Penjelasan langkah-demi-langkah tentang bagaimana pengikut tegangan mencapai kondisi mapan menggunakan umpan balik negatif

Hanya satu menit! Saya tidak mencoba memahami apa umpan balik negatif pada akhirnya , atau mengapa itu harus digunakan. Saya mencoba memahami bagaimana rangkaian mencapai kondisi mapan, dan bagaimana, langkah demi langkah, umpan balik negatif menyebabkan Vout sama dengan Vin. Ini belum ditangani secara memadai dalam jawaban lain.

Mari kita asumsikan op-amp memiliki gain 10.000, pasokan 15V, dan Vin 5V.

Menurut pemahaman saya, begini caranya:

1. 5V, sehingga V o u $V_{in}$$V_{out}$ harus 50,000V. Namun, dibatasi hingga 15V oleh catu daya op-amp.
2. kemudian diterapkan kembali ke V - , tetapidikurangidari V i $V_{out}$$V_-$$V_{in}$ karena itu menjadi umpan balik negatif
3. Jadi tegangan input diferensial sekarang 5V - 15V = -10V
4. Ini kemudian diamplifikasi ke -15V oleh op-amp (karena saturasi)
5. Sekarang -15V diterapkan ke $V_{in}$ melalui umpan balik negatif, tetapi ditambahkan ke 5V, karena negatif ganda
6. Jadi sekarang masukan diferensial 20V, dan $V_{out}$ adalah 15V (karena saturasi)
7. Tampaknya setiap kali op-amp akan mencapai saturasi, tetapi hanya membalikkan output

Saya jelas telah melakukan sesuatu yang salah di sini. Output tidak akan stabil pada 5V dengan cara ini. Bagaimana cara kerjanya?

Karena jawaban yang sangat baik, saya (pikir saya) telah memahami operasi umpan balik negatif. Menurut pemahaman saya, begini caranya:

Katakanlah untuk kesederhanaan bahwa input adalah langkah sempurna untuk 5V (jika tidak output akan mengikuti input sementara, membuat semuanya 'kontinu' dan sulit untuk dijelaskan dalam langkah-langkah).

1. Pada awalnya, inputnya adalah 5V, dan sekarang outputnya adalah 0V, dan 0V diumpankan kembali ke $V_{in}$
2. Jadi sekarang tegangan diferensial $(V_+ - V_-)$ adalah 5V. Karena gain op-amp adalah 10.000, ia akan ingin menghasilkan output 50.000 V (praktis dibatasi oleh tegangan suplai), sehingga output akan mulai meningkat dengan cepat.
3. Mari kita pertimbangkan titik waktu ketika output ini mencapai 1V.
4. Saat ini umpan balik akan menjadi 1V juga, dan tegangan diferensial akan turun menjadi 4V. Sekarang tegangan 'target' op-amp akan menjadi 40.000V (karena gain 10.000, dan sekali lagi, terbatas pada 15V oleh catu daya). Dengan demikian V_out akan terus meningkat dengan cepat.
5. Mari kita pertimbangkan titik waktu ketika output ini mencapai 4V.
6. Sekarang umpan balik akan berada di 4V juga, dan tegangan diferensial akan turun ke 1V. Sekarang 'target' op-amp adalah 10.000V (dibatasi hingga 15V oleh suplai). Jadi masih akan terus meningkat.$V_{out}$

Pola yang muncul adalah: input diferensial menyebabkan peningkatan V_out, yang menyebabkan peningkatan tegangan umpan balik, yang menyebabkan penurunan input diferensial, yang mengurangi tegangan output op-amp 'target'. Siklus ini berkelanjutan, artinya kita dapat membaginya menjadi interval yang lebih pendek untuk penyelidikan. Bagaimanapun:

7. Mari kita pertimbangkan titik waktu ketika output ini mencapai 4.9995V. Sekarang umpan baliknya adalah 4.9995V, sehingga tegangan diferensial akan turun ke 0,0005V . Sekarang target op-amp adalah 0,0005 V * 10 , 000 = 5 V .$(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Namun , jika op-amp mencapai 4.9998V, sekarang tegangan diferensial hanya 0,0002V. Dengan demikian, output op-amp akan berkurang menjadi 2V. Mengapa ini tidak terjadi?

Saya percaya saya akhirnya mengerti prosesnya:

$V_{out}$ meningkat di atas 4.9995V, umpan balik juga akan meningkat, menyebabkan masukan diferensial untuk penurunan, membawa op-amp kembali ke 4.9995V.

