Аналогия для делителя в цепи обратной связи

Добавлено 23 ноября 2018 в 02:15

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:

Использование рычага в качестве аналогии отрицательной обратной связи с делителем напряжения
Использование рычага в качестве аналогии отрицательной обратной связи с делителем напряжения

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:

Неинвертирующий усилитель с положительным входным напряжением. Аналогия с рычагом
Неинвертирующий усилитель с положительным входным напряжением. Аналогия с рычагом

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:

Неинвертирующий усилитель с отрицательным входным напряжением. Аналогия с рычагом
Неинвертирующий усилитель с отрицательным входным напряжением. Аналогия с рычагом

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:

Неинвертирующий усилитель с отрицательным входным напряжением, изменение соотношения резисторов отрицательной обратной связи. Аналогия с рычагом
Неинвертирующий усилитель, изменение соотношения резисторов отрицательной обратной связи. Аналогия с рычагом

Теперь любой входной сигнал будет усиливаться в четыре раза, а не в два:

Неинвертирующий усилитель с отрицательным входным напряжением, изменение коэффициента усиления по напряжению. Аналогия с рычагом
Неинвертирующий усилитель, изменение коэффициента усиления по напряжению. Аналогия с рычагом

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):

Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи. Аналогия с рычагом
Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи. Аналогия с рычагом

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:

Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи, положительное входное напряжение. Аналогия с рычагом
Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи, положительное входное напряжение. Аналогия с рычагом

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:

Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи, изменение номиналов резисторов делителя, коэффициент усиления по напряжению больше 1. Аналогия с рычагом
Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи, изменение номиналов резисторов делителя, коэффициент усиления по напряжению больше 1. Аналогия с рычагом

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.

Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи, изменение номиналов резисторов делителя, коэффициент усиления по напряжению меньше 1. Аналогия с рычагом
Инвертирующий усилитель с делителем в цепи обратной связи, изменение номиналов резисторов делителя, коэффициент усиления по напряжению меньше 1. Аналогия с рычагом

Теги

Делитель напряженияИнвертирующий усилительКоэффициент усиления по напряжениюНеинвертирующий усилительОтрицательная обратная связьОУ (операционный усилитель)УчебникЭлектроника

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.