คำอธิบายทีละขั้นตอนของวิธีการติดตามแรงดันไฟฟ้าถึงสถานะคงที่โดยใช้ความคิดเห็นเชิงลบ

เพียงหนึ่งนาที! ฉันไม่ได้พยายามทำความเข้าใจว่าข้อเสนอแนะเชิงลบทำอะไรในที่สุดหรือทำไมจึงควรใช้ ฉันกำลังพยายามที่จะเข้าใจว่าวงจรถึงสถานะคงที่และวิธีการทีละขั้นตอนข้อเสนอแนะเชิงลบทำให้ Vout เป็นเช่นเดียวกับ Vin คำตอบนี้ยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างเพียงพอ

สมมติว่า op-amp มีรายได้ 10,000, อุปทาน 15V, และ Vin คือ 5V

ตามความเข้าใจของฉันนี่เป็นวิธีไป:

1. คือ 5V ดังนั้น V o u tควรเป็น 50,000V อย่างไรก็ตามมัน จำกัด เพียง 15V โดยแหล่งจ่ายไฟของ op-amp$V_{in}$$V_{out}$
2. จะถูกนำกลับไปใช้กับ V -แต่มันถูกลบออกจาก V i nเนื่องจากมันเป็นข้อเสนอแนะเชิงลบ$V_{out}$$V_-$$V_{in}$
3. ดังนั้นแรงดันอินพุตที่ต่างกันตอนนี้ 5V - 15V = -10V
4. จากนั้นจะขยายเป็น -15V โดย op-amp (เนื่องจากความอิ่มตัว)
5. ตอนนี้ -15V ถูกนำไปใช้กับผ่านข้อเสนอแนะเชิงลบ แต่มันถูกเพิ่มไปยัง 5V เนื่องจากการลบสองครั้ง$V_{in}$
6. ดังนั้นตอนนี้อินพุตที่ต่างกันคือ 20V และคือ 15V (เนื่องจากความอิ่มตัว)$V_{out}$
7. ดูเหมือนว่าทุกครั้งที่ op-amp จะไปถึงความอิ่มตัว แต่กลับด้านเอาท์พุท

เห็นได้ชัดว่าฉันทำอะไรผิดที่นี่ ผลลัพธ์จะไม่คงที่ที่ 5V ด้วยวิธีนี้ มันใช้งานได้จริงอย่างไร?

เนื่องจากคำตอบที่ยอดเยี่ยมฉัน (ฉันคิดว่า) ได้เข้าใจการทำงานของความคิดเห็นเชิงลบ ตามความเข้าใจของฉันนี่เป็นวิธีไป:

สมมติว่าสำหรับความเรียบง่ายว่าอินพุตเป็นขั้นตอนที่สมบูรณ์แบบสำหรับ 5V (มิฉะนั้นเอาต์พุตจะเป็นไปตามอินพุตชั่วคราวทำให้ทุกอย่างต่อเนื่องและยากที่จะอธิบายในขั้นตอน)

1. ในตอนแรกอินพุตเป็น 5V และตอนนี้เอาต์พุตอยู่ที่ 0V และ 0V จะถูกป้อนกลับไปที่$V_{in}$
2. $(V_+ - V_-)$
3. ลองพิจารณาจุดในเวลาเมื่อผลลัพธ์นี้ถึง 1V
4. ตอนนี้ข้อเสนอแนะจะเป็น 1V เช่นกันและความต่างศักย์จะลดลงเหลือ 4V ตอนนี้แรงดันไฟฟ้า 'เป้าหมาย' ของ op-amp จะเป็น 40,000V (เนื่องจาก 10,000 เกนและอีกครั้ง จำกัด ที่ 15V โดยแหล่งจ่ายไฟ) ดังนั้น V_out จะยังคงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
5. ลองพิจารณาจุดในเวลาเมื่อผลลัพธ์นี้ถึง 4V
6. $V_{out}$

รูปแบบที่เกิดขึ้นใหม่คือ: การป้อนข้อมูลที่แตกต่างทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นใน V_out ซึ่งก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าตอบกลับซึ่งทำให้การลดลงของการป้อนข้อมูลที่แตกต่างกันซึ่งจะลดแรงดันไฟฟ้า วงจรนี้ต่อเนื่องซึ่งหมายความว่าเราสามารถแยกออกเป็นช่วงเวลาที่สั้นกว่าสำหรับการตรวจสอบ ทั้งนี้:

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

อย่างไรก็ตามหาก op-amp ถึง 4.9998V ตอนนี้แรงดันไฟฟ้าที่ต่างกันจะเป็นเพียง 0.0002V ดังนั้นเอาต์พุต op-amp ควรลดลงเป็น 2V ทำไมไม่เกิดขึ้น?

