Explication étape par étape de la façon dont le suiveur de tension atteint l'état d'équilibre à l'aide d'une rétroaction négative

Juste une minute! Je n'essaie pas de comprendre ce que la rétroaction négative finit par faire , ni pourquoi elle devrait être utilisée. J'essaie de comprendre comment le circuit atteint l'état d'équilibre et comment, étape par étape, la rétroaction négative fait que Vout est le même que Vin. Cela n'a pas été traité de manière adéquate dans d'autres réponses.

Supposons que l'ampli-op a un gain de 10 000, une alimentation de 15 V et Vin est de 5 V.

Selon ma compréhension, voici comment cela se passe:

1. $V_{in}$ est 5V, donc devrait être 50,000V. Cependant, il est limité à 15V par l'alimentation de l'ampli-op.$V_{out}$
2. V - V i $V_{out}$ est ensuite appliqué de nouveau à , mais il est soustrait de car il s'agit d' une rétroaction négative$V_-$$V_{in}$
3. Donc, la tension d'entrée différentielle est maintenant de 5 V - 15 V = -10 V
4. Ceci est ensuite amplifié à -15 V par l'ampli-op (à cause de la saturation)
5. Maintenant -15V est appliqué à par rétroaction négative, mais il est ajouté à 5V, en raison d'un double négatif$V_{in}$
6. Alors maintenant, l'entrée différentielle est de 20 V et est de 15 V (en raison de la saturation)$V_{out}$
7. Il semble que chaque fois que l'ampli op atteigne la saturation, il suffit d'inverser la sortie

J'ai évidemment fait quelque chose de mal ici. La sortie ne se stabilisera jamais à 5V de cette façon. Comment ça marche réellement?

En raison des excellentes réponses, j'ai (je pense) compris le fonctionnement de la rétroaction négative. Selon ma compréhension, voici comment cela se passe:

Disons pour plus de simplicité que l'entrée est une étape parfaite vers 5V (sinon la sortie suivrait l'entrée transitoire, rendant tout «continu» et difficile à expliquer par étapes).

1. Au début, l'entrée est de 5 V, et actuellement la sortie est à 0 V, et 0 V est réinjecté dans$V_{in}$
2. Alors maintenant, la tension différentielle est de 5V. Comme le gain de l'ampli op est de 10 000, il voudra produire une sortie de 50 000 V (pratiquement limitée par la tension d'alimentation), donc la sortie commencera à augmenter rapidement.$(V_+ - V_-)$
3. Considérons le moment où cette sortie atteint 1V.
4. À l'heure actuelle, le retour sera également de 1 V et la tension différentielle sera tombée à 4 V. Maintenant, la tension «cible» de l'ampli-op sera de 40 000 V (en raison du gain de 10 000, et là encore, limitée à 15 V par l'alimentation). Ainsi, V_out continuera d'augmenter rapidement.
5. Considérons le moment où cette sortie atteint 4V.
6. Maintenant, le retour sera également à 4V, et la tension différentielle sera tombée à 1V. Maintenant, la «cible» de l'ampli opérationnel est de 10 000 V (limitée à 15 V par l'alimentation). Ainsi, continuera d'augmenter.$V_{out}$

Le modèle qui émerge est le suivant: l'entrée différentielle provoque une augmentation de V_out, ce qui entraîne une augmentation de la tension de rétroaction, ce qui entraîne une diminution de l'entrée différentielle, ce qui diminue la tension de sortie «cible» de l'ampli opérationnel. Ce cycle est continu, ce qui signifie que nous pouvons le diviser en intervalles encore plus courts pour l'enquête. De toute façon:

7. Considérons le moment où cette sortie atteint 4,9995V. À l'heure actuelle, le retour est de 4,9995V, donc la tension différentielle tombera à 0,0005V . Maintenant, la cible de l'ampli-op est .$(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

Cependant , si l'ampli op atteint 4,9998V, la tension différentielle ne sera plus que de 0,0002V. Ainsi, la sortie de l'ampli op devrait diminuer à 2V. Pourquoi cela ne se produit-il pas?

