Положительная обратная связь
Как мы видели, отрицательная обратная связь является невероятно полезным инструментом применительно к операционным усилителям. Она позволяет нам создавать все эти практические схемы с возможностью точно устанавливать коэффициенты усиления, скорости и другие значимые параметры с помощью всего лишь нескольких изменений номиналов резисторов. Отрицательная обратная связь делает все эти схемы стабильными и самокорректирующимися.
Основной принцип отрицательной обратной связи состоит в том, что выходной сигнал имеет тенденцию двигаться в направлении, которое создает условие равновесия (баланса). В схеме на операционном усилителе без обратной связи отсутствует корректирующий механизм, и выходное напряжение будет насыщаться при минимальной величине дифференциального напряжения, приложенного между входами. Результатом является компаратор.
С отрицательной обратной связью (выходное напряжение каким-то образом подается обратно на инвертирующий вход) схема имеет тенденцию препятствовать тому, чтобы выходное напряжение доходило до полного насыщения. Скорее выходное напряжение доходит до такого высокого или низкого значения, чтобы уравновешивать напряжения двух входов:
Независимо от того, будет ли выход соединен с инвертирующим (-) входом напрямую или через набор компонентов, эффект будет тем же: чрезвычайно высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя будет «приручен», и схема будет реагировать в соответствии с предписанием «петли» обратной связи, соединяющей выход с инвертирующим входом.
Другой тип обратной связи, а именно положительная обратная связь (ПОС), также находит применение в схемах на операционных усилителях. В отличие от отрицательной обратной связи, когда выходное напряжение подается обратно на инвертирующий (-) вход, при положительной обратной связи выходное напряжение каким-либо способом направляется обратно на неинвертирующий (+) вход. В простейшей форме мы могли бы подключить просто кусок провода от выхода до неинвертирующего входа и посмотреть, что произойдет:
Инвертирующий вход остается неподключенным к петле обратной связи и может принимать внешнее напряжение. Посмотрим, что произойдет, если соединим инвертирующий вход с землей:
Когда инвертирующий вход соединен с землей (удерживается на нуле вольт), выходное напряжение будет определяться величиной и полярностью напряжения на неинвертирующем входе. Если это напряжение будет положительным, операционный усилитель будет так же выдавать положительное напряжение, подавая это положительное напряжение обратно на неинвертирующий вход, что приведет к полному положительному насыщению на выходе. С другой стороны, если напряжение на неинвертирующем входе отрицательно, на выходе операционного усилителя будет так же отрицательное напряжение, которое будет подаваться обратно на неинвертирующий вход, и в результате получится полное отрицательное насыщение.
Здесь мы имеем схему, выход которой бистабилен: стабилен в одном из двух состояний (насыщенное положительное или насыщенное отрицательное). Как только он достигнет одного из этих насыщенных состояний, он будет оставаться в этом состоянии неизменным. То, что необходимо для его переключения, – это напряжение, приложенное к инвертирующему (-) входу с той же полярностью, но немного большему по величине. Например, если наша схема насыщена при выходном напряжении +12 вольт, то для изменения выходного напряжения необходимо напряжение не менее +12 вольт на инвертирующем входе. Когда состояние на выходе изменится, то это будет полностью насыщенное отрицательное состояние.
Таким образом, операционный усилитель с положительной обратной связью имеет тенденцию оставаться в любом состоянии выхода, в котором он уже находится. Он «защелкивается» в одном из двух состояний, насыщенном положительном или насыщенном отрицательном. Технически это явление известно как гистерезис.
Гистерезис может быть полезным свойством для схемы компаратора. Как мы видели ранее, компараторы могут быть использованы для создания прямоугольного сигнала из сигнала любого типа (синусоидального, треугольного, пилообразного и т.д.). Если входной сигнал переменного тока является бесшумным (то есть «чистым» сигналом), простой компаратор будет работать нормально.
Однако если имеются какие-либо аномалии в форме сигнала, такие как гармоники или «выбросы», которые вызывают значительное повышение и падение напряжения в течение одного периода, выход компаратора может переключать состояния неожиданно:
Каждый раз, когда происходит переход через опорный уровень напряжения, независимо от того, насколько крошечный этот переход может быть, выход компаратора будет переключать состояние, создавая прямоугольный сигнал с «глюками».
Если мы добавим в схему компаратора небольшую положительную обратную связь, мы введем гистерезис в выходной сигнал. Этот гистерезис заставит выход оставаться в своем текущем состоянии, если только входное переменное напряжение не претерпит существенного изменения величины.
То, что создает резистор обратной связи, является двумя опорными уровнями в схеме компаратора. Напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход в качестве опорного уровня, который сравнивается с входным переменным напряжением, изменяется в зависимости от значения выходного напряжения операционного усилителя. Когда выход операционного усилителя насыщен положительно, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более положительным, чем ранее. С другой стороны, когда выход ОУ насыщен отрицательно, то опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более отрицательным, чем ранее. Результат легче понять на графике:
Когда выход операционного усилителя насыщен положительно, действует верхнее опорное напряжение, и выходное напряжение не будет падать до отрицательного уровня насыщения, если входное напряжение не поднимется выше этого верхнего опорного уровня. С другой стороны, когда выход ОУ насыщен отрицательно, действует нижнее опорное напряжение, и выходное напряжение не поднимется до положительного уровня насыщения, если входное напряжение не упадет ниже этого нижнего опорного уровня. В результате получается чистый прямоугольный выходной сигнал, несмотря на значительное количество искажений входного сигнала переменного напряжения. Для того чтобы «выброс» вызвал переключение компаратора из одного состояния в другое, он должен быть, по крайней мере, столь же большим (высоким) как разность между верхним и нижним уровнями опорного напряжения и произойти в нужный момент времени, чтобы пересечь оба этих уровня.
Другим применением положительной обратной связи в схемах на операционных усилителях является построение схем генераторов. Генератор представляет собой устройство, которое создает переменное или, по меньшей мере, импульсное выходное напряжение. Технически он известен как нестабильное устройство: не имеет стабильного выходного состояния (нет какого-либо равновесия). Генераторы – это очень полезные устройства, и они легко реализуются с помощью простого операционного усилителя и нескольких внешних компонентов.
Когда выход насыщен положительно, Vопор будет положительным, и конденсатор зарядится в положительном направлении. Когда Vнакл превышает Vопор на минимальную разницу, выход будет насыщен отрицательно, и конденсатор будет заряжаться в противоположном направлении (полярности). Колебание происходит, потому что положительная обратная связь мгновенна, а отрицательная обратная связь имеет задержку (с помощью постоянной времени RC цепи). Частоту этого генератора можно регулировать, изменяя размер любого компонента.
Резюме
- Отрицательная обратная связь создает условие равновесия (баланса). Положительная обратная связь создает условие гистерезиса (тенденцию «запираться» в одном из двух крайних состояний).
- Генератор представляет собой устройство, создающее переменное или импульсное выходное напряжение.