Spiegazione dettagliata di come il follower di tensione raggiunge uno stato stazionario usando un feedback negativo

Solo un minuto! Non sto cercando di capire cosa fa il feedback negativo alla fine , o perché dovrebbe essere usato. Sto cercando di capire come il circuito raggiunge uno stato stabile e come, passo dopo passo, il feedback negativo faccia sì che Vout sia lo stesso di Vin. Questo non è stato affrontato adeguatamente in altre risposte.

Supponiamo che l'amplificatore operazionale abbia un guadagno di 10.000, un'alimentazione di 15 V e Vin sia di 5 V.

Secondo la mia comprensione, ecco come va:

1. $V_{in}$$V_{out}$
2. $V_{out}$$V_-$$V_{in}$
3. Quindi la tensione di ingresso differenziale è ora 5V - 15V = -10V
4. Questo viene quindi amplificato a -15 V dall'amplificatore operazionale (a causa della saturazione)
5. $V_{in}$
6. $V_{out}$
7. Sembra che ogni volta che l'amplificatore operazionale raggiunga la saturazione, ma inverti semplicemente l'uscita

Ovviamente ho fatto qualcosa di sbagliato qui. In questo modo l'uscita non si stabilizzerà mai a 5V. Come funziona davvero?

Grazie alle risposte eccellenti, io (penso di aver capito) ho capito il funzionamento del feedback negativo. Secondo la mia comprensione, ecco come va:

Diciamo per semplicità che l'ingresso è un passaggio perfetto a 5 V (altrimenti l'uscita seguirà l'ingresso transitorio, rendendo tutto 'continuo' e difficile da spiegare a passi).

1. $V_{in}$
2. $(V_+ - V_-)$
3. Consideriamo il momento in cui questa uscita raggiunge 1V.
4. In questo momento anche il feedback sarà di 1 V e la tensione differenziale sarà scesa a 4 V. Ora la tensione "target" dell'amplificatore operazionale sarà di 40.000 V (a causa del guadagno di 10.000 e, di nuovo, limitato a 15 V dall'alimentatore). Pertanto V_out continuerà ad aumentare rapidamente.
5. Consideriamo il momento in cui questa uscita raggiunge i 4 V.
6. $V_{out}$

Lo schema emergente è: l'ingresso differenziale provoca un aumento di V_out, che provoca un aumento della tensione di retroazione, che provoca una diminuzione dell'ingresso differenziale, che diminuisce la tensione di uscita 'target' dell'amplificatore operazionale. Questo ciclo è continuo, il che significa che possiamo dividerlo in intervalli ancora più brevi per le indagini. Comunque:

7. $(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Tuttavia , se l'amplificatore operazionale raggiunge 4,9998 V, ora la tensione differenziale sarà solo 0,0002 V. Pertanto, l'uscita dell'amplificatore operazionale dovrebbe diminuire a 2 V. Perché questo non succede?

Credo di aver finalmente capito il processo:

$V_{out}$

E se l'uscita dell'amplificatore operazionale scende al di sotto di 4,9995 V, il feedback diminuirà, facendo aumentare la tensione differenziale, riportando l'uscita dell'amplificatore operazionale a 4,9995 V.

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

"Vin è 5 V, quindi Vout dovrebbe essere 50.000 V."

Perché? OpAmp amplifica la differenza tra gli ingressi + e -, non solo il valore sull'ingresso +!

OK, potresti iniziare con: l'uscita è a 0V e l'ingresso (collegato all'ingresso +) è 5V. Quello che hai fatto è applicare un passaggio 5V all'ingresso.

Ora ciò che accade è che OpAmp inizia ad aumentare la tensione sull'uscita. Non può farlo immediatamente, quindi aumenterà 'lentamente' (per un valore piuttosto veloce di lentamente, che ha un nome tecnico nel mondo OpAmp: la velocità di risposta, che è un'importante caratteristica di un vero OpAmp). Quando raggiunge 5 V, questo viene ricondotto all'ingresso negativo, a quel punto compensa i 5 V sull'ingresso +, quindi OpAmp non tenta più di aumentare il suo livello di uscita. (Per essere davvero precisi: questo accade un po 'prima, quando la differenza è 5V / 10k.)

A seconda delle caratteristiche di temporizzazione, l'uscita potrebbe "lentamente" stabilizzarsi a 5 V o superare i 5 V, scendere al di sotto di 5 V, ecc. (Oscillare verso 5 V). Se il circuito è progettato male, l'oscillazione potrebbe aumentare (e non finire mai).

Interpretazione di base:

Ecco il mio modo intuitivo di comprendere un determinato circuito operazionale per personificazione. Immagina un po 'amico nell'amplificatore operazionale. Il tizio ha un display che indica la differenza di tensione tra gli ingressi + e -. Il piccolo ha anche una manopola. La manopola regola la tensione di uscita, da qualche parte tra i binari di tensione.

L'obiettivo del nostro piccolo amico è di fare la differenza tra le due tensioni zero. Ruoterà la manopola fino a quando non trova la tensione sull'uscita che, in base al circuito collegato ad essa, provoca una differenza zero sul suo display.

Quindi nei passaggi "sequenziali":

1. L'ingresso al circuito buffer è a 5 V. Supponiamo che la manopola di uscita sia inizialmente a 0V.
2. Poiché l'ingresso è collegato direttamente all'uscita nella configurazione del buffer, la differenza che si trova sul display del piccolo amico è 5V. Non ne è contento.
3. Il tizio inizia a girare la manopola per aumentare la tensione in uscita. Si avvicina sempre di più.
4. Alla fine, quando vede 0 V sul display, smette di cambiare la manopola. L'uscita sarà ora a 5 V.

