Отрицательная обратная связь
Если мы соединим выход операционного усилителя с его инвертирующим входом и подадим напряжение сигнала на неинвертирующий вход, мы обнаружим, что выходное напряжение операционного усилителя близко повторяет входное напряжение (для упрощения на схеме не показаны источник питания, выводы +V/-V и условное обозначение земли).
По мере увеличения Vвх, напряжение Vвых будет увеличиваться в соответствии с дифференциальным коэффициентом усиления. Однако, по мере того, как Vвых увеличивается, это выходное напряжение подается обратно на инвертирующий вход, тем самым воздействуя на уменьшение разности напряжений между входами, что приводит к уменьшению выходного напряжения. Что произойдет для любого заданного входного напряжения, так это то, что операционный усилитель будет выдавать напряжение, почти равное Vвх, но достаточно низкое, чтобы между Vвх и входом (-) была разность напряжений, достаточная для усиления, чтобы генерировать выходное напряжение.
Схема быстро достигнет точки стабильности (известной в физике как равновесие), где выходное напряжение является только величиной, правильной для поддержания подходящей величины разности напряжений, которая в свою очередь, создает подходящую величину выходного напряжения. Взятие выходного напряжения усилителя и подача его на инвертирующий вход – это метод, известный как отрицательная обратная связь, и ключ к созданию самостабилизирующейся системы (это справедливо не только для операционных усилителей, но и для любой динамической системы в целом). Эта стабильность дает операционному усилителю возможность работать в линейном (активном) режиме, а не просто насыщаться, полностью «включаясь» или «выключаясь», как это было при использовании ОУ в качестве компаратора, без обратной связи вовсе.
Поскольку коэффициент усиления ОУ настолько высок, напряжение на инвертирующем входе может поддерживаться почти равным Vвх. Предположим, что наш операционный усилитель имеет дифференциальный коэффициент усиления 200000. Если Vвх равно 6 вольт, выходное напряжение будет равно 5,999970000149999 вольт. Это создает достаточное дифференциальное напряжение (6 вольт - 5,999970000149999 вольт = 29,99985 мкВ), чтобы на выходном выводе появлялось напряжение 5,999970000149999 вольт, и система сохранялась в состоянии равновесия. Как вы можете видеть, 29,99985 мкВ – это не такая большая разница, поэтому для практических расчетов можно предположить, что дифференциальное напряжение между двумя входными выводами удерживается отрицательной обратной связью точно на 0 вольт.
Одно большое преимущество использования операционного усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что фактический коэффициент по напряжению операционного усилителя не имеет значения, если он очень велик. Если дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя был бы равен 250000, вместо 200000, это означало лишь только то, что выходное напряжение находилось бы чуть ближе к Vвх (для создания необходимого выходного напряжения требовалось бы меньшее дифференциальное напряжение между входами). В только что показанной схеме выходное напряжение будет (для всех практических целей) равным напряжению на неинвертирующем входе. Таким образом, чтобы разработчик схемы мог построить схему с точным коэффициентом усиления, коэффициенты усиления операционных усилителей не обязательно должны точно выставляться на заводе. Отрицательная обратная связь делает систему самокорректирующейся. Приведенная выше схема в целом просто повторяет входное напряжение со стабильным коэффициентом усиления 1.
Возвращаясь к нашей модели дифференциального усилителя, мы можем думать о том, что операционный усилитель является источником изменяемого напряжения, контролируемым чрезвычайно чувствительным детектором нуля, типа стрелочного индикатора или другого чувствительного измерительного прибора, используемого в мостовых схемах для детектирования состояния баланса (нуля вольт). «Потенциометр» внутри операционного усилителя, создавая изменяемое напряжение, будет перемещаться в какое-либо положение, необходимое для «баланса» напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах, чтобы на «детекторе нуля» было нулевое напряжение:
По мере того, как «потенциометр» будет двигаться, чтобы обеспечить выходное напряжение, необходимое для удовлетворения «индикации» нуля вольт на «детекторе нуля», выходное напряжение будет становиться равным входному напряжению (в этом случае 6 вольт). Если входное напряжение изменится, «потенциометр» внутри операционного усилителя изменит положение, чтобы удерживать «детектор нуля» в равновесии (с индикацией нуля вольт), что приводит к выходному напряжению всегда приблизительно равному входному напряжению.
Это справедливо в диапазоне напряжений, которые операционный усилитель может выдавать на выходе. При напряжении питания +15В/-15В и идеальном усилителе, который может изменять свое выходное напряжение до таких же пределов, он будет точно «повторять» входное напряжение в пределах от +15 вольт до -15 вольт. По этой причине приведенная выше схема известна как повторитель напряжения. Как и его однотранзисторный аналог, усилитель с общим коллектором («эмиттерный повторитель»), он имеет коэффициент усиления по напряжению 1, высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления по току. Повторители напряжения также известны как буферы напряжения и используются для повышения токовых возможностей сигналов напряжения, которые слишком слабы (имеют слишком высокое сопротивление источника), чтобы непосредственно запитывать нагрузку. Модель операционного усилителя, показанная на последней иллюстрации, показывает, как выходное напряжение, по сути, изолировано от входного напряжения, поэтому ток на выходном выводе обеспечивается вовсе не источником входного напряжения, а на самом деле источником питания, питающим операционный усилитель.
Следует упомянуть, что многие операционные усилители не могут раскачивать свое выходное напряжение точно до напряжений +V/-V на шинах питания. Модель 741 является одной из тех, которые этого не могут: при насыщении выходное напряжение этого операционного усилителя в пике не доходит примерно на один вольт до напряжения источника питания +V и на два вольта до напряжения источника питания -V. Следовательно, при двуполярном источнике питания +15/-15 вольт выходное напряжение этого операционного усилителя может достигать +14 вольт в максимуме и -13 вольт в минимуме (приблизительно), но не более того. Это связано с его конструкцией на биполярных транзисторах. Эти два предела напряжения известны как положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения соответственно. Другие операционные усилители, такие как модель 3130 с полевыми транзисторами в оконечном выходном каскаде, имеют возможность раскачивать свои выходные напряжения в пределах милливольт от напряжений на шинах своих источников питания. Следовательно, их положительное и отрицательное напряжения насыщения практически равны напряжениям питания.
Резюме
- Подключение выхода операционного усилителя к его инвертирующему (-) входу называется отрицательной обратной связью. Этот термин может широко применяться в любой динамической системе, где каким-то образом выходной сигнал «подается обратно» на вход, чтобы достичь точки равновесия (баланса).
- Когда выход операционного усилителя напрямую подключен к его инвертирующему (-) входу, получается повторитель напряжения. Независимо от того, какое подается напряжение сигнала, напряжение на выходе будет таким же, как неинвертирующем (+) входе.
- Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет пытаться довести свое выходное напряжение до любого уровня, необходимого, чтобы дифференциальное напряжение между двумя входами было практически равно нулю. Чем выше дифференциальный коэффициент усиления ОУ, тем ближе это дифференциальное напряжение к нулю.
- Некоторые операционные усилители не могут при насыщении обеспечить выходное напряжение, равное их напряжению питания. Модель 741 является одной из них. Верхний и нижний пределы колебания выходного напряжения ОУ известны как положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения соответственно.