Dan jika output op-amp menurun di bawah 4,9995V, umpan balik akan berkurang, menyebabkan tegangan diferensial meningkat, membawa output op-amp kembali ke 4,9995V.

$V_{out}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

"Vin 5V, jadi Vout harus 50.000V."

Mengapa? OpAmp memperkuat perbedaan antara input + dan -, bukan hanya nilai pada input +!

OK, Anda mungkin mulai dengan: output pada 0V, dan input (terhubung ke + input) adalah 5V. Apa yang telah Anda lakukan adalah menerapkan langkah 5V ke input.

Sekarang yang terjadi adalah bahwa OpAmp mulai menaikkan tegangan pada output. Itu tidak dapat melakukan ini sekaligus, sehingga akan naik 'perlahan' (untuk beberapa nilai yang agak cepat lambat, yang memiliki nama teknis di dunia OpAmp: laju perubahan tegangan, yang merupakan karakteristik impor dari OpAmp nyata). Ketika mencapai 5V, ini diumpankan kembali ke input negatif, di mana saat itu mengkompensasi 5V pada input +, sehingga OpAmp tidak lagi mencoba untuk meningkatkan level outputnya. (Agar benar-benar akurat: ini terjadi sedikit lebih awal, ketika perbedaannya adalah 5V / 10k.)

Tergantung pada karakteristik waktu, output mungkin 'lambat' menetap di 5V, atau melampaui 5V, turun di bawah 5V, dll (berosilasi menuju 5V). Jika rangkaian dirancang dengan buruk osilasi mungkin meningkat (dan tidak pernah berakhir).

Interpretasi Paling Dasar:

Berikut ini adalah cara intuitif saya untuk memahami rangkaian op amp yang diberikan oleh personifikasi. Bayangkan Bung kecil di dalam op amp. Bung kecil memiliki tampilan yang menunjukkan perbedaan voltase antara input + dan -. Bung kecil juga memiliki kenop. Kenop menyesuaikan tegangan output, di suatu tempat antara rel tegangan.

Tujuan teman kecil kita adalah membuat perbedaan antara dua tegangan nol. Dia akan memutar kenop sampai dia menemukan tegangan pada output yang, berdasarkan sirkuit yang Anda hubungkan, menghasilkan nol perbedaan pada layarnya.

Jadi dalam langkah "berurutan":

1. Input ke sirkuit buffer pada 5V. Mari kita asumsikan bahwa kenop keluaran awalnya pada 0V.
2. Karena input terhubung langsung ke output dalam konfigurasi buffer, perbedaan yang ada pada tampilan si kecil adalah 5V. Dia tidak senang tentang itu.
3. Bung kecil mulai memutar kenop untuk meningkatkan output tegangan. Itu terus semakin dekat dan dekat.
4. Akhirnya, ketika dia melihat 0V di layar dia berhenti mengubah kenop. Output sekarang akan berada pada 5V.

Di dalam Op Amp Ideal:

Ini sebenarnya bukan cowok kecil di dalam op amp: itu matematika! Berikut ini adalah representasi dari apa yang kami coba terapkan dalam op amp:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Ini akan mencapai apa yang dicoba dude kecil dengan beberapa keterbatasan:

• Bung kecil bisa mencari cara untuk memutar kenop, tapi ini tidak bisa. Kita harus mengaitkannya sehingga meningkatkan output mengurangi perbedaan.
• Akan ada kesalahan kecil jika "Banyak keuntungan" sebenarnya tidak terbatas.
• Kita harus mempertimbangkan dengan seksama apakah rangkaian akan stabil. Ada cukup banyak tentang topik ini .

A Amp Op Nyata:

Inilah tampilan op amp asli (741) di bagian dalam:

Transistor ini menerapkan representasi matematis di atas.

Penting untuk diingat bahwa ada sejumlah masalah praktis yang harus diatasi ketika menggunakan op amp nyata. Untuk beberapa nama:

• Arus Bias
• Kebisingan
• Tegangan input mode umum
• Output saat ini
• Tegangan pasokan
• Disipasi daya
• Perilaku dan stabilitas yang dinamis

Tetapi di semua sirkuit op amp, pikiran saya selalu dimulai dengan penjelasan "bung kecil" untuk mendapatkan ide tentang apa yang sedang terjadi. Kemudian, jika perlu, saya memperpanjang ini dengan analisis matematika. Akhirnya, juga jika diperlukan, saya menerapkan pengetahuan praktis tentang apa yang diperlukan untuk memenuhi persyaratan aplikasi.

