Аналогия для делителя в цепи обратной связи
Полезной аналогией для понимания схем усилителей с делителем напряжения в цепи отрицательной обратной связи является механический рычаг с относительным движением концов рычага, представляющих изменение входных и выходных напряжений, и опорной точкой (точкой поворота), представляющей место точки земли, реальной или виртуальной.
Возьмем, к примеру, следующую неинвертирующую схему на операционном усилителе. Из предыдущей статьи известно, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя никогда не может быть меньше единицы (1). Если мы нарисуем рычаг рядом со схемой усилителя, с расстояниями между точкой опоры и концами рычага, символизирующими значения резисторов, движение рычага будет означать изменение напряжения на входных и выходных клеммах усилителя:
Физики называют этот тип рычага, с входной силой (усилием), прикладываемой между точкой опоры и выходом (нагрузкой), рычагом третьего рода. Он характеризуется смещением (движением) выхода, по меньшей мере, большим, чем смещение входа («усиление», по меньшей мере, 1), и в том же направлении. Применение положительного входного напряжения к этой схеме на ОУ аналогично смещению «входной» точки на рычаге вверх:
Из-за характеристик рычага, усиливающих смещение, точка «выхода» будет перемещаться в два раза дальше, чем точка «входа», и в том же направлении. В электронной цепи выходное напряжение будет в два раза больше входного напряжения и с той же полярностью. Применение отрицательного входного напряжения аналогично движению рычага вниз от его «нулевого» положения, что приводит к усиленному выходному смещению, которое так же отрицательно:
Если изменить отношение резисторов R2/R1, мы изменим коэффициент усиления схемы на операционном усилителе. В терминах рычагов это означает перемещение входной точки относительно точки опоры и конца рычага, что аналогичным образом изменяет «коэффициент усиления» смещения механизма:
Теперь любой входной сигнал будет усиливаться в четыре раза, а не в два:
Инвертирующая схема на операционном усилителе также может быть смоделирована с использованием аналогии с рычагом. При инвертирующей схеме точка земли делителя напряжения обратной связи является инвертирующим входом с входом усилителя слева и выходом справа. Это механически эквивалентно рычагу первого рода, где входная сила (усилие) находится на противоположной стороне точки опоры по сравнению с выходом (нагрузкой):
При одинаковых номиналах резисторов (равные длины рычага с каждой стороны от точки опоры) выходное напряжение (смещение) будет равным по величине входному напряжению (смещению), но противоположной полярности (направления). Положительный входной сигнал приводит к отрицательному выходному сигналу:
Изменение отношения R2/R1 изменяет коэффициент усиления схемы усилителя, так же как изменение положения точки опоры на рычаге изменяет «усиление» механического смещения. Рассмотрим следующий пример, где R2 в два раза больше, чем R1:
Однако с инвертирующей схемой усилителя возможны коэффициенты усиления менее 1, как и у рычагов первого класса. Перемена местами номиналов R2 и R1 аналогична перемещению точки опоры в противоположное положение на рычаге относительно центра: одна треть от выходного конца. Теперь выходное смещение будет составлять половину от входного смещения.
