Übung zur Knotenanalyse für Anfänger: Warum sollte die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zwischen 15 V und 0 V schwanken, wenn sich der Operationsverstärker in der Follower-Konfiguration befindet?

Für den Anfang gibt es hier absolut keine Follower-Konfiguration. Das ist ein Follower:

Es hat 100% negatives Feedback. Sie könnten die Rückkopplungsdrahtverbindung durch einen Widerstand ersetzen, und solange nichts anderes mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, wäre es immer noch ein Follower.

Ihre Schaltung hat auch einen Kondensator, der an den invertierenden Eingang angeschlossen ist, was möglicherweise keine große Wirkung hat, aber für mich ausreicht, um zu sagen, dass es kein Follower mehr ist.

Zweitens haben Sie auch eine positive Rückkopplung, die darauf zurückzuführen ist, dass der Widerstand R3 das Potenzial des nicht invertierenden Eingangs phasengleich mit Änderungen des Ausgangs ändert. Das ist nicht nur kein Follower, es ist nicht einmal linear.

Lassen Sie uns zwei mögliche Bedingungen untersuchen, die die Wirkung dieses positiven Feedbacks über R3 veranschaulichen. Angenommen, der Ausgang beginnt bei 0 V. Ich zeichne das Netz aus R1, R2 und R3 so neu, dass es intuitiv leicht zu analysieren ist:

Wie Sie auf der linken Seite sehen können, ist das rechte Ende von R3, da es 0 V (der Ausgang des Operationsverstärkers) ist, effektiv parallel zu R2 geschaltet, wobei der kombinierte Widerstand ist:

R1 ∥ R2 = R1 × R2 ÷ (R1 + R2) = 50 kΩ

Ich habe das Netz neu gezeichnet, wobei R2 und R3 durch dieses einzelne parallele Äquivalent auf der rechten Seite ersetzt wurden. Ich habe auch die Spannung an der Verbindungsstelle von R1 und R2 gekennzeichnet, die lautet:

Vj = 15 V × 50 kΩ ÷ (50 kΩ + 100 kΩ) = 5 V

Was passiert nun, wenn der Ausgang des Operationsverstärkers so hoch wie möglich bei +15 V ist?

Ähnliche Berechnungen zeigen, dass die Spannung an dieser Verbindungsstelle jetzt +10 V beträgt, da R3 und R1 effektiv parallel sind.

Es sollte also klar sein, dass sich die Spannung Vj mit der Bewegung des Operationsverstärkerausgangs zwischen den beiden Extremen von 0 V und +15 V zwischen +5 V bzw. +10 V bewegt. Vj ändert sich nicht so schnell oder so weit, aber es ändert sich, und vor allem ändert es die nicht invertierende Eingangsspannung des Operationsverstärkers in die gleiche Richtung wie sein Ausgang. Das meine ich mit positivem Feedback.

Stellen Sie sich vor, Sie fahren ein Auto. Sie nehmen ständig Lenkkorrekturen vor, um den Unterschied zwischen Ihrem Ziel und Ihrem Ziel zu verringern . Dies ist negatives Feedback, weil das Ergebnis eine Verringerung des Fehlers ist , der „Falschheit“ dessen, wohin Sie gehen. Stellen Sie sich nun vor, dass Sie Änderungen in die entgegengesetzte Richtung vornehmen, Änderungen, die diesen Fehler vergrößern. Du stürzt sehr schnell ab. Ihre Richtung gerät aus der Spur und Sie nehmen weitere Anpassungen vor, um diesen Fehler weiter zu erhöhen, sodass Sie schneller in die falsche Richtung abbiegen und so weiter, bis Sie einen Unfall haben.

Ich muss nur diese beiden Ausgangsbedingungen des Operationsverstärkers (0 V oder 15 V) veranschaulichen, da ich weiß, dass eine positive Rückkopplung dazu führt, dass der Ausgang dieses Operationsverstärkers "abstürzt", entweder am oberen Ende seines Bereichs (+15 V) oder am unten (0V). Es wird sich nie auf irgendeiner anderen Ebene dazwischen niederlassen, denn selbst die kleinste Purturbation wird es zu einem Extrem fliegen lassen.

Betrachten wir nun die Wirkung des Widerstands R4 und des Kondensators C1. Diese bewirken, dass an ihrer Verbindungsstelle eine Spannung erzeugt wird, die sich langsam in Richtung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ändert. Es erzeugt an dieser Verbindungsstelle eine Art verzögerte Version des Ausgangs des Operationsverstärkers.

Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers +15 V beträgt, lädt sich C1 langsam auf, bis 15 V anliegen, und die Verbindungsstelle von R4 und C1 liegt ebenfalls bei +15 V. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers auf 0 V abfällt, entlädt sich der Kondensator langsam, bis die Spannung an ihm Null ist und die Spannung an der Verbindungsstelle von R4 und C1 ebenfalls 0 V beträgt.

Diese verzögerte, langsam ansteigende Spannung wird an den invertierenden Eingang angelegt. Der Operationsverstärker wird damit tun, was Operationsverstärker tun; verstärken die Differenz zwischen seinen invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen.

Wenn sich die invertierende Eingangsspannung ändert, wird sie irgendwann gleich und passiert die Spannung am nicht invertierenden Eingang. An diesem Punkt tritt eine positive Rückkopplung ein, die dazu führt, dass der Ausgang des Operationsverstärkers auf das entgegengesetzte Extrem abstürzt.

Dann passieren zwei Dinge. Der nichtinvertierende Eingang ändert das Potential, wie wir bereits besprochen haben (wenn es vorher +5 V war, ändert es sich auf +10 V und umgekehrt), und die Kondensatorspannung kehrt die Richtung des Anstiegs um.

Auch hier erreicht der invertierende Eingang schließlich das gleiche Potential wie das neue nichtinvertierende Eingangspotential, und es tritt ein weiterer Ausgangsübergang auf, der die Situation umkehrt. Dies wiederholt sich ewig und bildet einen Oszillator. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist eine Rechteckwelle zwischen 0 V und +15 V.

R3 definiert in Kombination mit R1 und R2 effektiv zwei "Schwellen"-Spannungen, in diesem Fall +5 V und +10 V, und C1 und R4 liefern eine Art "dreieckige" Wellenform, die, wenn sie gleich der Schwelle ist (sich schneidet), bewirkt, dass das System seinen Zustand umkehrt. Der Flip ist aufgrund des positiven Feedbacks von R3 extrem und schnell.