Warum ist in Operationsverstärkerschaltungen eine Rückkopplung erforderlich?

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Ich verstehe, dass für die korrekte Funktion eines Operationsverstärkers eine DC-Rückkopplungsschleife vom Ausgang zum invertierenden oder nicht invertierenden Eingang (abhängig von der externen Schaltung) erforderlich ist.

Was ist der Zweck der DC-Rückkopplung bei Verwendung von Operationsverstärkern? Warum ist es notwendig und was wären die Auswirkungen ohne es?

user1083734
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Es ist eine Verschwörung eines Konsortiums von Widerstandsherstellern.
Olin Lathrop
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Weil es überraschend gut funktioniert. Die meisten Ingenieure haben diese Erfahrung nicht, aber: Verwenden Sie die Knotenanalyse tatsächlich OHNE die Annahme von Ideal OpAmp. Behandle es als einen Verstärker mit endlicher Verstärkung. Sie werden feststellen, dass Sie ähnliche Ergebnisse erhalten, wenn Sie davon ausgehen, dass der Gewinn unendlich ist, erhalten Sie einen idealen Opamp.
CyberMen
@OlinLathrop Wieso haben sie keine Spannungsfolger gebannt?
Dmitry Grigoryev

Antworten:

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Ein idealer Opamp hat einen unendlichen Gewinn. Es verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen den Pins + und -. Natürlich ist dieser Gewinn in Wirklichkeit nicht unendlich, aber immer noch ziemlich groß.

Der Ausgang des Operationsverstärkers (in gewissem Maße auch der Eingang) ist durch die Stromversorgung begrenzt. Wir können nicht mehr herausholen, als die Stromversorgung zulässt.

Wenn wir einfach Signale ohne Rückkopplung in den Operationsverstärker einspeisen, werden diese mit unendlich multipliziert und es wird ein Binärausgang erzeugt (der an den Versorgungsschienen gesättigt ist).

Wir brauchen also eine Möglichkeit, die Verstärkung zu steuern. Das macht das Feedback.

Die Rückkopplung (sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom) nimmt an der verstärkten Ausgabe des Eingangs teil, sodass die Verstärkung viel stärker durch das vorhersagbare Rückkopplungsnetzwerk und viel weniger durch die massive (und nicht vorhersagbare) offene Schleifenverstärkung eingeschränkt wird.

Selbst in einem reinen Wechselstromkreis benötigen wir noch eine Rückkopplung, die bei Gleichstrom (0 Hz) arbeitet, oder die Verstärkung wäre nur die der offenen Schleife für Gleichstromsignale. Das eingeschränkte Wechselstromsignal würde durch die DC-Open-Loop-Verstärkung überlastet.

Jason Morgan
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Ohne Rückmeldung arbeitet der OpAmp als Komparator, daher ist die Ausgabe nicht völlig bedeutungslos.
Starblue
Nicht alle Opamps funktionieren mit einem Komparator, für einen Komparator sollten Sie genau das verwenden. Viele Komparatoren funktionieren als sehr guter Opamp nicht. Das ist ein bisschen so, als würde man sagen, ein Widerstand funktioniert wie eine Sicherung. Ja, aber es ist im Allgemeinen keine gute Idee. (Obwohl ich von mindestens einem Design weiß, wo es ist!)
Jason Morgan
.... Vielleicht hätte ich hinzufügen sollen, dass einige Opamps sehr seltsame Dinge tun, wenn sie auf die Schienen gefahren sind oder über ihre CM-Reichweite hinausgefahren sind.
Jason Morgan
Sie können es dennoch tun, indem Sie die Antwort bearbeiten: Sie werden auch aufgefordert, Ihre Beiträge über die Bearbeitung zu verbessern (Schaltfläche unten links im Text)
clabacchio
@JasonMorgan: Das Problem betrifft nicht nur den Gleichtaktbereich. Einige Operationsverstärker verhalten sich merkwürdig, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen zu groß wird, auch wenn beide Eingänge innerhalb des Bereichs liegen, den das Gerät verarbeiten kann.
Supercat
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Sie wissen bereits, dass ein Opamp eine sehr hohe Verstärkung im offenen Regelkreis aufweist, typischerweise 100.000-fach. Schauen wir uns die einfachste Feedbacksituation an:

Bildbeschreibung hier eingeben

Der Operationsverstärker verstärkt den Unterschied zwischen und V - : V+V-

VÖUT=100000×(V+-V-)

Jetzt und V - = V O U T , dannV+=VichNV-=VÖUT

VÖUT=100000×(VichN-VÖUT)

oder, neu anordnen:

VÖUT=100000100000+1×VichN

Das ist so gut wie

VÖUT=VichN

Dies ist ein Spannungsfolger , ein 1-Verstärker, der hauptsächlich verwendet wird, um eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz zu erhalten.×

Die Rückkopplung reduziert die sehr hohe Verstärkung im offenen Regelkreis auf 1. Beachten Sie, dass die hohe Verstärkung erforderlich ist, um V O U T so nahe wie möglich an V I N zu bringen .×VÖUTVichN

bearbeiten
Jetzt nur noch einen Bruchteil der Ausgangsspannung in der Rückkopplung durch den Einsatz können wir die Verstärkung steuern.

