Mengapa umpan balik diperlukan di sirkuit op-amp?


17

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?



37
Ini konspirasi oleh konsorsium produsen resistor.
Olin Lathrop

1
Karena itu bekerja dengan sangat baik. Kebanyakan insinyur tidak memiliki pengalaman ini tetapi: Sebenarnya menggunakan analisis nodal TANPA asumsi OpAmp Ideal. Perlakukan sebagai penguat gain terbatas. Anda akan melihat Anda akan mendapatkan hasil yang serupa, ketika Anda menganggap bahwa perolehannya tidak terbatas, Anda akan mendapatkan opamp yang ideal.
CyberMen

@OlinLathrop Kenapa mereka tidak melarang pengikut tegangan?
Dmitry Grigoryev

Jawaban:


19

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.


Tanpa umpan balik, OpAmp berfungsi sebagai pembanding, sehingga output tidak sepenuhnya tidak berarti.
starblue

Tidak semua opamps akan berfungsi sebagai pembanding, untuk pembanding Anda harus menggunakannya. Banyak pembanding tidak akan berfungsi sebagai opamp yang sangat bagus. Itu seperti mengatakan resistor bekerja seperti sekering. Ya, tapi itu umumnya bukan ide yang baik. (Meskipun saya tahu setidaknya satu desain di mana itu!)
Jason Morgan

.... Mungkin saya seharusnya memasukkan bahwa beberapa opamps melakukan hal-hal yang sangat aneh ketika didorong ke rel atau melewati CM range mereka.
Jason Morgan

Anda masih dapat melakukannya, mengedit jawabannya: Anda juga didorong untuk meningkatkan posting Anda melalui pengeditan (tombol di kiri bawah teks)
clabacchio

@JasonMorgan: Masalahnya bukan hanya rentang mode umum. Beberapa op amp akan berperilaku aneh jika perbedaan tegangan antara input menjadi terlalu besar, bahkan jika kedua input berada dalam kisaran yang dapat ditangani oleh perangkat.
supercat

22

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

masukkan deskripsi gambar di sini

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

VOUT=100000×(V+V)

Sekarang danV+=VIN , kalau begituV=VOUT

VOUT=100000×(VINVOUT)

atau, menata ulang:

VOUT=100000100000+1×VIN

Itu sama baiknya dengan

VOUT=VIN

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

Umpan balik mengurangi amplifikasi loop terbuka sangat tinggi ke 1. Perhatikan bahwa amplifikasi tinggi diperlukan untuk mendapatkan V O U T×VOUT sedekat mungkin ke .VIN

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

masukkan deskripsi gambar di sini

Lagi

, VOUT=100000×(V+V)

tapi sekarang dan VV+=VIN , makaV=R1R1+R2×VOUT

VOUT=100000×(VINR1R1+R2×VOUT)

Atau:

VOUT=100000×VINR1R1+R2×100000+1

Istilah "1" dapat diabaikan, sehingga

VOUT=R1+R2R1×VIN

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


5

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:

masukkan deskripsi gambar di sini

Vout=AVx

Vf=FVout

Vx=VinVf=VinFVout

Vout=AVinAFVout

Av=VoutVin=A1+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).


1
Thanks, I understand that a feedback is primarily needed to control the gain of the amplifier, so whatever the feedback gain, the amplifier gain will be equal to its inverse. Is that correct?
user1083734

1
And do I understand correctly that the single resistor between output and input is not effective because it will not alter/divide up Vout and so the amplifier gain will be the same as its open loop gain, without any feedback. I am not sure on this last point.
user1083734

@user1083734 it's right: if you understand how the op-amp works, and what is the transfer function of the feedback circuit, you are a step closer to understand the whole circuit
clabacchio

Is the feedback transfer function the same as the transfer function of the whole circuit? I can calculate the latter, but do not know how to calculate the former.
user1083734

2

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.


1
"This rise should being the inputs closer together, finally stopping when they are equal." You don't explain why that happens.
stevenvh

1

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

Sipex app note  - error amplifier

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 :) ]


1
I think you are overcomplicating things trying to find an exception to OP's answer, especially because he's asking about feedback (try to abstract from him mentioning a resistor) and your circuit actually HAS feedback, but only for AC signals.
clabacchio

2
The circuit depends on DC feedback also. It's just not shown in the circuit. The circuit shown is not the complete amplifier. Vcomp controls the duty cycle of a switch which then controls Vout, and this is effectively a DC feedback path. There has to be DC feedback, otherwise what will stabilize the amplifier? The AC local feedback will not do that.
Kaz

@Kaz I guess Olin is the only person allowed to have some fun here.
Adam Lawrence

-4

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


3
"DC feeback in opamp uses due to stability" makes no sense, at least in English.
Olin Lathrop
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.