Was bedeutet es, dass ein Operationsverstärker „High Gain“ ist?

Mit hoch meinen wir einen Wert, der für einen speziellen Zweck angemessen ist, typischerweise im Bereich von 10.000 bis 100.000. Operationsverstärker werden am häufigsten für Rückkopplungssysteme verwendet, daher muss ihre Open-Loop-Verstärkung, die Verstärkung, die ohne Rückkopplungsverbindungen erhalten wird, so gewählt werden, dass sie den Genauigkeitsgrad erfüllen, der für die Closed-Loop-Schaltung erforderlich ist.

Lassen Sie mich mehr auf verschiedene Parameter eingehen, die Operationsverstärker-Schaltkreise betreffen. Das folgende Diagramm zeigt einen Rückkopplungsverstärker. Der Block G wird als Basisverstärker bezeichnet , und der Block H wird als Rückkopplungssystem bezeichnet .

Was das Rückkopplungssystem tut, es erfasst die Ausgangsspannung Vo und gibt eine Spannung fVo aus, wobei f kleiner als eins ist. Diese Ausgangsrückkopplungsspannung, nämlich fVo, wird dann von der Eingangsspannung Vi subtrahiert, und die Differenz wird an den Basisverstärker zurückgeführt. Das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung wird als Closed-Loop-Verstärkung bezeichnet , die man erhält, indem man einfach Vo durch Vi dividiert:

Wenn sich A in der obigen Gleichung der Unendlichkeit nähert, tendiert die Regelkreisverstärkung zu 1/f. Dies deutet darauf hin, dass die Closed-Loop-Verstärkung jetzt unabhängig von Open-Loop-Verstärkungsvariationen ist, weshalb Operationsverstärker häufig als aktive Elemente in Schaltungen verwendet werden.

Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung ein Vielfaches der Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen beträgt. Typischerweise beträgt die "Open-Loop"-Verstärkung > 1 Million.

Der lustige Effekt dabei ist, dass er als Verstärker im Open-Loop-Modus fast unbrauchbar ist. Wir können jedoch sehr nützliche Verstärker herstellen, indem wir die Verstärkung mit negativer Rückkopplung steuern.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Abbildung 1. Ein reiner Open-Loop-Operationsverstärker und ein nicht invertierender Verstärker mit einer Verstärkung von -10.

Ein kurzer intuitiver Blick auf einen nicht-invertierenden Verstärker:

• Nehmen Sie beim Einschalten an, dass der Ausgang null Volt beträgt und ein 10-mV-Signal an Vin angelegt wird.
• Der + Eingang liegt jetzt auf +10 mV und der - Eingang auf 0 V.

• Wenn der Operationsverstärker eine Verstärkung von 1.000.000 hat, beginnt der Ausgang zu steigen und geht in Richtung 10 mV x 1.000.000 = 10.000 V. (In Wirklichkeit kann er nicht über die positive Versorgungsspannung hinausgehen.)

• Wenn die Ausgangsspannung ansteigt, steigt die Eingangsspannung aufgrund des 10:1-Teilers von R2 und R1 mit 1/10 der Rate. Bei einer Ausgangsspannung von 100 mV liegen 10 mV am Minus-Eingang an und der positive „Antrieb“ am Ausgang wird auf Null reduziert. Tatsächlich wird sich der invertierende Eingang bei einem Wert in der Größenordnung von einem Mikrovolt unter 10 mV einpendeln.

Die Verstärkung A dieser Schaltung wird nun durch die Rückkopplungswiderstände auf eingestellt$A = \frac {R1+R2}{R1}$.

Ohne die (sehr hohe) Open-Loop-Verstärkung Ao des Operationsverstärkers in der nicht invertierenden Konfiguration (siehe Abbildung im Transistorposten) zu vernachlässigen, ist die Closed-Loop-Verstärkung (mit angelegter Rückkopplung) gleich

Acl=Ao/[1+kAo]=1/[(1/Ao)+k] mit k=Rückkopplungsfaktor=R1/(R1+R2)

Wie Sie sehen können, wird für (1/Ao<< k) identisch mit (Ao>>1/k) die Regelkreisverstärkung praktisch nur durch den Rückkopplungsfaktor bestimmt, und wir kommen zu

Acl=1/k=1+R2/R1 .

Aus diesem Grund haben alle Operationsverstärker eine sehr große Open-Loop-Verstärkung Ao.