск относительно недорогих интегральных ОУ. Использование микросхем операционных усилителей стало тогда экономически целесообразным сначала в промышленной электронике, а затем и в бытовой технике.

В качестве КДПВ использована фотография советского аналога операционного усилителя LM101, одного из первых массовых интегральных ОУ.

▍ Идеальный операционный усилитель

Обычно операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, и один выход. ОУ усиливает разность напряжений на входах. Коэффициент передачи операционного усилителя с отключенной ООС – порядка 10⁴…10⁶ (80…120 dB) в цепях постоянного тока.

Принцип действия ОУ наиболее наглядно раскрывается на модели «идеального операционного усилителя». Модель обладает следующими свойствами:

1. Входы идеального ОУ не оказывают влияния на входные сигналы и имеют бесконечно большое сопротивление и бесконечно малую ёмкость.
2. Выход идеального ОУ имеет нулевое сопротивление и может обеспечить на нагрузке любое напряжение и любой ток.
3. Коэффициент передачи идеального ОУ стремится к бесконечности и не зависит от частоты входных сигналов.
4. Время задержки распространения сигнала в идеальном ОУ равно нулю, сдвиг фаз отсутствует.
5. Охваченный ООС идеальный ОУ стремится установить равное напряжение на входах.

Схема операционного усилителя без обратной связи представлена ниже:

Идеальный ОУ, включенный без обратной связи, работает следующим образом: напряжение на выходе равно разности напряжений на входах, умноженной на коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

Выразим разность напряжений на входах идеального ОУ через напряжение на выходе и коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

Поскольку, согласно свойству 3 модели идеального операционного усилителя коэффициент передачи G_о стремится к бесконечности, получаем подтверждение свойства 5 модели и для идеального ОУ, неохваченного ООС:

▍ Идеальный инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель является пропорциональным (усилительным) звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U_вх- равно напряжению на неинвертирующем входе U_вх+. Поскольку, неинвертирующий вход ОУ подключен к общему проводу, на инвертирующем входе образуется потенциал 0 В.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, инвертирующий вход ток не потребляет, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U_вх, падение напряжения на резисторе R2 равно напряжению U_вых, токи через резисторы делителя равны.

Получаем следующее соотношение:

из которого следует:

Согласно формуле ^(5), коэффициент передачи инвертирующего усилителя:

Из формулы ⁽⁶⁾ видно, что коэффициент передачи идеального инвертирующего усилителя может быть в пределах от 0 до — ∞.

Входной импеданс идеального инвертирующего усилителя равен сопротивлению резистора R1, поскольку, согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ входы не потребляют ток, и на инвертирующем входе установлен потенциал 0 В согласно свойству 5.

При равенстве сопротивлений резисторов в цепи обратной связи получаем инвертирующий повторитель.

При соотношении сопротивлений резисторов R1 > R2 схема работает как инвертирующий аттенюатор, т.е. начинает «ослаблять» входной сигнал.

▍ Идеальный неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель, как и инвертирующий усилитель, является пропорциональным звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2. Сигнал с делителя напряжения подаётся на инвертирующий вход:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U_вх- равно напряжению на неинвертирующем входе U_вх+. При этом U_вх+ равно входному напряжению U_вх.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, входы ОУ ток не потребляют, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U_вх, а падение напряжения на последовательно включенных резисторах делителя напряжения R1 и R2 равно напряжению U_вых.

Получаем следующее соотношение:

Согласно формуле ⁽⁷⁾, коэффициент передачи неинвертирующего усилителя:

Из формулы ⁽⁸⁾ видно, что коэффициент передачи идеального неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы.

Входной импеданс идеального неинвертирующего усилителя равен импедансу неинвертирующего входа, который согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ стремится к бесконечности.

Частным случаем схемы неинвертирующего усилителя на ОУ является схема повторителя, где сопротивление R1 = ∞, а R2 = 0:

Схема имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет согласовать, например, высокоомный источник сигнала с низкоомной нагрузкой.

▍ Сравнение схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Обе схемы усилителей, инвертирующего и неинвертирующего, являются пропорциональными звеньями, осуществляющими операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Принципиальные различия между схемами заключаются в том, что:

1. Инвертирующий усилитель изменяет знак входного сигнала, а неинвертирующий усилитель знак входного сигнала не изменяет.
2. Коэффициент передачи инвертирующего усилителя может быть меньше единицы, а коэффициент передачи неинвертирующего усилителя меньше единицы быть не может.
3. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным сопротивлением применённого ОУ, а входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резисторов в цепи обратной связи.

Исходя из вышесказанного, инвертирующие усилители целесообразно применять в схемах, требующих согласования с низкоомными источниками сигнала, а неинвертирующие – для согласования с высоомными источниками сигнала, а также на входах измерительных устройств для минимизации влияния на измеряемый сигнал.

Увеличение входного сопротивления инвертирующего усилителя резистором R1 требует пропорционального коэффициенту передачи k увеличения сопротивления резистора R2. Предотвратить чрезмерное увеличение сопротивления резистора R2 можно применением в цепи ООС усилителя Т-моста:

Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с Т-мостом:

Входное сопротивление инвертирующего усилителя с Т-мостом приблизительно равно сопротивлению резистора R1.

При k = 10 и сопротивлении R1 = 500 кОм в схеме инвертирующего усилителя с делителем напряжения в цепи обратной связи сопротивление резистора R2 должно быть 5 МОм.

В случае инвертирующего усилителя с Т-мостом, при k = 10, сопротивлении R1 = 499 кОм и сопротивлении R4 = 100 Ом, сопротивление резисторов R2 и R3 будет равно 22.6 кОм. Расчёт цепи обратной связи в этом случае сложней, но применение Т-моста в цепи обратной связи при больших значениях сопротивления резистора R1 обеспечивает более стабильную работу усилителя.

▍ От автора

Данный цикл публикаций состоит из семи частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель. < — Вы тут
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения.
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.
7. Операционные усилители на лампах.

Использованные источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991

Положительная и отрицательная обратная связь в схемах операционных усилителей и их практическое применение. Из-за их универсальности требуется всего несколько внешних компонентов, чтобы настроить их для выполнения широкого круга задач, таких как усиление, сложение, вычитание, умножение, интегрирование и т. д. функции.

Эта функциональность связана с тем, что они используют обратную связь , что означает выборку части вывода и добавление или вычитание ее из ввода для достижения желаемого результата.

Существует два типа обратной связи, положительная обратная связь и отрицательная обратная связь в операционных усилителях , , оба из которых будут подробно рассмотрены в этой статье.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

Отрицательная обратная связь берет часть выходного сигнала и вычитает его из входного таким образом, чтобы выходной сигнал находился в равновесии со входным. Это означает, что за любым изменением на входе следует аналогичное изменение на выходе.

Простейшим примером отрицательной обратной связи является повторитель операционного усилителя. В этом случае инвертирующий вход соединен с выходом, а неинвертирующий вход служит сигнальным входом.

Следуя правилам поведения операционного усилителя, когда операционный усилитель пытается поддерживать разность напряжений 0 В на инвертирующем и неинвертирующем входах, мы можем понять, что выход следует за входом для поддержания этого 0 В разница, отсюда и название последователя.

Если бы на входе этой схемы было 1 В, то на выходе также было бы 1 В, так как выход напрямую подключен к инвертирующему входу, поэтому разница напряжений между инвертирующим и неинвертирующим выводами составляет 0 В.

Если вы внимательно заметили, то поймете, что усиление описанной схемы равно 1, поскольку отношение входного напряжения к выходному напряжению равно 1.

В демонстрационных целях эта схема была построена с использованием Операционный усилитель LM741, питаемый от шины ±12 В с входом треугольной волны (от генератора треугольной волны, сделанного в предыдущей статье).

На приведенном выше рисунке показаны осциллограммы схемы: желтая осциллограмма — это вход, а синяя — это выход. Выход является копией входа, поэтому мы знаем, что повторитель работает. Обратите внимание на одинаковую вертикальную шкалу на обоих каналах.

