Por que o feedback é necessário em circuitos de amplificadores operacionais?

Entendo que, para que um amplificador operacional funcione corretamente, é necessário um loop de realimentação CC da saída para a entrada inversora ou a não inversora (dependendo do circuito externo).

Qual é o objetivo do feedback DC ao usar amplificadores operacionais? Por que é necessário e quais seriam os efeitos sem ele?

Um opamp ideal tem ganho infinito. Amplifica a diferença de tensão entre os pinos + e -. É claro que, na realidade, esse ganho não é infinito, mas ainda é bastante grande.

A saída do opamp (em algumas extensões também a entrada) é limitada pela fonte de alimentação, não podemos sair mais do que a fonte entra.

Se simplesmente colocássemos sinais no opamp sem feedback, eles os multiplicariam pelo infinito e obteriam uma saída binária (saturaria nos trilhos de suprimento)

Então, precisamos de alguma maneira de controlar o ganho. É isso que o feedback faz.

O feedback (CC e AC) toma parte da saída amplificada da entrada, de modo que o ganho é restringido muito mais pela rede de feedback, que é previsível e muito menos pelo ganho de loop aberto maciço (e imprevisível).

Mesmo em um circuito de CA, ainda precisamos de feedback que funcione em CC (zero Hz) ou o ganho seria apenas o do circuito aberto para sinais CC. O sinal CA, embora restrito, seria inundado pelo ganho de malha aberta de corrente contínua.

Você já sabe que um opamp possui amplificação de loop aberto muito alta, geralmente 100 000 vezes. Vejamos a situação de feedback mais simples:

O opamp amplificará a diferença entre e V - : $V_+$$V_-$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$

Agora e V - = V O U T , então$V_+ = V_{IN}$$V- = V_{OUT}$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - V_{OUT})$

ou reorganizando:

$V_{OUT} = \dfrac{100 000}{100 000 + 1} \times V_{IN}$

Isso é tão bom quanto

$V_{OUT} = V_{IN}$

Este é um seguidor de tensão , um $\times$ amplificador 1, usado principalmente para obter uma alta impedância de entrada e uma baixa impedância de saída.

O feedback reduz a amplificação de loop aberto muito alta para 1. Observe que a alta amplificação é necessária para obter V O U T o mais próximo possível de V I $\times$$V_{OUT}$$V_{IN}$ .

edit
Agora, usando apenas uma fração da tensão de saída no feedback, podemos controlar a amplificação.

Novamente

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_+ - V_-)$ ,

mas agora e V - = R $V_+ = V_{IN}$$V- = \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT}$

$V_{OUT} = 100 000 \times (V_{IN} - \dfrac{R1}{R1+R2} \times V_{OUT})$

Ou:

$V_{OUT} = \dfrac{100000 \times V_{IN}}{\dfrac{R1}{R1+R2} \times 100000 + 1}$

O termo "1" pode ser ignorado, para que

$V_{OUT} = \dfrac{R1+R2}{R1} \times V_{IN}$

Observe que, tanto no seguidor de tensão quanto neste amplificador não inversor, o fator de amplificação real do opamp cancela, desde que seja alto o suficiente (>> 1).

O amplificador operacional ideal possui ganho infinito, e isso é de pouca utilidade na eletrônica analógica. O feedback é usado para limitar o ganho do circuito. Você pode encontrar muitos exemplos no artigo da wiki .

Considere o loop de feedback simples:

$Vout = A \cdot Vx$

$Vf = F \cdot Vout$

$Vx = Vin - Vf = Vin - FVout$

$Vout = A \cdot Vin - A \cdot F \cdot Vout$

$Av = \frac{Vout}{Vin} = \frac{A}{1+AF}$

No caso do amplificador operacional, seu ganho define A: será uma função bastante desagradável, porque esses amplificadores são feitos apenas para proporcionar ganhos brutais e não terão uma função linear agradável. Felizmente, se você olhar para Av, se A for grande o suficiente, cancelará o1 e 1 / F para determinar o ganho.

No caso do amplificador não inversor, o bloco F é um divisor de tensão, portanto será algo como 1 / X. Isso definirá o ganho do amplificador para X.

No caso de amplificadores operacionais reais, A não será infinito, mas grande o suficiente para permitir o cancelamento na equação de ganho DC. E as vantagens do feedback são ainda maiores, como aumentar a largura de banda, a linearidade, a relação S / N e muito mais. Por exemplo, em um circuito fechado, o ganho é determinado apenas pelo inverso do ganho de feedback, desde que o ganho do amplificador operacional seja grande o suficiente.

Na verdade, apenas um resistor não é tão útil quanto um feedback, pois se comporta da mesma forma que um curto-circuito. Um divisor de tensão em relação ao terra faz com que ele se comporte como um multiplicador de proporção fixa do mesmo fator (pela mesma razão mencionada acima).

O objetivo do feedback CC é definir o que você deseja que o amplificador operacional faça, ou seja, qual será a sua tensão de saída. Sem ele, a saída aumentará ou diminuirá até atingir os trilhos de potência.

Isso pode ser útil e existe um grande mercado para amplificadores operacionais especializados para trabalhar dessa maneira, chamados "comparadores".

Um comparador é simples: se a entrada + for maior que a entrada -, a saída será + Vcc. Caso contrário, a saída é -Vee. O símbolo esquemático é o mesmo que um amplificador operacional, e eles podem, mesmo com esforço suficiente, ser convencidos a trabalhar em ambos os papéis, mas, na prática, os dois tipos são altamente especializados e esses esforços não valem a pena.

Com o caminho de realimentação CC, um amplificador operacional pode ser estável em algum momento que não seja "saída dura contra os trilhos", e o circuito geralmente é projetado para encontrar esse ponto.

Em vez de pensar estaticamente, pense em um amplificador operacional como um integrador. Sempre que sua entrada + for maior que sua entrada -, a saída de um amplificador operacional aumentará rapidamente. Esse aumento deve estar mais próximo dos insumos, parando finalmente quando são iguais. Da mesma forma, + entrada menor que - entrada fará com que a saída caia. O feedback geralmente é para a entrada - porque é a maneira mais simples de criar um circuito que funciona dessa maneira.

Um amplificador de erro típico da fonte de alimentação não possui um caminho de feedback DC:

Posso garantir, no entanto, que este amplificador funciona muito bem.

Visualize este amplificador de erro controlando um conversor buck . O Vcomp seria usado para controlar o ciclo de trabalho de um comutador, que controla o fluxo de corrente através de um indutor e controla o Vout. À medida que o Vcomp aumenta, o ciclo de trabalho também aumenta, o que faz com que o Vout aumente e o Vcomp diminua. A rede de compensação aumentará ou diminuirá o Vcomp de maneira controlada, para forçar o Vout a corresponder ao Vref (o mais próximo que o opamp permitir).

[É claro, o trem de força está fornecendo alguma aparência de feedback de DC, mas discordo :)]

Feedback DC nos usos do amplificador operacional devido à estabilidade, também o ganho do amplificador operacional é muito alto, por isso usamos o feedback para obter um ganho específico na saída