ฉันเชื่อว่าในที่สุดฉันก็เข้าใจกระบวนการ:

$V_{out}$

และถ้าเอาต์พุตแอมป์ลดลงต่ำกว่า 4.9995V ความคิดเห็นจะลดลงทำให้แรงดันไฟฟ้าต่างกันเพิ่มขึ้นทำให้เอาต์พุตออปแอมป์กลับไปที่ 4.9995V

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

"Vin คือ 5V ดังนั้น Vout ควรเป็น 50,000V"

ทำไม? OpAmp ขยายความแตกต่างระหว่าง + และ - อินพุตไม่ใช่แค่ค่าของอินพุต +!

ตกลงคุณอาจเริ่มต้นด้วย: เอาต์พุตอยู่ที่ 0V และอินพุต (เชื่อมต่อกับ + อินพุต) คือ 5V สิ่งที่คุณทำคือใช้ขั้นตอน 5V กับอินพุต

ตอนนี้สิ่งที่เกิดขึ้นคือ OpAmp เริ่มเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุต มันไม่สามารถทำสิ่งนี้ได้ในครั้งเดียวดังนั้นมันจะเพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ (สำหรับค่าที่ค่อนข้างช้าซึ่งมีชื่อทางเทคนิคในโลก OpAmp: อัตราการฆ่าซึ่งเป็นลักษณะการนำเข้าของ OpAmp จริง) เมื่อถึงระดับ 5V สิ่งนี้จะถูกป้อนกลับไปยังอินพุตลบซึ่งในเวลานั้นจะชดเชย 5V ที่อินพุต + ดังนั้น OpAmp จึงไม่พยายามเพิ่มระดับเอาต์พุตอีกต่อไป (เพื่อความถูกต้องจริง: สิ่งนี้เกิดขึ้นก่อนหน้านี้เล็กน้อยเมื่อความแตกต่างคือ 5V / 10k.)

ขึ้นอยู่กับลักษณะของเวลาเอาต์พุตอาจ 'ช้า' ถึง 5V หรือเกินขนาด 5V ลดลงต่ำกว่า 5V ฯลฯ (แกว่งไปทาง 5V) หากวงจรได้รับการออกแบบไม่ดีความผันผวนอาจเพิ่มขึ้น (และไม่สิ้นสุด)

การตีความขั้นพื้นฐานที่สุด:

นี่คือวิธีที่ใช้งานง่ายของฉันในการทำความเข้าใจวงจรแอมป์ที่กำหนดโดยการระบุตัวตน รูปภาพเพื่อนเล็กน้อยภายในแอมป์สหกรณ์ เพื่อนตัวน้อยมีหน้าจอที่ระบุความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่าง + และ - อินพุต เพื่อนตัวน้อยยังมีลูกบิด ลูกบิดปรับแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ไหนสักแห่งระหว่างรางแรงดันไฟฟ้า

เป้าหมายของเพื่อนตัวน้อยของเราคือสร้างความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าทั้งสองศูนย์ เขาจะหมุนปุ่มจนกว่าเขาจะพบแรงดันไฟฟ้าที่เอาท์พุทที่ขึ้นอยู่กับวงจรที่คุณเชื่อมต่อกับมันจะทำให้จอแสดงผลของเขามีความแตกต่างอย่างไม่มีนัยสำคัญ

ดังนั้นในขั้นตอน "ตามลำดับ":