All'interno di un amplificatore operazionale ideale:

In realtà non è un po 'amico dentro un amplificatore operazionale: è matematica! Ecco una rappresentazione di ciò che stiamo cercando di implementare in un amplificatore operazionale:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ciò consentirà di ottenere ciò che il piccolo ragazzo stava cercando di ottenere con alcune limitazioni:

• Il piccolo amico potrebbe capire in che modo girare la manopola, ma questo non può. Dobbiamo collegarlo in modo tale che aumentando l'uscita diminuisca la differenza.
• Ci sarà un piccolo errore se il "Molto guadagno" non è in realtà l'infinito.
• Dobbiamo considerare attentamente se il circuito sarà stabile. C'è un bel po 'là fuori su questo argomento .

Un vero amplificatore operazionale:

Ecco come appare un vero amplificatore operazionale (il 741) all'interno:

Questi transistor implementano la rappresentazione matematica sopra.

È importante tenere presente che ci sono tutta una serie di problemi pratici che devono essere affrontati quando si utilizza un vero amplificatore operazionale. Per dirne alcuni:

• Correnti di polarizzazione
• Rumore
• Tensione di ingresso in modalità comune
• Uscita corrente
• Tensioni di alimentazione
• Dissipazione di potenza
• Comportamento dinamico e stabilità

Ma in tutti i circuiti di amplificazione operazionali, la mia mente inizia sempre con la spiegazione del "piccolo amico" per avere un'idea di quello che sta succedendo. Quindi, se necessario, lo estendo con un'analisi matematica. Infine, anche se necessario, applico la conoscenza pratica di ciò che è necessario per soddisfare i requisiti di un'applicazione.

Un opAmp funziona in tempo continuo e non in tempo discreto. Ciò significa che nessuna azione può avvenire istantaneamente e le azioni non avvengono a passi. Anche se viene azionato un interruttore per collegare una tensione al pin +, c'è ancora un tempo di salita transitorio nell'ingresso e l'uscita continua continua. Questo è molto comunemente descritto come azione opAmp. Un modello di spezie è proprio questo, un modello. Il modello non incorpora e non può incorporare tutte le sfumature presenti nell'opAmp. Se vuoi studiare gli effetti transitori di un opAmp, acquistane uno e guardalo con un oscilloscopio. Questo è l'unico modo in cui sarai in grado di studiare gli effetti.

Nel mondo reale, gli amplificatori operazionali hanno una velocità di risposta limitata. Per alcuni tipi di amplificatori operazionali, la velocità di risposta può essere molto veloce, ma non è mai abbastanza istantanea. Quando l'ingresso "+" dell'amplificatore operazionale è più alto, l'uscita aumenterà molto rapidamente fino a raggiungere la guida positiva o l'ingresso "+" non è più alto dell'ingresso "-". Quando l'ingresso "-" è più alto, l'uscita cadrà molto rapidamente fino a raggiungere la guida negativa o l'ingresso "-" non è più alto dell'ingresso "+".

Nella maggior parte dei circuiti progettati correttamente che utilizzano amplificatori operazionali, gli aspetti del comportamento del circuito necessari per soddisfare i requisiti devono essere soddisfatti ugualmente bene per una gamma significativa di velocità di risposta in uscita. Nel caso del follower di tensione, ad esempio, la velocità di variazione aggiungerà un breve ritardo tra il momento in cui l'ingresso cambia e il tempo in cui l'uscita raggiunge lo stesso valore, ma non influirà sul valore raggiunto dall'uscita.

In realtà, il fenomeno che descrivi era un vero problema, fin dai tempi bui (anni '70). La venerabile scheda tecnica LM310 Voltage Follower contiene il suggerimento per l'applicazione (in fondo a pagina 2) che raccomanda un resistore di ingresso da 10k ohm per mantenere la stabilità.

Nota anche che la tua argomentazione può essere applicata a qualsiasi circuito di amplificazione operazionale, e gestire la tua obiezione richiede la considerazione della risposta in frequenza dell'amplificatore, che è molto più di quanto io possa coprire. Basti dire che, da un lato, l'uscita non cambia istantaneamente (velocità di risposta limitata menzionata da altri responder, e dall'altro lato si prende in considerazione il modo in cui i circuiti interni rispondono anche ai cambiamenti.

Ciò che effettivamente accade è stato descritto da altri: l'uscita risponde per portare a zero la differenza tra i due ingressi e se il circuito è progettato correttamente rimarrà lì. Ma solo per mostrarti che il soggetto è complicato, considera che se rallenti troppo l'uscita (mettendo un condensatore a terra sull'uscita) puoi anche far oscillare l'amplificatore.

Mi dispiace di non poter fornire ulteriori dettagli, ma è abbastanza chiaro che hai bisogno di molto più background prima di poter provare a spiegarlo.

La risposta grossolana è che l'uscita dell'opamp si muoverà su qualsiasi tensione sia necessaria affinché gli ingressi non invertenti (+) e invertenti (-) siano alla stessa tensione. Di conseguenza, se l'ingresso + è impostato, per esempio, a 5 volt, l'uscita servirà a 5 volt in modo che l'ingresso - sarà a 5 volt, supponendo che le rotaie dell'opamp consentano che ciò accada.

In realtà, tuttavia, l'uscita non si assesta mai e continua a servirsi sempre al di sopra e al di sotto della tensione sull'ingresso +.

Quanto dipende dal guadagno e dalla larghezza di banda dell'opamp e dai circuiti esterni, ma questa è una domanda completamente diversa.