Je crois avoir enfin compris le processus:

La sortie de l'ampli op ne peut pas atteindre 4,9998V. Parce que dès que augmente au-dessus de 4,9995V, le retour augmentera également, entraînant une diminution de l'entrée différentielle, ramenant la sortie de l'ampli opérationnel à 4,9995V.$V_{out}$

Et si la sortie de l'ampli opérationnel tombe en dessous de 4,9995V, la rétroaction diminuera, provoquant une augmentation de la tension différentielle, ramenant la sortie de l'ampli opérationnel à 4,9995V.

Les deux derniers points sont l'essence de la rétroaction négative. s'est stabilisé le plus près possible de . Si le gain était plus élevé, la différence entre et serait plus petite. Si le gain atteint l'infini, alors la tension de sortie est exactement égale à la tension d'entrée, et en raison de la rétroaction étant exactement égale à , il y aurait 0 tension différentielle, et une masse virtuelle serait créée entre les deux entrées.$V_{out}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

"Vin est 5V, donc Vout devrait être 50,000V."

Pourquoi? L'OpAmp amplifie la différence entre les entrées + et -, pas seulement la valeur sur l'entrée +!

OK, vous pouvez commencer par: la sortie est à 0V et l'entrée (connectée à l'entrée +) est à 5V. Ce que vous avez fait, c'est appliquer une étape de 5V à l'entrée.

Maintenant, ce qui se passe, c'est que l'OpAmp commence à augmenter la tension sur la sortie. Il ne peut pas le faire à la fois, il augmentera donc `` lentement '' (pour une valeur plutôt rapide de lentement, qui a un nom technique dans le monde OpAmp: le taux de balayage, qui est une caractéristique importante d'un véritable OpAmp). Lorsqu'il atteint 5 V, il est renvoyé à l'entrée négative, auquel cas il compense le 5 V à l'entrée +, de sorte que l'OpAmp n'essaie plus d'augmenter son niveau de sortie. (Pour être vraiment précis: cela se produit un peu plus tôt, lorsque la différence est de 5V / 10k.)

Selon les caractéristiques de synchronisation, la sortie peut s'installer lentement à 5 V, ou dépasser le 5 V, descendre en dessous de 5 V, etc. (osciller vers 5 V). Si le circuit est mal conçu, l'oscillation peut augmenter (et ne jamais s'arrêter).

Interprétation la plus élémentaire:

Voici ma façon intuitive de comprendre un circuit d'ampli op donné par personnification. Imaginez un petit mec à l'intérieur de l'ampli op. Le petit mec a un écran qui indique la différence de tension entre les entrées + et -. Le petit mec a également un bouton. Le bouton règle la tension de sortie, quelque part entre les rails de tension.

Le but de notre petit ami est de faire la différence entre les deux tensions nulles. Il tournera le bouton jusqu'à ce qu'il trouve la tension sur la sortie qui, en fonction du circuit que vous y avez connecté, entraîne une différence nulle sur son affichage.

Donc, par étapes "séquentielles":

1. L'entrée du circuit tampon est à 5V. Supposons que le bouton de sortie soit initialement à 0V.
2. Étant donné que l'entrée est connectée directement à la sortie dans la configuration de tampon, la différence qui est sur l'affichage du petit mec est de 5V. Il n'en est pas content.
3. Le petit mec commence à tourner le bouton pour augmenter la tension de sortie. Il se rapproche de plus en plus.
4. Enfin, quand il voit 0V sur l'écran, il arrête de changer le bouton. La sortie sera désormais à 5V.

À l'intérieur d'un ampli opérationnel idéal:

Ce n'est pas vraiment un petit mec à l'intérieur d'un ampli op: c'est des maths! Voici une représentation de ce que nous essayons d'implémenter dans un ampli op:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Cela permettra d'atteindre ce que le petit mec essayait de réaliser avec quelques limitations:

• Le petit mec pourrait comprendre dans quel sens tourner le bouton, mais cela ne peut pas. Nous devons le raccorder de telle sorte que l'augmentation de la sortie diminue la différence.
• Il y aura une petite erreur si les "Beaucoup de gain" ne sont pas réellement l'infini.
• Nous devons examiner attentivement si le circuit sera stable. Il y a pas mal de choses sur ce sujet .

Un véritable ampli opérationnel:

Voici à quoi ressemble un véritable ampli op (le 741) à l'intérieur:

Ces transistors implémentent la représentation mathématique ci-dessus.