1. อินพุตไปยังวงจรบัฟเฟอร์อยู่ที่ 5V สมมติว่าปุ่มส่งออกเริ่มต้นที่ 0V
2. เนื่องจากอินพุตเชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุตในการกำหนดค่าบัฟเฟอร์ความแตกต่างที่อยู่บนจอแสดงผลของเพื่อนน้อยคือ 5V เขาไม่มีความสุขกับเรื่องนั้น
3. เพื่อนตัวน้อยเริ่มหมุนลูกบิดเพื่อเพิ่มแรงดันเอาต์พุต มันทำให้การใกล้ชิดยิ่งขึ้น
4. ในที่สุดเมื่อเขาเห็น 0V บนจอแสดงผลเขาจะหยุดเปลี่ยนลูกบิด ผลลัพธ์จะเป็น 5V

ภายในแอมป์สหกรณ์ในอุดมคติ:

จริงๆแล้วมันไม่ใช่เพื่อนน้อยในแอมป์สหกรณ์: มันเป็นคณิตศาสตร์! นี่เป็นตัวแทนของสิ่งที่เราพยายามนำมาใช้ใน op amp:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

สิ่งนี้จะบรรลุสิ่งที่เพื่อนตัวน้อยพยายามบรรลุด้วยข้อ จำกัด บางประการ:

• เพื่อนตัวน้อยสามารถคิดได้ว่าจะหมุนลูกบิดอย่างไร แต่ไม่สามารถทำได้ เราต้องขอมันให้ดีขึ้นเพื่อเพิ่มผลผลิตลดความแตกต่าง
• จะมีข้อผิดพลาดเล็กน้อยหาก "จำนวนมากได้รับ" ไม่ได้ไม่มีที่สิ้นสุดจริง ๆ
• เราต้องพิจารณาอย่างรอบคอบว่าวงจรจะมีเสถียรภาพหรือไม่ ในหัวข้อนี้มีประเด็นที่ค่อนข้างไม่ชัดเจนนัก

แอมป์สหกรณ์จริง:

นี่คือลักษณะของแอมป์สหกรณ์ (741) ที่ดูเหมือนอยู่ภายใน:

ทรานซิสเตอร์เหล่านี้มีการนำเสนอทางคณิตศาสตร์ด้านบน

สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่ามีปัญหามากมายที่ต้องปฏิบัติเมื่อต้องใช้แอมป์สหกรณ์จริง หากต้องการตั้งชื่อไม่กี่:

• กระแสไบแอส
• สัญญาณรบกวน
• แรงดันไฟฟ้าอินพุตโหมดทั่วไป
• กระแสไฟขาออก
• จัดหาแรงดันไฟฟ้า
• การกระจายอำนาจ
• พฤติกรรมแบบไดนามิกและความมั่นคง

แต่ในวงจรแอมป์สหกรณ์จิตใจของฉันมักจะเริ่มต้นด้วยคำอธิบาย "เพื่อนตัวน้อย" เสมอเพื่อให้ได้แนวคิดว่าเกิดอะไรขึ้น จากนั้นหากจำเป็นฉันก็ขยายมันด้วยการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ ในที่สุดถ้าจำเป็นฉันจะใช้ความรู้ที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับสิ่งที่จำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชัน

opAmp ทำงานในเวลาต่อเนื่องและไม่อยู่ในเวลาสุขุม ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีการดำเนินการใด ๆ เกิดขึ้นทันที แม้ว่าสวิตช์จะพลิกเพื่อเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้ากับขา + ยังมีเวลาเพิ่มขึ้นชั่วคราวในอินพุทและเอาออกมาอย่างต่อเนื่อง นี่เป็นคำอธิบายที่ใช้กันโดยทั่วไปว่าเป็นคำสั่ง opAmp แบบจำลองเครื่องเทศเป็นแบบนั้น โมเดลไม่ได้และไม่สามารถรวมความแตกต่างทั้งหมดที่อยู่ใน opAmp ได้ หากคุณต้องการศึกษาผลกระทบชั่วคราวของ opAmp ให้ซื้อและดูด้วยออสซิลโลสโคป นั่นเป็นวิธีเดียวที่คุณจะสามารถศึกษาผลกระทบ

ในโลกแห่งความเป็นจริงแอมป์สหกรณ์มีอัตราการฆ่าที่ จำกัด สำหรับแอมป์บางประเภทอัตราการฆ่าอาจเร็วมาก แต่ก็ไม่ได้เกิดขึ้นทันที เมื่ออินพุต "+" ของแอมป์สหกรณ์สูงขึ้นเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนกระทั่งถึงรางบวกหรืออินพุต "+" ไม่สูงกว่าอินพุต "-" อีกต่อไป เมื่ออินพุต "-" สูงกว่าเอาท์พุทจะลดลงอย่างรวดเร็วมากจนกว่าจะถึงรางลบหรืออินพุต "-" จะไม่สูงกว่าอินพุต "+" อีกต่อไป

