Warum verstärken sich Operationsverstärker weiter?

Ich habe eine alte Ausgabe von Horowitz und Hill's The Art of Electronics gelesen und versuche, meinen Kopf um Operationsverstärker in negativen Rückkopplungsschaltungen zu wickeln.

Wie das Buch erklärt, treibt der Operationsverstärker, da er an seinem invertierenden Eingang eine positive Spannung relativ zu seinem nicht invertierenden Eingang sieht, seinen Ausgang stark negativ an, wodurch effektiv ein Spannungsteiler entlang des Widerstands zwischen der Signalquelle und dem Operationsschalter aufgebaut wird Der invertierende Eingang von -amp und der Rückkopplungswiderstand, der zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang verläuft. Die Verstärkung ist so, dass die Spannung am invertierenden Eingang dieselbe ist wie am nicht invertierenden Eingang, der typischerweise geerdet ist. Daher wird der invertierende Eingang in einer Gegenkopplungsschaltung manchmal als virtuelle Masse bezeichnet.

Wenn dies der Fall ist und die invertierenden und nicht invertierenden Eingänge auf das gleiche Potential gebracht werden, hört der Operationsverstärker dann nicht auf zu verstärken? Ich meine, es gibt jetzt keinen Spannungsunterschied mehr, also gibt es nichts zu verstärken.

Ich vermute, dass dies tatsächlich geschieht, aber wenn der Operationsverstärker aufhört zu verstärken, steigt die Ausgangsspannung gegen Null an, wodurch die Spannung an seinem invertierenden Eingang erhöht wird, wodurch die Verstärkung erneut ausgelöst wird, bis die virtuelle Masse wieder hergestellt ist und sich der Zyklus wiederholt .

Warten Sie, habe ich gerade gesagt, dass sich der Zyklus wiederholt? Dies impliziert, dass die Ausgangsspannung tatsächlich mit (wahrscheinlich) einer sehr niedrigen Amplitude und einer sehr hohen Frequenz schwingt, was in jeder Hinsicht für gemeinsame Schaltungen stabil ist. Ist mein Verständnis richtig?

Ich wette, wenn ich einen Kondensator verwenden würde, um eine Verzögerung in der Reaktion des Operationsverstärkers einzuführen, könnte ich eine Schwingung mit einer niedrigeren Frequenz erhalten.

Beim DESIGN von Verstärkern auf Opamp-Basis kann zunächst das Prinzip der "virtuellen Masse" angewendet werden. Dies vereinfacht die Berechnungen - und der Fehler ist in den meisten Fällen akzeptabel. Error? Ja - weil zwischen beiden Opamp-Eingängen immer eine Differenzspannung besteht, die genau Vdiff = Vout / Aol ist. (Aol = Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers). Aufgrund der großen Werte für Aol (1E4 ... 1E6 für niedrigere Frequenzen) ist dieser Unterschied. Die Spannung Vdiff liegt im µV-Bereich.

Da dies jedoch für größere Frequenzen nicht gilt, weicht die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis vom berechneten Wert für steigende Frequenzen ab.

Zu Ihrem letzten Satz: Ja - die Einführung einer zusätzlichen Verzögerung im Rückkopplungspfad führt zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung - und dies kann zu Instabilität / Schwingungen führen.

EDIT: "... bis der virtuelle Boden wieder hergestellt ist und sich der Zyklus wiederholt ."

Ich nehme an, mit dem oben zitierten Satz fragen Sie nach so etwas wie einer "Sequenz", die nach dem Anlegen eines Eingangssignals zu den stationären Bedingungen führt, richtig? Dies ist in der Tat eine Frage, die einige Erklärungen verdient.

Beispiel : Invertieren eines opampbasierten Verstärkers mit einer Verstärkung von "-2". Eingang: + 1V Schritt (t = 0).

Ganz am Anfang (t> 0) ist die Rückkopplung noch nicht aktiv und der Ausgang springt auf die maximale negative Spannung (Versorgungsschiene). Jetzt bewirkt das Rückkopplungsnetzwerk, dass der invertierende Anschluss negativ wird - und der Ausgang beginnt, positive Spannungen anzunehmen. Dies wird jedoch nicht immer wieder fortgesetzt, da der Operationsverstärker interne Verzögerungselemente aufweist (was zu Bandbreitenbeschränkungen und Phasenverschiebung führt). Das heißt: Der Ausgang "springt" nicht zu anderen Werten, aber es dauert einige Zeit, bis die obere Schiene erreicht ist. In der Realität erreicht der Ausgang jedoch NICHT die obere Schiene, da die Ausgangsspannung auf dem Weg zum maximalen positiven Ausgang einige endliche negative Werte überschreitet - und für einen Ausgangswert von ca. Vout = -1,999 V Es besteht ein Gleichgewicht zwischen Eingang und Ausgang. Erläuterung:

Vout = -1,999 V und Vin = + 1 V verursachen eine sehr kleine Spannung zwischen beiden Widerständen (am Eingangsanschluss), die - multipliziert mit Aol - genau der angenommenen Ausgangsspannung entspricht (im Beispiel: Vout = -1,999 V. ) Dieser Gleichgewichtszustand ist stabil.

Wenn dies der Fall ist und die invertierenden und nicht invertierenden Eingänge auf das gleiche Potential gebracht werden, hört der Operationsverstärker dann nicht auf zu verstärken?

Der Operationsverstärker verstärkt die Spannung an den Eingangsanschlüssen unabhängig davon .

Für den idealen Operationsverstärker die Spannungsverstärkung $A$ist 'unendlich' (beliebig groß), daher kann die Spannungsdifferenz beliebig klein sein und der Operationsverstärker erzeugt immer noch einen Ausgang ungleich Null.

Hier ist eine kurze Analyse. Schließen Sie die Signalquelle an den nichtinvertierenden Eingang an und verbinden Sie den invertierenden Eingang über einen Spannungsteiler mit dem Ausgang

$$v_+ = v_S$$

$$v_- = \alpha \cdot v_O$$

wo $\alpha$ liegt zwischen 0 und 1.

Dann ist die Ausgangsspannung gegeben durch

$$v_O = A(v_+ - v_-) = A(v_S - \alpha \cdot v_O)$$

Somit,

$$v_O = \frac{A}{1 + \alpha A}v_S$$

und die invertierende Eingangsspannung ist

$$v_- = \alpha \cdot v_O = \frac{\alpha A}{1 + \alpha A}v_S$$

und die Eingangsspannung Differenz ist

$$(v_+ - v_-) = v_S - \frac{\alpha A}{1 + \alpha A}v_S = \frac{v_S}{1 + \alpha A}$$

Wir sehen das also für eine endliche Verstärkung des Operationsverstärkers$A$ist die Eingangsspannungsdifferenz klein, aber nicht Null, wenn die Signalquellenspannung$v_S$ ist nicht Null

Diese Differenz wird durch den Operationsverstärker verstärkt, der eine Ausgangsspannung ungleich Null erzeugt.

Nur im Grenzbereich von $A \rightarrow \infty$ Geht die Eingangsspannungsdifferenz unabhängig davon auf Null, aber dann kann der Ausgang bei "unendlicher" Verstärkung immer noch ungleich Null sein.