Il est important de garder à l'esprit qu'il existe une multitude de problèmes pratiques qui doivent être résolus lors de l'utilisation d'un véritable ampli opérationnel. Pour n'en nommer que quelques-uns:

• Courants de biais
• Bruit
• Tension d'entrée en mode commun
• Sortie courant
• Tensions d'alimentation
• Dissipation de puissance
• Comportement dynamique et stabilité

Mais dans tous les circuits d'amplis op, mon esprit commence toujours par l'explication du "petit mec" pour avoir une idée de ce qui se passe. Ensuite, si nécessaire, je prolonge cela par une analyse mathématique. Enfin, également si nécessaire, j'applique des connaissances pratiques de ce qui est nécessaire pour répondre aux exigences d'une application.

Un opAmp fonctionne en temps continu et non en temps discret. Cela signifie qu'aucune action ne peut se produire instantanément et que les actions ne se produisent pas par étapes. Même si un interrupteur est actionné pour connecter une tension à la broche +, il y a toujours un temps de montée transitoire à l'entrée et la sortie suit en continu. Ceci est très communément décrit comme une action opAmp. Un modèle d'épices est juste cela, un modèle. Le modèle n'incorpore pas et ne peut pas intégrer toutes les nuances présentes dans l'opAmp. Si vous voulez étudier les effets transitoires d'un opAmp, achetez-en un et regardez-le avec un oscilloscope. C'est la seule façon d'étudier les effets.

Dans le monde réel, les amplis op ont un taux de balayage limité. Pour certains types d'amplificateurs opérationnels, le taux de balayage peut être très rapide, mais il n'est jamais assez instantané. Lorsque l'entrée "+" de l'ampli op est plus élevée, la sortie augmentera très rapidement jusqu'à ce qu'elle atteigne le rail positif ou l'entrée "+" ne soit plus supérieure à l'entrée "-". Lorsque l'entrée "-" est plus élevée, la sortie chutera très rapidement jusqu'à ce qu'elle atteigne le rail négatif ou l'entrée "-" ne soit plus supérieure à l'entrée "+".

Dans la plupart des circuits correctement conçus qui utilisent des amplificateurs opérationnels, les aspects du comportement des circuits nécessaires pour répondre aux exigences doivent être également satisfaits pour une plage importante de vitesses de balayage de sortie. Dans le cas du suiveur de tension, par exemple, la vitesse de balayage ajoutera un court délai entre le moment où l'entrée change et le moment où la sortie atteint la même valeur, mais elle n'affectera pas la valeur atteinte par la sortie.

En fait, le phénomène que vous décrivez était un véritable problème, remontant aux âges sombres (années 1970). La vénérable fiche technique du suiveur de tension LM310 contient le conseil d'application (bas de la page 2) qui recommande une résistance d'entrée de 10k ohms afin de maintenir la stabilité.

Notez également que votre argument peut être appliqué à n'importe quel circuit d'ampli op, et pour traiter votre objection, vous devez tenir compte de la réponse en fréquence de l'amplificateur, qui est bien plus que ce que je peux couvrir. Qu'il suffise de dire que, d'une part, la sortie ne change pas instantanément (vitesse de balayage limitée mentionnée par d'autres répondeurs, et d'autre part, il y a un examen de la façon dont les circuits internes répondent également aux changements.

Ce qui se passe réellement a été décrit par d'autres: la sortie répond pour ramener la différence entre les deux entrées à zéro, et si le circuit est correctement conçu, il y restera éventuellement. Mais juste pour vous montrer que le sujet est compliqué, considérez que si vous ralentissez trop la sortie (en mettant un condensateur à la masse sur la sortie), vous pouvez également faire osciller l'ampli.

Je suis désolé, je ne peux pas donner plus de détails, mais il est assez clair que vous avez besoin de beaucoup plus d'informations avant de pouvoir même l'expliquer.

La réponse grossière est que la sortie de l'ampli op tournera à la tension nécessaire pour que les entrées non inverseuses (+) et inverseuses (-) soient à la même tension. Par conséquent, si l'entrée + est réglée sur, disons, 5 volts, la sortie sera asservie à 5 volts afin que l'entrée - soit à 5 volts, en supposant que les rails de l'ampli op permettront que cela se produise.

En réalité, cependant, la sortie ne se stabilise jamais vraiment et est toujours asservie au-dessus et en dessous de la tension sur l'entrée +.

La quantité dépend du gain et de la bande passante de l'ampli op et des circuits externes, mais c'est une toute autre question.