ในวงจรที่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมที่สุดที่ใช้แอมป์สหกรณ์ด้านของพฤติกรรมของวงจรที่จำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการควรได้รับความพึงพอใจเท่า ๆ กันสำหรับช่วงอัตราการส่งออกที่สำคัญ ในกรณีของผู้ติดตามแรงดันไฟฟ้าอัตราการฆ่าจะเพิ่มการหน่วงเวลาสั้น ๆ ระหว่างเวลาที่อินพุตเปลี่ยนแปลงและเวลาที่เอาต์พุตถึงค่าเดียวกัน แต่จะไม่ส่งผลกระทบต่อมูลค่าที่เอาต์พุตถึง

ที่จริงแล้วปรากฏการณ์ที่คุณอธิบายเคยเป็นปัญหาจริงย้อนกลับไปในยุคมืด (1970) เคารพLM310 แรงดันติดตามแผ่นข้อมูลมีคำใบ้โปรแกรมประยุกต์ (ด้านล่างของหน้า 2) ซึ่งแนะนำตัวต้านทานอินพุต 10k โอห์มเพื่อรักษาความมั่นคง

นอกจากนี้โปรดทราบว่าอาร์กิวเมนต์ของคุณสามารถใช้กับวงจรแอมป์สหกรณ์ใด ๆและการจัดการกับข้อคัดค้านของคุณต้องพิจารณาการตอบสนองความถี่เครื่องขยายเสียงซึ่งเป็นวิธีที่มากกว่าที่ฉันสามารถครอบคลุม ปล่อยให้มันพอเพียงที่จะบอกว่าในมือข้างหนึ่งเอาท์พุทจะไม่เปลี่ยนแปลงทันที (อัตราการฆ่าอย่าง จำกัด ที่กล่าวถึงโดยผู้ตอบแบบสอบถามอื่น ๆ และในทางกลับกันมีการพิจารณาว่าวงจรภายในตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงเช่นกัน

สิ่งที่เกิดขึ้นจริงได้ถูกอธิบายโดยผู้อื่น: เอาท์พุทตอบสนองเพื่อนำความแตกต่างระหว่างสองอินพุตเป็นศูนย์และหากวงจรได้รับการออกแบบอย่างถูกต้องจะอยู่ที่นั่นในที่สุด แต่เพียงเพื่อแสดงให้คุณเห็นว่าเรื่องมีความซับซ้อนพิจารณาว่าถ้าคุณชะลอการส่งออกลดลงมากเกินไป (โดยการใส่ตัวเก็บประจุไปบนพื้นเอาท์พุท) คุณสามารถนอกจากนี้ยังก่อให้เกิดแอมป์ที่จะสั่น

ฉันขอโทษฉันไม่สามารถให้รายละเอียดเพิ่มเติมได้ แต่เป็นที่ชัดเจนว่าคุณต้องการพื้นหลังมากขึ้นก่อนที่ฉันจะสามารถอธิบายได้

คำตอบทั้งหมดคือเอาท์พุทของ opamp จะสังหารแรงดันไฟฟ้าใด ๆ ก็ตามที่จำเป็นเพื่อให้อินพุตที่ไม่มีการแปลง (+) และอินเวอร์เตอร์ (-) เป็นแรงดันเดียวกัน ดังนั้นถ้า + อินพุตถูกตั้งค่าเป็นพูด 5 โวลต์เอาท์พุทจะเซอร์โวถึง 5 โวลต์เพื่อที่ - อินพุตจะอยู่ที่ 5 โวลต์โดยสมมติว่ารางของ opamp จะอนุญาตให้เกิดขึ้น

ในความเป็นจริงแม้ว่าเอาต์พุตไม่เคยปักหลักและให้แรงดันด้านบนและด้านล่างของอินพุต +

ขึ้นอยู่กับปริมาณและแบนด์วิดท์ของ opamp และวงจรภายนอก แต่เป็นคำถามที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง