Pourquoi la rétroaction est-elle requise dans les circuits d'amplis opérationnels?

Je comprends que, pour qu'un ampli op fonctionne correctement, une boucle de rétroaction CC de la sortie vers l'entrée inverseuse ou non inverseuse (en fonction des circuits externes) est nécessaire.

À quoi sert la rétroaction CC lors de l'utilisation d'amplificateurs opérationnels? Pourquoi est-il nécessaire et quels seraient les effets sans cela?

Un opamp idéal a un gain infini. Il amplifie la différence de tension entre les broches + et -. Bien sûr, en réalité, ce gain n'est pas infini, mais reste assez important.

La sortie de l'ampli-op (dans une certaine mesure l'entrée également) est limitée par l'alimentation, nous ne pouvons pas en sortir plus que l'alimentation.

Si nous mettons simplement des signaux dans l'ampli opérationnel sans rétroaction, ils les multiplieront à l'infini et obtiendront une sortie binaire (cela saturerait les rails d'alimentation)

Nous avons donc besoin d'un moyen de contrôler le gain. C'est ce que fait la rétroaction.

La rétroaction (DC et AC) fait partie de la sortie amplifiée de l'entrée, de sorte que le gain est beaucoup plus contraint par le réseau de rétroaction, qui est prévisible, et beaucoup moins par le gain en boucle ouverte massif (et imprévisible).

Même dans un circuit à courant alternatif uniquement, nous avons encore besoin d'une rétroaction qui fonctionne à courant continu (zéro Hz) ou le gain ne serait que celui de la boucle ouverte pour les signaux CC. Votre signal AC, bien que contraint, serait submergé par le gain en boucle ouverte DC.

Vous savez déjà qu'un ampli op a une amplification en boucle ouverte très élevée, généralement 100 000 fois. Regardons la situation de feedback la plus simple:

L'ampli-op amplifie la différence entre et V - : $V_+$$V_-$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$

Maintenant et V - = V O U T , puis$V_+ = V_{IN}$$V- = V_{OUT}$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - V_{OUT})$

ou, en réorganisant:

$V_{OUT} = \dfrac{100 000}{100 000 + 1} \times V_{IN}$

C'est aussi bon que

$V_{OUT} = V_{IN}$

Il s'agit d'un suiveur de tension , un amplificateur 1, qui est principalement utilisé pour obtenir une impédance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible.$\times$

Le retour réduit l'amplification en boucle ouverte très élevée à 1. On notera que la forte amplification est nécessaire pour obtenir V O U T aussi proche que possible de V I N .$\times$$V_{OUT}$$V_{IN}$

edit
Maintenant, en utilisant seulement une fraction de la tension de sortie dans le feedback, nous pouvons contrôler l'amplification.

Encore

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$ ,

$V_+ = V_{IN}$$V- = \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT}$, then

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT})$

Or:

$V_{OUT} = \dfrac{100000 \times V_{IN}}{\dfrac{R1}{R1+R2} \times 100000 + 1}$

The term "1" can be ignored, so that

$V_{OUT} = \dfrac{R1+R2}{R1} \times V_{IN}$

Notice that in both the voltage follower and this non-inverting amplifier the actual amplification factor of the opamp cancels provided it is high enough (>> 1).

The ideal op-amp has infinite gain, and this is of little use in analog electronics. The feedback is used to limit the gain of the circuit. You can find many examples in the wiki article.

Consider the simple feedback loop:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

$Vout = A \cdot Vin - A \cdot F \cdot Vout$

$Av = \frac{Vout}{Vin} = \frac{A}{1+AF}$

In the case of the op-amp, its gain defines A: it will be a quite nasty function, because these amplifier are made for just giving brutal gain, and won't have a nice linear function. Luckily, if you look at Av, if A is big enough it will cancel the 1 and itself leaving 1/F to determine the gain.

In the case of the non-inverting amplifier, the block F is a voltage divider, so it will be something like 1/X. This will set the gain of the amplifier to X.

In the case of real op-amps, A won't be infinite, but big enough to allow cancelling it in the DC gain equation. And the advantages of feedback are even more, like increasing bandwith, linearity, S/N ratio and more. For instance, in a closed loop the gain is determined only by the inverse of the feedback gain, provided that the op-amp gain is big enough.

Actually, one resistor only is not that useful as a feedback, as it behaves the same as a short circuit. A voltage divider to ground makes it behave like a fixed ratio multiplier of the same factor (for the same reason mentioned above).

The purpose of DC feedback is to define what you want the op-amp to do, i.e. what its output voltage will be. Without it, the output will rise or fall until it hits the power rails.

This can be useful, and there is a large market for op-amps specialized to work this way, called "comparators".

A comparator is simple: if the + input is greater than the - input, the output is +Vcc. Otherwise, the output is −Vee. The schematic symbol is the same as an op-amp, and they can even with sufficient effort be coaxed into working in both roles, but in practice, the two types are highly specialized, and such efforts are not really worth it.

With the DC feedback path, an op-amp can be stable at some point other than "output hard against the rails", and the circuit is generally designed to find that point.

Rather than thinking about it statically, think about an op-amp as an integrator. Whenever its + input is greater than its − input, an op-amp's output will RISE, rapidly. This rise should being the inputs closer together, finally stopping when they are equal. Likewise, + input less than − input will cause the output to fall. The feedback is generally to the − input because that's the simplest way to make a circuit that works this way.

A typical power supply error amplifier has no DC feedback path:

I can assure you, however, that this amplifier works quite well.

Visualize this error amplifier controlling a buck converter. Vcomp would be used to control the duty cycle of a switch, which controls current flow through an inductor and controls Vout. As Vcomp increases, so does the duty cycle, which causes Vout to increase and Vcomp to decrease. The compensation network will increase or decrease Vcomp in a controlled manner, to force Vout to match Vref (as closely as the opamp will allow).

[ Of course, the power train is providing some semblance of DC feedback, but I digress :) ]

DC feedback in op-amp uses due to stability, also op-amp gain is too high so we use feedback to have a specific gain in output