¿Por qué se requiere retroalimentación en los circuitos del amplificador operacional?

Entiendo que, para que un amplificador operacional funcione correctamente, se requiere un circuito de retroalimentación de CC desde la salida a la entrada inversora o no inversora (dependiendo de los circuitos externos).

¿Cuál es el propósito de la retroalimentación DC cuando se usan amplificadores operacionales? ¿Por qué es necesario y cuáles serían los efectos sin él?

Un opamp ideal tiene ganancia infinita. Amplifica la diferencia de voltaje entre los pines + y -. Por supuesto, en realidad, esta ganancia no es infinita, pero sí bastante grande.

La salida del opamp (en algunos casos también la entrada) está limitada por la fuente de alimentación, no podemos salir más de lo que la fuente pone.

Si simplemente colocamos señales en el opamp sin retroalimentación, las multiplicaría por infinito y obtendría una salida binaria (se saturaría en los rieles de suministro)

Entonces, necesitamos alguna forma de controlar la ganancia. Eso es lo que hace la retroalimentación.

La retroalimentación (CC y CA) forma parte de la salida amplificada de la entrada, de modo que la ganancia está limitada mucho más por la red de retroalimentación, que es predecible, y mucho menos por la ganancia de bucle abierto masiva (e impredecible).

Incluso en un circuito de CA solo necesitamos retroalimentación que funcione en CC (cero Hz) o la ganancia sería solo la del bucle abierto para las señales de CC. Su señal de CA aunque restringida se vería inundada por la ganancia de bucle abierto de CC.

Usted ya sabe que un opamp tiene una amplificación de bucle abierto muy alta, típicamente 100 000 veces. Veamos la situación de retroalimentación más simple:

El opamp amplificará la diferencia entre y V - : $V_+$$V_-$

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

Ahora y V - = V O U T , entonces$V_+ = V_{IN}$$V- = V_{OUT}$

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

o, reorganizando:

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

Eso es tan bueno como

$V_{OUT} = V_{IN}$

Este es un seguidor de voltaje , un amplificador 1, que se utiliza principalmente para obtener una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.$\times$

La retroalimentación reduce la muy alta amplificación de bucle abierto a 1. Obsérvese que se necesita la alta amplificación para obtener V O U T lo más cerca posible a V I N .$\times$$V_{OUT}$$V_{IN}$

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Ahora usando solo una fracción del voltaje de salida en la retroalimentación podemos controlar la amplificación.

De nuevo

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

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

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

O:

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

El término "1" puede ignorarse, de modo que

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

Observe que tanto en el seguidor de voltaje como en este amplificador no inversor, el factor de amplificación real de las cancelaciones de amplificador operacional siempre que sea lo suficientemente alto (>> 1).

El amplificador operacional ideal tiene ganancia infinita, y esto es de poca utilidad en electrónica analógica. La retroalimentación se usa para limitar la ganancia del circuito. Puedes encontrar muchos ejemplos en el artículo wiki .

Considere el ciclo de retroalimentación simple:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

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

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

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.

En el caso del amplificador no inversor, el bloque F es un divisor de voltaje, por lo que será algo así como 1 / X. Esto establecerá la ganancia del amplificador en X.

En el caso de los amplificadores operacionales reales, A no será infinito, sino lo suficientemente grande como para permitir cancelarlo en la ecuación de ganancia de CC. Y las ventajas de la retroalimentación son aún más, como aumentar el ancho de banda, la linealidad, la relación S / N y más. Por ejemplo, en un circuito cerrado, la ganancia está determinada solo por el inverso de la ganancia de retroalimentación, siempre que la ganancia del amplificador operacional sea lo suficientemente grande.

En realidad, una sola resistencia no es tan útil como retroalimentación, ya que se comporta igual que un cortocircuito. Un divisor de voltaje a tierra hace que se comporte como un multiplicador de relación fija del mismo factor (por la misma razón mencionada anteriormente).

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".

Un comparador es simple: si la entrada + es mayor que la entrada -, la salida es + Vcc. De lo contrario, la salida es −Vee. El símbolo esquemático es el mismo que el de un amplificador operacional, e incluso con el suficiente esfuerzo pueden ser inducidos a trabajar en ambos roles, pero en la práctica, los dos tipos son altamente especializados, y tales esfuerzos realmente no valen la pena.

Con la ruta de retroalimentación de CC, un amplificador operacional puede ser estable en algún punto que no sea "salida fuerte contra los rieles", y el circuito generalmente está diseñado para encontrar ese punto.

En lugar de pensarlo estáticamente, piense en un amplificador operacional como integrador. Siempre que su entrada + sea mayor que su entrada -, la salida de un amplificador operacional AUMENTARÁ, rápidamente. Este aumento debería ser las entradas más cercanas entre sí, finalmente deteniéndose cuando son iguales. Del mismo modo, + input menor que - input hará que la salida se caiga. La retroalimentación es generalmente a la entrada - porque esa es la forma más simple de hacer un circuito que funcione de esta manera.

Un amplificador de error de fuente de alimentación típico no tiene una ruta de retroalimentación de CC:

Sin embargo, puedo asegurarle que este amplificador funciona bastante bien.

Visualice este amplificador de error que controla un convertidor reductor . Vcomp se usaría para controlar el ciclo de trabajo de un interruptor, que controla el flujo de corriente a través de un inductor y controla Vout. A medida que aumenta Vcomp, también lo hace el ciclo de trabajo, lo que hace que Vout aumente y Vcomp disminuya. La red de compensación aumentará o disminuirá Vcomp de manera controlada, para forzar a Vout a que coincida con Vref (tan cerca como lo permita el opamp).

[Por supuesto, el tren de fuerza está proporcionando algo parecido a la retroalimentación de CC, pero estoy divagando :)]

La retroalimentación de CC en los usos del amplificador operacional debido a la estabilidad, también la ganancia del amplificador operacional es demasiado alta, por lo que utilizamos la retroalimentación para tener una ganancia específica en la salida