Bildbeschreibung hier eingeben

Nochmal

, VÖUT=100000×(V+-V-)

aber jetzt und V - = R 1V+=VichNV-=R1R1+R2×VÖUT

VÖUT=100000×(VichN-R1R1+R2×VÖUT)

Oder:

VÖUT=100000×VichNR1R1+R2×100000+1

Der Begriff "1" kann also ignoriert werden

VÖUT=R1+R2R1×VichN

Beachten Sie, dass sowohl im Spannungsfolger als auch in diesem nicht invertierenden Verstärker der tatsächliche Verstärkungsfaktor des Opamps aufgehoben wird, vorausgesetzt, er ist hoch genug (>> 1).

stevenvh
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Der ideale Operationsverstärker hat eine unendliche Verstärkung, und dies ist in der analogen Elektronik von geringem Nutzen. Die Rückkopplung wird verwendet, um die Verstärkung der Schaltung zu begrenzen. Im Wiki-Artikel finden Sie viele Beispiele .

Betrachten Sie die einfache Rückkopplungsschleife:

Bildbeschreibung hier eingeben

VÖut=EINVx

Vf=FVÖut

Vx=Vichn-Vf=Vichn-FVÖut

VÖut=EINVichn-EINFVÖut

EINv=VÖutVichn=EIN1+EINF

Im Falle des Operationsverstärkers definiert seine Verstärkung A: Es wird eine ziemlich unangenehme Funktion sein, da diese Verstärker nur für brutale Verstärkung gemacht sind und keine schöne lineare Funktion haben. Wenn Sie sich Av ansehen, wird A, wenn es groß genug ist, das 1und selbst aufheben und 1 / F lassen, um die Verstärkung zu bestimmen.

Im Fall des nichtinvertierenden Verstärkers ist der Block F ein Spannungsteiler, so dass er ungefähr 1 / X ist. Dadurch wird die Verstärkung des Verstärkers auf X eingestellt.

Bei echten Operationsverstärkern ist A nicht unendlich, aber groß genug, um es in der DC-Verstärkungsgleichung zu löschen. Die Vorteile von Rückkopplungen sind unter anderem die Erhöhung der Bandbreite, der Linearität, des Rauschabstands und mehr. Beispielsweise wird in einem geschlossenen Regelkreis die Verstärkung nur durch die Umkehrung der Rückkopplungsverstärkung bestimmt, vorausgesetzt, die Verstärkung des Operationsverstärkers ist groß genug.

Tatsächlich ist nur ein Widerstand als Rückkopplung nicht so nützlich, da er sich wie ein Kurzschluss verhält. Ein Spannungsteiler gegen Masse verhält sich wie ein Multiplikator mit festem Verhältnis desselben Faktors (aus dem gleichen Grund, der oben erwähnt wurde).

Clabacchio
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Ich verstehe, dass in erster Linie eine Rückkopplung erforderlich ist, um die Verstärkung des Verstärkers zu steuern. Unabhängig von der Rückkopplungsverstärkung ist die Verstärkungsverstärkung also gleich der Umkehrung. Ist das korrekt?
user1083734
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Und verstehe ich richtig, dass der einzelne Widerstand zwischen Ausgang und Eingang nicht wirksam ist, weil er Vout nicht verändert / aufteilt und daher die Verstärkung des Verstärkers ohne Rückkopplung mit der Verstärkung des offenen Regelkreises identisch ist? Ich bin mir in diesem letzten Punkt nicht sicher.
user1083734
@ user1083734 es ist richtig: Wenn Sie verstehen, wie der Operationsverstärker funktioniert und welche Übertragungsfunktion die Rückkopplungsschaltung hat, sind Sie der gesamten Schaltung einen Schritt näher gekommen
clabacchio
Ist die Rückkopplungsübertragungsfunktion die gleiche wie die Übertragungsfunktion der gesamten Schaltung? Ich kann das letztere berechnen, weiß aber nicht, wie ich das erstere berechnen soll.
user1083734
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Der Zweck der Gleichstromrückkopplung besteht darin, zu definieren, was der Operationsverstärker tun soll, dh wie hoch seine Ausgangsspannung sein soll. Ohne sie steigt oder fällt die Leistung, bis sie auf die Stromschienen trifft.

