Feedback negativo

Se conectarmos a saída de um amplificador operacional à sua entrada inversora e aplicarmos um sinal de tensão à entrada não inversora, descobriremos que a tensão de saída do amplificador operacional segue de perto essa tensão de entrada (esqueci de extrair energia alimentação, fios + V / -V e símbolo de aterramento para simplificar):



Como V _em aumenta, V _out aumentará de acordo com o ganho diferencial. No entanto, como V _out aumenta, essa tensão de saída é realimentada para a entrada inversora, agindo assim para diminuir o diferencial de tensão entre as entradas, o que atua para reduzir a saída. O que acontecerá para qualquer entrada de tensão dada é que o amplificador operacional produzirá uma tensão quase igual a V _em , mas apenas baixo o suficiente para que haja diferença de voltagem suficiente entre V _em e a entrada (-) a ser amplificada para gerar a tensão de saída.

O circuito alcançará rapidamente um ponto de estabilidade (conhecido como equilíbrio em física), onde a tensão de saída é a quantidade certa para manter a quantidade certa de diferencial. Pegar a tensão de saída do amplificador operacional e acoplá-la à entrada inversora é uma técnica conhecida como feedback negativo , e é a chave para ter um sistema autoestabilizador (isso é verdade não apenas para amplificadores operacionais, mas para qualquer sistema dinâmico em geral). Esta estabilidade dá ao op-amp a capacidade de trabalhar em seu modo linear (ativo), ao invés de simplesmente ficar saturado totalmente “ligado” ou “desligado” como era quando usado como um comparador, sem nenhum feedback.

Como o ganho do op-amp é tão alto, a tensão na entrada inversora pode ser mantida quase igual a V _em . Podemos escrever uma equação relacionando a tensão de saída com a tensão de entrada e o ganho, G :

$$ V_ {out} =G · (V_ {in} - V_ {out}) $$

Então, resolvendo para a tensão de saída, temos o seguinte:

$$ V_ {out} =\ frac {V_ {in}} {1 + (\ frac {1} {G})} $$

Digamos que nosso amplificador operacional tenha um ganho de tensão diferencial de 200.000 e V _em é igual a 6 V, podemos calcular a tensão de saída usando nossa equação:

$$ V_ {out} =\ frac {6} {1 + (\ frac {1} {20.000})} =5,999700015 V $$

Isso cria tensão diferencial suficiente (6 V - 5,99997000015 V =29,99985 µV) para fazer com que 5,99997000015 volts sejam manifestados no terminal de saída e o sistema se mantenha nesse equilíbrio. Como você pode ver, 29,99985 µV não é muito diferencial, portanto, para cálculos práticos, podemos assumir que a tensão diferencial entre os dois fios de entrada é mantida por feedback negativo exatamente em 0 volts.

Vantagem de feedback negativo em Op-Amps

Uma grande vantagem em usar um amplificador operacional com feedback negativo é que o ganho de voltagem real do amplificador operacional não importa, contanto que seja muito grande. Se o ganho diferencial do op-amp fosse 250.000 em vez de 200.000, tudo isso significaria que a tensão de saída se manteria um pouco mais próxima de V _em (menos tensão diferencial necessária entre as entradas para gerar a saída necessária). No circuito que acabamos de ilustrar, a tensão de saída ainda seria (para todos os fins práticos) igual à tensão de entrada não inversora. Os ganhos do amplificador operacional, portanto, não precisam ser precisamente ajustados pela fábrica para que o projetista do circuito construa um circuito amplificador com ganho preciso. O feedback negativo torna o sistema autocorretivo. O circuito acima como um todo simplesmente seguirá a tensão de entrada com um ganho estável de 1.

Como funciona o circuito do amplificador operacional?

Voltando ao nosso modelo de amplificador diferencial, podemos pensar no amplificador operacional como uma fonte de tensão variável controlada por um detector de nulo extremamente sensível , o tipo de movimento do medidor ou outro dispositivo de medição sensível usado em circuitos de ponte para detectar uma condição de equilíbrio (zero volts). O "potenciômetro" dentro do amplificador operacional criando a tensão variável se moverá para qualquer posição necessária para "equilibrar" as tensões de entrada inversora e não inversora de modo que o "detector de nulo" tenha tensão zero através dele:



Como o “potenciômetro” se moverá para fornecer uma tensão de saída necessária para satisfazer o “detector de nulo” em uma “indicação” de zero volts, a tensão de saída torna-se igual à tensão de entrada:neste caso, 6 volts. Se a tensão de entrada mudar, o “potenciômetro” dentro do amplificador operacional mudará de posição para manter o “detector de nulo” em equilíbrio (indicando zero volts), resultando em uma tensão de saída aproximadamente igual à tensão de entrada o tempo todo.

Isso se manterá verdadeiro dentro da faixa de voltagens que o amplificador operacional pode produzir. Com uma fonte de alimentação de + 15V / -15V e um amplificador ideal que pode oscilar sua tensão de saída na mesma medida, ele irá “seguir” fielmente a tensão de entrada entre os limites de +15 volts e -15 volts. Por esta razão, o circuito acima é conhecido como seguidor de tensão . Como sua contraparte de um transistor, o amplificador de coletor comum (“seguidor de emissor”), ele tem um ganho de tensão de 1, uma alta impedância de entrada, uma baixa impedância de saída e um alto ganho de corrente. Seguidores de tensão também são conhecidos como buffers de tensão e são usados ​​para aumentar a capacidade de fonte de corrente dos sinais de tensão muito fracos (muito alta da impedância da fonte) para acionar diretamente uma carga. O modelo op-amp mostrado na última ilustração descreve como a tensão de saída é essencialmente isolada da tensão de entrada, de modo que a corrente no pino de saída não seja fornecida pela fonte de tensão de entrada, mas sim pela fonte de alimentação que alimenta o op -amp.

Deve ser mencionado que muitos amplificadores operacionais não podem balançar suas tensões de saída exatamente para tensões de trilho de fonte de alimentação + V / -V. O modelo 741 é um daqueles que não podem:quando saturado, sua tensão de saída atinge o pico dentro de cerca de um volt da tensão da fonte de alimentação + V e dentro de cerca de 2 volts da tensão da fonte de alimentação -V. Portanto, com uma fonte de alimentação dividida de + 15 / -15 volts, a saída de um amplificador operacional 741 pode ir tão alto quanto +14 volts ou tão baixo quanto -13 volts (aproximadamente), mas não mais. Isso se deve ao seu projeto de transistor bipolar. Esses dois limites de tensão são conhecidos como tensão de saturação positiva e tensão de saturação negativa , respectivamente. Outros amplificadores operacionais, como o modelo 3130 com transistores de efeito de campo no estágio de saída final, têm a capacidade de balançar suas tensões de saída em milivolts de qualquer fonte de alimentação trilho Voltagem. Conseqüentemente, suas tensões de saturação positiva e negativa são praticamente iguais às tensões de alimentação.

REVER:

• Conectar a saída de um amplificador operacional à sua entrada inversora (-) é chamado de feedback negativo . Este termo pode ser amplamente aplicado a qualquer sistema dinâmico onde o sinal de saída é "realimentado" para a entrada de alguma forma, de modo a atingir um ponto de equilíbrio (equilíbrio).
• Quando a saída de um amplificador operacional é direta conectado à sua entrada inversora (-), um seguidor de tensão Será criado. Qualquer que seja a tensão do sinal impressa na entrada não inversora (+), ela será vista na saída.
• Um amplificador operacional com feedback negativo tentará conduzir sua tensão de saída a qualquer nível necessário de forma que a tensão diferencial entre as duas entradas seja praticamente zero. Quanto maior for o ganho diferencial do amp op, mais próximo de zero a tensão diferencial.
• Alguns amplificadores operacionais não podem produzir uma tensão de saída igual à tensão de alimentação quando saturados. O modelo 741 é um deles. Os limites superior e inferior da oscilação de tensão de saída de um amplificador operacional são conhecidos como tensão de saturação positiva e tensão de saturação negativa , respectivamente.

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de circuitos opAmp de feedback negativo