Что делать, если нам нужно усиление, отличное от 1? Это можно сделать, добавив к выходу делитель напряжения и подключив инвертирующий вход к середине делителя. Неинвертирующий вход, как обычно, служит сигнальным входом.

В этом случае оба резистора имеют одинаковое значение. Если входной сигнал снова равен 1 В, то операционный усилитель попытается изменить выходной сигнал таким образом, чтобы на инвертирующем входе было 1 В, чтобы поддерживать дифференциал 0 В на своем входе.

Для этого на выходе должно быть 2 В, чтобы на выходе делителя напряжения (и, следовательно, на инвертирующем входе) было 1 В.

Эта схема имеет коэффициент усиления 2 — она умножает входное напряжение в 2 раза. в качестве усилителя, и эта конфигурация является классическим неинвертирующим усилителем.

Предыдущая схема повторителя была изменена путем добавления двух резисторов, и ясно видно, что выходное напряжение схемы в два раза превышает входное напряжение.

Сигналы осциллографа, показанные на рисунке выше, показывают, как выходной сигнал, который является синим сигналом, в два раза превышает амплитуду входного сигнала, который является желтым сигналом.

Обратите внимание на искажение выходного сигнала из-за ограничения скорости нарастания операционного усилителя . Коэффициент усиления обеих описанных схем намного меньше, чем у без обратной связи самого операционного усилителя , поэтому можно сказать, что отрицательная обратная связь снижает общий коэффициент усиления системы в обмен на стабильность.

Операционные усилители с отрицательной обратной связью:

Операционные усилители Отрицательная обратная связь находит применение в основном в усилителях, где вход умножается на коэффициент, называемый усилением , а выход должен быть линейным и стабильным при изменении вход.

Положительная обратная связь в ОУ

Схема неинвертирующего усилителя может быть немного изменена, чтобы создать схему с положительной обратной связью.

Инвертирующий и неинвертирующий входы операционных усилителей переключаются таким образом, что инвертирующий вход становится сигнальным входом, а неинвертирующий вход становится контактом, который получает обратную связь с выхода через делитель напряжения.

Теперь, когда напряжение на входе становится выше, чем напряжение на неинвертирующем входе, выход становится низким. Поскольку операционный усилитель питается от шины ± 12 В, выходное напряжение составляет -12 В, а, следовательно, неинвертирующий вход — -6 В.

Теперь выход остается зафиксированным на уровне -12 В до тех пор, пока входной сигнал не опустится ниже -6 В, после чего выходной сигнал становится высоким до 12 В, что дает 6 В на неинвертирующем входе.

Теперь вход должен пересечь 6 В, чтобы выход снова изменил состояние.

В отличие от конфигурации с неинвертирующим усилителем, этот выход этой схемы не поддерживает равновесие со входом, а вместо этого насыщает любую шину питания нелинейным образом.

Применение операционных усилителей с положительной обратной связью:

Отсюда можно сделать вывод, что положительная обратная связь резко увеличивает коэффициент усиления системы, но не является стабильной и имеет только два состояния. Следовательно, положительная обратная связь не может использоваться для создания усилителя, поскольку обратная связь сильно нелинейна.

Лучший способ продемонстрировать операционный усилитель с положительной обратной связью — генератор с положительной обратной связью . Если мы модифицировали предыдущую схему, добавив конденсатор между инвертирующим входом и землей и резистор между инвертирующим входом и выходом, мы можем сделать простой генератор релаксации .

Осциллограмма на приведенном выше рисунке показывает выход генератора в желтом канале и напряжение на неинвертирующем входе в синем канале. Как видите, пороговое напряжение на неинвертирующем входе меняется с каждым циклом генератора, как описано в тексте выше, между +6В и -6В.

В статье мы постарались осветить положительные и отрицательные отзывы, а также то, как они работают, описаны простые схемы для их демонстрации и практические применения.

