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

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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?

user1083734
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C'est un complot d'un consortium de fabricants de résistances.
Olin Lathrop
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Parce que cela fonctionne étonnamment bien. La plupart des ingénieurs n'ont pas cette expérience, mais: Utilisez réellement l'analyse nodale SANS l'hypothèse OpAmp idéale. Traitez-le comme un amplificateur à gain fini. Vous verrez que vous obtiendrez des résultats similaires, lorsque vous supposerez que le gain est infini, vous obtiendrez un ampli-op idéal.
CyberMen
@OlinLathrop Comment se fait-il qu'ils n'aient pas interdit les abonnés à la tension?
Dmitry Grigoryev

Réponses:

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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.

Jason Morgan
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Sans rétroaction, l'OpAmp fonctionne comme un comparateur, donc la sortie n'est pas complètement dénuée de sens.
starblue
Tous les opamps ne fonctionneront pas avec des comparateurs, pour un comparateur que vous devriez utiliser juste cela. De nombreux comparateurs ne fonctionneront pas comme un très bon ampli op. C'est un peu comme dire qu'une résistance fonctionne comme un fusible. Oui, mais ce n'est généralement pas une bonne idée. (Même si je connais au moins un dessin où il se trouve!)
Jason Morgan
.... J'aurais peut-être dû inclure que certains amplis-op font des choses très étranges lorsqu'ils sont conduits sur les rails ou surchargés au-delà de leur gamme CM.
Jason Morgan
Vous pouvez toujours le faire, en éditant la réponse: vous êtes également encouragé à améliorer vos articles via l'édition (bouton en bas à gauche du texte)
clabacchio
@JasonMorgan: Le problème n'est pas seulement la plage en mode commun. Certains amplificateurs opérationnels se comportent de façon étrange si la différence de tension entre les entrées devient trop importante, même si les deux entrées sont dans la plage que l'appareil peut gérer.
supercat
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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:

enter image description here

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

VOUT=100000×(V+V)

Maintenant et V - = V O U T , puisV+=VINV=VOUT

VOUT=100000×(VINVOUT)

ou, en réorganisant:

VOUT=100000100000+1×VIN

C'est aussi bon que

VOUT=VIN

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.×

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 .×VOUTVIN

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

enter image description here

Encore

VOUT=100000×(V+V) ,

V+=VINV=R1R1+R2×VOUT, then

VOUT=100000×(VINR1R1+R2×VOUT)

Or:

VOUT=100000×VINR1R1+R2×100000+1

The term "1" can be ignored, so that

VOUT=R1+R2R1×VIN

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).

stevenvh
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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:

enter image description here

Vout=AVx

Vf=FVout

Vx=VinVf=VinFVout

Vout=AVinAFVout

Av=VoutVin=A1+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).

clabacchio
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Thanks, I understand that a feedback is primarily needed to control the gain of the amplifier, so whatever the feedback gain, the amplifier gain will be equal to its inverse. Is that correct?
user1083734
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And do I understand correctly that the single resistor between output and input is not effective because it will not alter/divide up Vout and so the amplifier gain will be the same as its open loop gain, without any feedback. I am not sure on this last point.
user1083734
@user1083734 it's right: if you understand how the op-amp works, and what is the transfer function of the feedback circuit, you are a step closer to understand the whole circuit
clabacchio
Is the feedback transfer function the same as the transfer function of the whole circuit? I can calculate the latter, but do not know how to calculate the former.
user1083734
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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.

Daniel Martin
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"This rise should being the inputs closer together, finally stopping when they are equal." You don't explain why that happens.
stevenvh
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A typical power supply error amplifier has no DC feedback path:

Sipex app note  - error amplifier

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 :) ]

Adam Lawrence
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I think you are overcomplicating things trying to find an exception to OP's answer, especially because he's asking about feedback (try to abstract from him mentioning a resistor) and your circuit actually HAS feedback, but only for AC signals.
clabacchio
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The circuit depends on DC feedback also. It's just not shown in the circuit. The circuit shown is not the complete amplifier. Vcomp controls the duty cycle of a switch which then controls Vout, and this is effectively a DC feedback path. There has to be DC feedback, otherwise what will stabilize the amplifier? The AC local feedback will not do that.
Kaz
@Kaz I guess Olin is the only person allowed to have some fun here.
Adam Lawrence
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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

aazp
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"DC feeback in opamp uses due to stability" makes no sense, at least in English.
Olin Lathrop