Mengapa umpan balik diperlukan di sirkuit op-amp?

Saya mengerti bahwa, agar op-amp berfungsi dengan benar, diperlukan loop umpan balik DC dari output ke input pembalik atau non-pembalik (tergantung pada sirkuit eksternal).

Apa tujuan dari umpan balik DC saat menggunakan op-amp? Mengapa itu perlu dan apa dampaknya tanpa itu?

Opamp ideal memiliki gain tak terbatas. Ini memperkuat perbedaan tegangan antara + dan - pin. Tentu saja dalam kenyataannya keuntungan ini tidak terbatas, tetapi masih cukup besar.

Output dari opamp (pada beberapa level input juga) dibatasi oleh catu daya, kita tidak bisa keluar lebih banyak dari yang dimasukkan oleh pasokan.

Jika kita cukup menaruh sinyal ke dalam opamp tanpa umpan balik, itu akan melipatgandakannya dengan tak terhingga dan mendapatkan output biner (itu akan jenuh pada rel pasokan)

Jadi, kita perlu beberapa cara mengendalikan keuntungan. Itulah yang dilakukan umpan balik.

Umpan balik (DC dan juga AC) mengambil bagian dari output yang diperkuat dari input, sedemikian rupa sehingga penguatan lebih dibatasi oleh jaringan umpan balik, yang dapat diprediksi, dan jauh lebih sedikit oleh gain loop terbuka yang besar (dan tidak dapat diprediksi).

Bahkan dalam rangkaian AC saja kita masih membutuhkan umpan balik yang bekerja di DC (nol Hz) atau penguatan hanya akan berupa loop terbuka untuk sinyal DC. Anda sinyal AC meskipun dibatasi akan dibanjiri oleh gain loop terbuka DC.

Anda sudah tahu bahwa opamp memiliki amplifikasi loop terbuka sangat tinggi, biasanya 100.000 kali. Mari kita lihat situasi umpan balik yang paling sederhana:

Opamp akan memperbesar perbedaan antara dan V - : $V_+$$V_-$

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

Sekarang dan$V_+ = V_{IN}$ , kalau begitu$V- = V_{OUT}$

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

atau, menata ulang:

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

Itu sama baiknya dengan

$V_{OUT} = V_{IN}$

Ini adalah pengikut tegangan , penguat 1, yang sebagian besar digunakan untuk mendapatkan impedansi input tinggi dan impedansi output rendah.$\times$

Umpan balik mengurangi amplifikasi loop terbuka sangat tinggi ke 1. Perhatikan bahwa amplifikasi tinggi diperlukan untuk mendapatkan V O U $\times$$V_{OUT}$ sedekat mungkin ke .$V_{IN}$

sunting
Sekarang dengan hanya menggunakan sebagian kecil dari tegangan output dalam umpan balik kita dapat mengontrol amplifikasi.

Lagi

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

tapi sekarang dan $V_+ = V_{IN}$ , maka$V- = \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT}$

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

Atau:

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

Istilah "1" dapat diabaikan, sehingga

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

Perhatikan bahwa baik pada pengikut tegangan dan penguat non-pembalik ini, faktor amplifikasi sebenarnya dari opamp dibatalkan asalkan cukup tinggi (>> 1).

Op-amp yang ideal memiliki gain yang tidak terbatas, dan ini tidak banyak digunakan dalam elektronik analog. Umpan balik digunakan untuk membatasi penguatan sirkuit. Anda dapat menemukan banyak contoh di artikel wiki .

Pertimbangkan loop umpan balik sederhana:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

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

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

In the case of the op-amp, its gain defines A: it will be a quite nasty function, because these amplifier are made for just giving brutal gain, and won't have a nice linear function. Luckily, if you look at Av, if A is big enough it will cancel the 1 and itself leaving 1/F to determine the gain.

In the case of the non-inverting amplifier, the block F is a voltage divider, so it will be something like 1/X. This will set the gain of the amplifier to X.

In the case of real op-amps, A won't be infinite, but big enough to allow cancelling it in the DC gain equation. And the advantages of feedback are even more, like increasing bandwith, linearity, S/N ratio and more. For instance, in a closed loop the gain is determined only by the inverse of the feedback gain, provided that the op-amp gain is big enough.

Actually, one resistor only is not that useful as a feedback, as it behaves the same as a short circuit. A voltage divider to ground makes it behave like a fixed ratio multiplier of the same factor (for the same reason mentioned above).

The purpose of DC feedback is to define what you want the op-amp to do, i.e. what its output voltage will be. Without it, the output will rise or fall until it hits the power rails.

This can be useful, and there is a large market for op-amps specialized to work this way, called "comparators".

A comparator is simple: if the + input is greater than the - input, the output is +Vcc. Otherwise, the output is −Vee. The schematic symbol is the same as an op-amp, and they can even with sufficient effort be coaxed into working in both roles, but in practice, the two types are highly specialized, and such efforts are not really worth it.

With the DC feedback path, an op-amp can be stable at some point other than "output hard against the rails", and the circuit is generally designed to find that point.

Rather than thinking about it statically, think about an op-amp as an integrator. Whenever its + input is greater than its − input, an op-amp's output will RISE, rapidly. This rise should being the inputs closer together, finally stopping when they are equal. Likewise, + input less than − input will cause the output to fall. The feedback is generally to the − input because that's the simplest way to make a circuit that works this way.

A typical power supply error amplifier has no DC feedback path:

I can assure you, however, that this amplifier works quite well.

Visualize this error amplifier controlling a buck converter. Vcomp would be used to control the duty cycle of a switch, which controls current flow through an inductor and controls Vout. As Vcomp increases, so does the duty cycle, which causes Vout to increase and Vcomp to decrease. The compensation network will increase or decrease Vcomp in a controlled manner, to force Vout to match Vref (as closely as the opamp will allow).

[ Of course, the power train is providing some semblance of DC feedback, but I digress :) ]

DC feedback in op-amp uses due to stability, also op-amp gain is too high so we use feedback to have a specific gain in output