Что такое усилитель отрицательной обратной связи? Схема неинвертирующего операционного усилителя

Базовая электроникаПримечания и статьи по электротехнике и электронике

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью и Схема неинвертирующего операционного усилителя

Содержание

1. Что такое обратная связь?

Обратная связь считается неотъемлемой частью нашей жизни. Попробуйте закрыть глаза и соединить пальцы. В первый раз у вас может не получиться, потому что вы разорвали петлю обратной связи, которая обычно регулирует ваши движения.

в электронике. Контуры обратной связи усилителя используются для управления выходом электронных устройств, где выходной сигнал используется в качестве входного сигнала.

Регулирующая роль обратной связи проявляется в электронных, биологических и механических системах, обеспечивая точную реализацию функций.

мы попытаемся представить общую структуру отрицательной обратной связи. Более конкретно, мы сосредоточимся на усилителе отрицательной обратной связи.

• Связанная статья: Тиристорный и кремниевый выпрямитель (SCR) — применение тиристоров

2. Усилитель отрицательной обратной связи:

Простыми словами. Обратная связь называется отрицательной обратной связью, если выходной сигнал противоположен по величине или фазе (т. е. не в фазе или противофазе) входному сигналу.

Слово «усилитель» здесь немного вводит в заблуждение, эта структура не ограничивается только увеличением амплитуды сигнала. Этот усилитель может быть системой с единичным усилением (A=1), которая используется для улучшения входного или выходного импеданса схемы, или может быть фильтром, который пропускает определенные частоты, блокируя другие.

• Связанный пост: Разница между реальной землей и виртуальной землей в операционном усилителе с отрицательной обратной связью

2.1-Блок-схема усилителя с обратной связью

Вычитая фактическое выходное значение, умноженное на обратную связь β, из исходного сигнала и используя результат вычитания в качестве входного сигнала для усилителя без обратной связи (A), мы можем точно управлять выходом, даже когда связь между входом и выходом сложна.

Параметры здесь A и β. Так что же такое A и β?
A: это усиление без обратной связи, которое будет применяться во всей системе при отсутствии обратной связи.
β: коэффициент обратной связи, определяющий, какая часть выходного сигнала возвращается обратно в узел вычитания для вычитания из источника. Это должно становиться все более и более ясным, когда вы думаете о базовой схеме неинвертирующего операционного усилителя:

• Связанный пост: Контур фазовой автоподстройки частоты — его работа, характеристики и применение

2.2- Схема неинвертирующего операционного усилителя:

Два резистора (R ₁ и R ₂ ), которые мы используем для управления усилением, представляют собой не более чем сеть делителей, которая возвращает процент выходного сигнала на операционный усилитель, а именно на инвертирующий вывод. операционного усилителя.

Напряжение на выходном сопротивлении выражается соотношением R ₁ / (R ₁ + R ₂ ), которое равно (B), умноженное на напряжение на паре сопротивлений. Таким образом, процент выходных данных, переданных обратно и вычтенных из входных данных, т. е. коэффициент обратной связи β равен R ₁ /(R ₁ + R ₂ ). Стоит хорошо понять эту концепцию, потому что β будет доминирующим фактором, когда мы будем обсуждать стабильность.

• Запись по теме: Квантование и сэмплирование? Типы и законы сжатия

3- Примечания об усилении (A) и коэффициенте обратной связи (β):

Они не должны быть постоянными, как в A = 10 ⁵ и β = 0,01. Они также могут быть представлены как функция частоты, это означает, что значение A или β изменяется в зависимости от частоты входного сигнала, проходящего через усилитель (другими словами, зависит от частоты).

• Запись по теме: Введение в сигналы, типы, свойства, операции и применение

3.1- Уравнения обратной связи:

Теперь мы кратко поясним некоторые соотношения и формулы, которые помогут лучше понять поведение усилителя обратной связи. Во-первых, это математическая формула коэффициента обратной связи β:

. Это просто отношение между  и выходом. Далее идет прямая связь между входом и выходом,

выход = A × вход

3.2- Уравнения отрицательной обратной связи:

Еще одно более интересное соотношение — уравнение усиления замкнутого контура (G _CL ), т. е. общее усиление усилителя при отрицательном значении. обратная связь есть.

