Negative Rückkopplung und die Bedingung des virtuellen Kurzschlusses

Die Gleichung ohne Rückkopplung

Ein spannungsgegengekoppelter Operationsverstärker lässt sich bei Gleichstrom durch $V_o=A(V_+-V_-)$ annähern, solange der Ausgang im zulässigen Bereich bleibt. Große Leerlaufverstärkung bedeutet, dass eine kleine Differenzeingabe einen großen Ausgang anfordern kann. Sie bedeutet nicht, dass die Eingänge automatisch gleich sind. Reale Bauteile besitzen auch Eingangsbiasstrom und Gleichtaktbeschränkungen.

Negative Rückkopplung führt eine Ausgangsänderung zum invertierenden Eingang zurück, sodass sie den Differenzfehler verringert. Bei stabiler linearer Rückkopplung mit ausreichender Verstärkung und Ausgangsreserve wird V− nahe V+. Dies ist die Näherung des „virtuellen Kurzschlusses“. Kein Draht schließt die Eingänge kurz; die Bedingung versagt bei Ausgangssättigung, Überschreiten des Eingangsgleichtaktbereichs oder instabiler Schleife.

Beispiel mit endlicher Verstärkung

Verbinden Sie in einem Spannungsfolger den Ausgang direkt mit V− und legen Sie Vin an V+. Dann ist $V_o=A(V_{in}-V_o)$, also Verstärkung A/(1+A). Bei A = 100000 und Vin = 1 V beträgt der Ausgang 0.999990 V und die Differenzeingabe ungefähr 10 μV. Das Ergebnis ist nahe 1 V, weil die Schleife den Fehler korrigieren kann, nicht weil die Eingangsgleichung ohne Rückkopplung verschwunden wäre.

Wird der zulässige Ausgangsbereich bei 3.3-V-Versorgung als 0.2–3.1 V angenommen, verletzt ein angeforderter Folgerausgang 3.2 V die Annahme. Die Vorhersage kleinen Fehlers ist ungültig. Diese Grenzen sind Lehrwerte; ein gewähltes reales Bauteil benötigt seine Datenblattbedingungen, Ausgangslast und Temperatur.

Die Rückkopplungsrichtung prüfen

Stellen Sie sich einen leichten Ausgangsanstieg vor. Im Folger steigt V−, die Eingangsdifferenz sinkt und der angeforderte Ausgang bewegt sich nach unten. Das ist negative Rückkopplung. Ausgang an V+ stattdessen kann den Anstieg verstärken und in einen komparatorartigen Zustand treiben; die virtuelle Kurzschlussregel repariert diese Topologie nicht.

Zeichnen Sie vor einer Widerstandsverstärkungsrechnung den Rückkopplungspfad und bestimmen Sie Ein- und Ausgangsgrenzen. Siehe TIs Erläuterung zu Verstärkung und Bandbreite zu Unterschieden zwischen Verstärkerarchitekturen und Kompensationsanforderungen.