Operationsverstärker: Linearität, negatives Feedback und virtueller Kurzschluss

Ich brauche einige Erklärungen zu Linearität, negativer Rückkopplung und virtuellem Kurzschluss für einen idealen Operationsverstärker.

Genau, mir wurde immer gesagt, dass ein Operationsverstärker mit Gegenkopplung im linearen Bereich arbeitet, also dem mit der diagonalen Geraden im folgenden Bild:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Jetzt habe ich immer diese Argumentation gesehen: Da die negative Rückkopplung den Operationsverstärker in den linearen Bereich zwingt, können wir schreiben, dass A = Vout/(V+-V-). Da A sehr hoch ist, idealerweise unendlich, erhalten wir (V+ - V-) = Vout/A = 0. Diese Eigenschaft wird als virtueller Kurzschluss zwischen den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers bezeichnet.

Meine Frage bezieht sich nicht auf diesen letzten Schritt (den ich hier auch in vielen Themen gesehen habe), sondern auf den Satz " Die negative Rückkopplung zwingt den Operationsverstärker in den linearen Bereich ": warum? Warum bestimmt die Verbindung des Ausgangsanschlusses mit dem invertierenden Eingangsanschluss diesen Zustand? Ich denke, dass ich wahrscheinlich die interne Struktur eines Operationsverstärkers kennen sollte, um ihn richtig zu verstehen, aber können Sie mir eine kurze Erklärung geben?

In deinem Bild sind viele gerade Linien.
Entschuldigung, ich werde den Satz korrigieren
Versuchen Sie, dies zu lesen: electronic.stackexchange.com/questions/441184/… hat Ihnen das geholfen?
Sie sollten aufhören, den Begriff „virtueller Kurzschluss“ zu verwenden. Es ist nicht besonders hilfreich und etwas irreführend.
@ScottSeidman Kannst du deinen Kommentar erklären? Warum ist es irreführend und nicht hilfreich?
In Ermangelung einer "nicht virtuellen" Verbindung zwischen Operationsverstärkereingängen kann kein Strom zwischen ihnen fließen. Wie kann es ein Kurzschluss sein, wenn kein Strom fließen kann?
@ScottSeidman Warum nicht einen Begriff verwenden, wenn jeder ihn zu verwenden scheint: electronic.stackexchange.com/questions/181902/… und electronic.stackexchange.com/questions/403106/… und allaboutcircuits.com/technical-articles/…
@Huisman - Ich werde das auf dich werfen. Wozu braucht man den Begriff? Welches wichtige Konzept wird wirklich festgehalten? Ich habe mehr Menschen gesehen, die durch den Begriff verwirrt wurden, als dass ihm der Begriff geholfen hat. Beachten Sie, dass Horowitz und Hill sich auch nie gezwungen fühlten, den Begriff zu verwenden.
@ScottSeidman Ich benutze den Begriff auch nie. Aber ich denke, es ist gleichbedeutend mit "virtueller Masse", die weder eine Verbindung noch ein Kurzschluss zur Masse ist.
Virtuelles Gelände ist ein einfacheres Konzept. Ich kann am entsprechenden Knoten eine Spannungsreferenz ziehen, sie als "virtuelle Masse" bezeichnen und jeder weiß, was los ist. Kurz, zu viele, impliziert eine direkte Verbindung, und es gibt keine direkte Verbindung. Eine Masse ist eine Spannung und ein Kurzschluss ist eine Verbindung.
Aber es ist jetzt immer richtig, den Ausdruck "virtueller Boden" zu verwenden. Nehmen wir an, den inv-Eingang auf gnd zu legen: In diesem Fall liegt der nicht-inv-Eingang auf gnd, und das ist in Ordnung. Aber stellen Sie sich vor, den Inv-Eingang auf 2 V zu setzen: Der Nicht-Inv-Eingang liegt bei 2 V. Die Verwendung von virtuellem Boden ist also nicht korrekt. "Virtuell kurz" ist ein allgemeinerer Ausdruck: Es bedeutet nicht, dass die Punkte wegen des Vorhandenseins von "virtuell" verbunden sind.

Antworten (2)

Am einfachsten lässt sich der negative Rückkopplungseffekt erklären, indem man den gesamten Vorgang in mehrere Schritte aufteilt:

Beispiel : Nicht invertierende Operationsverstärkerstufe mit zwei gleichen Widerständen in der Gegenkopplungsschleife. Versorgungsspannungen +/- 10 Volt. Open-Loop-Verstärkung Aol.

Schritt 1 : Legen Sie einen DC-Eingang von +1 V am nicht-inv. Terminal.

Schritt 2 : Da jeder Verstärker eine gewisse Signalverzögerung hat, ist die Rückkopplung bei t=0 noch nicht aktiv und der Ausgang "springt" auf die Versorgungsschiene (+10V).

Schritt 3 : Jetzt haben wir 10/2=5 Volt am Inv. Anschluss (und immer noch +1V am nicht-inv. Anschluss). Daher ist die Spannungsdifferenz Vd zwischen beiden Opamp-Eingangsanschlüssen jetzt negativ (–4,5 Volt).

Schritt 4 : Jetzt "will" der Ausgang des Operationsverstärkers auf die negative Schiene (-10 V) gehen. Auf dem Weg von +10V nach -10V jedoch kreuzt die Ausgangsspannung den linearen Übergangsbereich und findet einen Wert, der - zusammen mit dem entsprechenden Rückkopplungssignal - genau den Gleichgewichtspunkt erfüllt, der als Vout=Aol*Vd definiert ist .

Schritt 5 : Dieser Gleichgewichtspunkt innerhalb des linearen Übertragungsbereichs ist stabil (es ist der DC-Arbeitspunkt), da die Gegenkopplung eine Art Korrektur bewirkt, die wie folgt beschrieben wird:

Wenn (während des erwähnten Kreuzungseffekts) die Ausgangsspannung etwas zu groß wird (Überschwingen), wird die Rückkopplungsspannung am inv. Eingang ist ebenfalls zu groß und die Differenz Vd wird kleiner - wodurch die Ausgangsspannung wieder reduziert wird (und umgekehrt).

Beispiel : Aol=100. Rückkopplungsfaktor k=0,5. Die tatsächliche Regelkreisverstärkung ist

Acl=100/(1+0,5*100)=1,9608 .

und Vout = +1 V * 1,9608 = 1,9608 V.

Spannungsdifferenz Vd=1-1,9608*0,5 und Vout=Vd*Aol=100(1-1,9608*0,5)= 1,9608 Volt (qed)

Anmerkung: Aus der Berechnung ist ersichtlich, dass für größere Open-Loop-Verstärkungen Aol die Spannungsdifferenz Vd viel kleiner wird - und damit die übliche Näherung Vd=0 (virtueller Kurzschluss) nahezu erfüllen kann.

Vielen Dank, jetzt ist es klarer
Eine andere Frage: Was ist, wenn es sowohl positive als auch negative Rückmeldungen gibt (ich meine, wenn sowohl eine Verbindung des Ausgangs mit dem inv-Eingang als auch mit dem nicht inv-Eingang besteht)? Ich dachte zum Beispiel an diese Situation, als ich sah, dass Leute in dieser Schaltung ( images.slideplayer.com/25/7797116/slides/slide_7.jpg ) das Prinzip des virtuellen Kurzschlusses anwenden. In diesem Fall ist der Ausgang über mehrere Impedanzen sowohl mit + als auch mit - Eingängen verbunden
In diesem Fall gibt es keine neue Situation ... Aus Stabilitätsgründen muss die negative Rückkopplung immer über der positiven dominieren. Eine reine Gegenkopplung mit kn= - 0,1 ist identisch mit dem Fall mit kp=+0,2 und kn= - 0,3.
Hängt es also von der positiven Rückkopplungs- und der negativen Rückkopplungsübertragungsfunktion ab (welche die höchste ist)? Oder ist es immer so, dass negatives Feedback positives Feedback dominiert (und daher reicht es aus, negatives Feedback zu sehen, um die virtuelle Short-Regel anzuwenden)?
Natürlich hängt es vom Rückkopplungsverhältnis ab. Für kp > kn gibt es keinen stabilen Verstärkerbetrieb. Sonderfall: kp=kn (nur für eine einzelne Frequenz): Oszillator (Selbsterregung).
Perfekt, vielen Dank

Wenn v + = v − dann per definitionem v D = 0 . Wenn Sie sich die Transferkurve ansehen, die Sie in Ihre Antwort aufgenommen haben, ist der Betriebsbereich wo v D = 0 befindet sich in der Mitte des Diagramms. In diesem Bereich ist die Ausgangsspannung eine lineare Funktion v D . Speziell, v Ö = A Ö L × v D .

BEARBEITEN: Zur Verdeutlichung anhand der Kommentare muss die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers innerhalb ihres angegebenen linearen Bereichs gehalten werden, um eine negative Rückkopplung aufrechtzuerhalten. Wenn der Operationsverstärker gesättigt ist, ist er nicht mehr linear. Negative Rückkopplung garantiert keinen linearen Betrieb, aber die Annahme, dass v + = v − basiert auf dem Vorhandensein von negativem Feedback.

Diese Überlegung drückt die Tatsache aus, dass VD = 0 einen linearen Bereich bedeutet und aus dem Diagramm ersichtlich ist. Aber mein Zweifel ist, wie die negative Rückkopplung garantiert, dass der Operationsverstärker im linearen Bereich arbeitet (und nicht in der Sättigung, wo es nicht stimmt, dass Vo = A × VD)
Wer sagt, dass ein Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung nicht sättigen kann? Ich verspreche Ihnen, dass es möglich ist, und Sie können dies mit einem einfachen Aufbau selbst experimentell demonstrieren. Vielleicht ist die Idee, die Sie verschmelzen, dass eine notwendige (?) Bedingung für Stabilität in einem Steuersystem negatives Feedback ist.
@vicatcu, Sobald der Operationsverstärker gesättigt ist, liefert er keine negative Rückkopplung mehr. (OP) Es ist also nicht so, dass die negative Rückkopplung den Operationsverstärker zwingt, im linearen Bereich zu arbeiten, sondern dass Sie ihn im linearen Bereich halten müssen, um eine negative Rückkopplung zu erhalten.
Ich habe immer gesehen, dass die Leute die virtuelle Kurzschlussregel jedes Mal anwenden, wenn es eine Verbindung zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingangspin gab, also ist es nicht unbedingt wahr?
Die "goldenen Regeln" von Operationsverstärkern, von denen eine das OP als virtuellen Kurzschluss bezeichnet, gelten nur unter Bedingungen negativer Rückkopplung. Es ist „notwendig, aber nicht ausreichend“, ein negatives Feedback zu haben, damit es sich bewerben kann.
Zitat: " ... es ist so, dass Sie es im linearen Bereich halten müssen, um negative Rückkopplung zu haben." ...??? Wie können wir es im linearen Bereich halten? Wir wenden externes negatives Feedback an! Das ist die Logik dahinter!
Operationsverstärker: Linearität, negatives Feedback und virtueller Kurzschluss
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v