Это соотношение очень простое. В усилителях с обратной связью член Aβ (называемый коэффициентом усиления без обратной связи) больше 1,
, например, с коэффициентом усиления операционного усилителя без обратной связи, равным 10 ⁵ и коэффициент обратной связи (β) 0,01, усиление контура составляет 10 ³ . Путем дальнейшего приближения мы можем упростить выражение для усиления в замкнутом контуре следующим образом: показано выше, также мы помним, что уравнение усиления для неинвертирующего усилителя (G _NI ) равно 1 + (R ₂ /R ₁ ):

• Связанный пост: Электронный проект управления светофором с использованием ИС 4017 и 555 Таймер

4- Улучшение полосы пропускания и чувствительности усиления:

4. 1- Улучшение чувствительности:

Мы уже упоминали способность обратной связи сделать усилитель зависимым от β вместо A, поэтому

усиление замкнутого контура плюс цепь обратной связи гораздо менее чувствительны к изменениям усиления разомкнутого контура.

 Есть еще одна вещь, которую мы еще явно не обсуждали, заключается в том, что большая десенсибилизация достигается, когда усиление разомкнутого контура больше, а усиление замкнутого контура меньше. Вспомните уравнение усиления замкнутого контура.

Мы можем ясно видеть, что любое изменение A делится на член (1 + Aβ), прежде чем оно повлияет на усиление обратной связи. Приложив немного математики, можно доказать, что отношение G _{CL,старый} /G _{CL,новый} уменьшается на коэффициент (1 + Aβ) по сравнению с A _старый /A _новый . так, когда коэффициент усиления А очень велик, как в стандартных операционных усилителях, а β ограничен стандартными значениями, например, не менее 0,01, что соответствует коэффициенту усиления 1000, член (1 + Aβ) достаточно велик чтобы быть уверенным, что на усиление замкнутого контура не сильно влияют изменения A.

• Сообщение по теме: Модуляция — классификация и типы аналоговой модуляции

4.1.1- Пример улучшения чувствительности операционного усилителя:

Например, предположим, что усиление разомкнутого контура операционного усилителя увеличивается или уменьшается на 10 % в результате изменения температуры, например, с усилением без обратной связи 100 000. Сеть обратной связи рассчитана на коэффициент усиления 10.

Можно с уверенностью сказать, что коэффициент 0,00009 не сильно повлияет на большинство систем.V/V увеличивает или уменьшает коэффициент усиления усилителя.

• Связанная запись: приобретение оператора связи, потребность в приобретении оператора связи и методы

4.2- Увеличение полосы пропускания операционного усилителя:

Как упоминалось ранее, реальные усилители не имеют единого значения коэффициента усиления, применимого к сигналам любой частоты. Большинство операционных усилителей имеют внутреннюю компенсацию, чтобы сделать их более стабильными, что приводит к снижению коэффициента усиления разомкнутого контура на 20 дБ/декаду, начиная с очень низких частот. И даже в устройствах, предназначенных для работы на высоких частотах, паразитные емкости и индуктивности в конечном итоге приведут к падению коэффициента усиления. Таким образом, с помощью отрицательной обратной связи вы можете преодолеть это ограничение пропускной способности.

По той причине, что мы рассматриваем частотную характеристику усилителя, мы должны изменить уравнение усиления замкнутого контура следующим образом, где G _{CL, LF} и A _LF обозначают усиление замкнутого контура и разомкнутого контура при намного более низкие частоты, чем частота среза разомкнутого контура.

Здесь интересно то, что происходит с частотной характеристикой. Если вы построите график и проанализируете усиление замкнутого контура как функцию частоты, вы, очевидно, обнаружите, что частота среза замкнутого контура (f _C,CL ) связан с частотой среза разомкнутого контура (f _C,OL ) следующим образом:

Таким образом, мы фактически получаем более полезную полосу пропускания в усилителе плюс цепь обратной связи.