Dies kann nützlich sein, und es gibt einen großen Markt für Operationsverstärker, die auf diese Art und Weise arbeiten und als "Komparatoren" bezeichnet werden.

Ein Komparator ist einfach: Wenn der + Eingang größer als der - Eingang ist, ist der Ausgang + Vcc. Ansonsten ist der Ausgang −Vee. Das Schaltplansymbol ist dasselbe wie bei einem Operationsverstärker und sie können sogar mit ausreichendem Aufwand dazu gebracht werden, in beiden Rollen zu arbeiten. In der Praxis sind die beiden Typen jedoch hochspezialisiert, und solche Anstrengungen sind es nicht wirklich wert.

Mit dem DC-Rückkopplungspfad kann ein Operationsverstärker an einem anderen Punkt als "Ausgang hart gegen die Schienen" stabil sein, und die Schaltung ist im Allgemeinen so ausgelegt, dass sie diesen Punkt findet.

Stellen Sie sich einen Operationsverstärker als Integrator vor, anstatt statisch darüber nachzudenken. Immer wenn der + -Eingang größer als der - -Eingang ist, steigt der Ausgang eines Operationsverstärkers schnell an. Dieser Anstieg sollte dazu führen, dass die Eingänge näher beieinander liegen und schließlich aufhören, wenn sie gleich sind. In ähnlicher Weise wird die Ausgabe sinken, wenn die Eingabe + kleiner als die Eingabe - ist. Die Rückmeldung erfolgt in der Regel über den Eingang -, da dies der einfachste Weg ist, eine Schaltung zu erstellen, die auf diese Weise funktioniert.

Daniel Martin
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"Dieser Anstieg sollte die Inputs näher zusammenrücken und endlich aufhören, wenn sie gleich sind." Sie erklären nicht, warum das passiert.
stevenvh
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Ein typischer Fehlerstromversorgungsverstärker hat keinen Gleichstromrückkopplungspfad:

Sipex App Note - Fehlerverstärker

Ich kann Ihnen jedoch versichern, dass dieser Verstärker recht gut funktioniert.

Visualisieren Sie diesen Fehlerverstärker, der einen Tiefsetzsteller steuert . Vcomp würde verwendet, um das Tastverhältnis eines Schalters zu steuern, der den Stromfluss durch eine Induktivität steuert und Vout steuert. Wenn Vcomp zunimmt, nimmt auch das Tastverhältnis zu, wodurch Vout zunimmt und Vcomp abnimmt. Das Kompensationsnetzwerk erhöht oder verringert Vcomp auf kontrollierte Weise, um Vout zu zwingen, sich an Vref anzupassen (so eng wie es der Operationsverstärker zulässt).

[Natürlich liefert der Antriebsstrang einen Anschein von Gleichstromrückkopplung, aber ich schweife ab :)]

Adam Lawrence
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Ich denke, Sie sind überkompliziert, wenn Sie versuchen, eine Ausnahme von OPs Antwort zu finden, vor allem, weil er nach Rückkopplungen fragt (versuchen Sie, von ihm einen Widerstand zu abstrahieren) und Ihr Schaltkreis tatsächlich Rückkopplungen hat, aber nur für Wechselstromsignale.
Clabacchio
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Die Schaltung hängt auch von der Gleichstromrückkopplung ab. Es ist nur nicht in der Schaltung gezeigt. Die gezeigte Schaltung ist nicht der komplette Verstärker. Vcomp steuert das Tastverhältnis eines Schalters, der dann Vout steuert, und dies ist effektiv ein Gleichstrom-Rückkopplungspfad. Es muss DC-Rückkopplung geben, sonst stabilisiert was den Verstärker? Die lokale AC-Rückmeldung macht das nicht.
Kaz
@ Kaz Ich denke, Olin ist die einzige Person, die hier Spaß haben darf.
Adam Lawrence
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DC-Rückkopplung in Operationsverstärkern ist aufgrund der Stabilität zu hoch. Daher verwenden wir die Rückkopplung, um eine bestimmte Verstärkung der Ausgabe zu erzielen

aazp
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"DC-Feeback bei Opamp-Einsätzen wegen Stabilität" macht zumindest in englischer Sprache keinen Sinn.
Olin Lathrop