Sebuah opAmp beroperasi dalam waktu kontinu dan tidak dalam waktu diam-diam. Ini berarti bahwa tidak ada tindakan yang dapat terjadi secara instan dan tindakan tidak terjadi dalam langkah-langkah. Bahkan jika saklar dibalik untuk menghubungkan tegangan ke pin + masih ada waktu kenaikan sementara dalam input dan keluaran terus menerus mengikuti. Ini sangat umum digambarkan sebagai tindakan opAmp. Model bumbu hanya itu, model. Model tidak dan tidak dapat menggabungkan semua nuansa yang ada di opAmp. Jika Anda ingin mempelajari efek transien dari sebuah opAmp maka beli satu dan lihat dengan osiloskop. Itulah satu-satunya cara Anda dapat mempelajari efeknya.

Di dunia nyata, op amp memiliki laju perubahan tegangan terbatas. Untuk beberapa jenis op amp, laju perubahan tegangan bisa sangat cepat, tetapi tidak pernah terjadi secara instan. Ketika input "+" op amp lebih tinggi, output akan naik dengan sangat cepat sampai mencapai rel positif atau input "+" tidak lagi lebih tinggi dari input "-". Ketika input "-" lebih tinggi, output akan turun dengan sangat cepat sampai mencapai rail negatif atau "-" input tidak lagi lebih tinggi dari input "+".

Di sebagian besar sirkuit yang dirancang dengan baik yang menggunakan op amp, aspek perilaku rangkaian yang diperlukan untuk memenuhi persyaratan harus dipenuhi dengan baik untuk rentang laju perubahan tegangan keluaran yang signifikan. Dalam kasus pengikut tegangan, misalnya, laju perubahan tegangan akan menambah waktu tunda singkat antara waktu input berubah dan waktu output mencapai nilai yang sama, tetapi itu tidak akan mempengaruhi nilai yang dicapai oleh output.

Sebenarnya, fenomena yang Anda gambarkan dulu merupakan masalah nyata, jauh di zaman kegelapan (1970-an). LM310 Follower Voltage yang terhormatLembar data berisi petunjuk aplikasi (bagian bawah halaman 2) yang merekomendasikan resistor masukan 10k ohm untuk menjaga stabilitas.

Perhatikan juga bahwa argumen Anda dapat diterapkan pada rangkaian op amp apa pun , dan untuk menangani keberatan Anda, perlu dipertimbangkan respons frekuensi penguat, yang jauh lebih banyak daripada yang dapat saya bahas. Cukuplah untuk mengatakan bahwa, di satu sisi, output tidak berubah secara instan (laju perubahan tegangan yang disebutkan oleh responden lain, dan di sisi lain ada pertimbangan tentang bagaimana sirkuit internal merespons perubahan juga.

Apa yang sebenarnya terjadi telah dijelaskan oleh orang lain: output merespons untuk membawa perbedaan antara dua input menjadi nol, dan jika sirkuit dirancang dengan benar pada akhirnya akan tetap ada. Tetapi hanya untuk menunjukkan kepada Anda bahwa subjeknya rumit, pertimbangkan bahwa jika Anda terlalu lambat menurunkan output (dengan meletakkan kapasitor ke ground pada output) Anda juga dapat menyebabkan amp berosilasi.

Maaf saya tidak bisa memberikan detail lebih lanjut, tetapi cukup jelas Anda membutuhkan lebih banyak latar belakang sebelum saya bahkan bisa mencoba menjelaskannya.

Jawaban kotornya adalah bahwa keluaran opamp akan berubah menjadi tegangan apa pun yang diperlukan agar input noninverting (+) dan inverting (-) berada pada tegangan yang sama. Akibatnya, jika input + diatur ke, katakanlah, 5 volt, output akan servo ke 5 volt sehingga - input akan berada di 5 volt, dengan asumsi rel opamp akan memungkinkan hal itu terjadi.

Pada kenyataannya, output tidak pernah benar-benar mengendap dan selalu servoing di atas dan di bawah tegangan pada input +.

Berapa banyak tergantung pada gain dan bandwidth opamp dan pada sirkuit eksternal, tapi itu pertanyaan yang sama sekali berbeda.