Positives Feedback

Wie wir gesehen haben, ist die Gegenkopplung ein unglaublich nützliches Prinzip, wenn es auf Operationsverstärker angewendet wird. Dies ermöglicht es uns, all diese praktischen Schaltungen zu erstellen, indem wir Verstärkungen, Raten und andere wichtige Parameter mit nur wenigen Änderungen der Widerstandswerte präzise einstellen können. Negative Rückkopplung macht alle diese Schaltungen stabil und selbstkorrigierend.

Das Grundprinzip der negativen Rückkopplung besteht darin, dass der Output tendenziell in eine Richtung getrieben wird, die einen Gleichgewichtszustand (Gleichgewicht) schafft. In einer Operationsverstärkerschaltung ohne Rückkopplung gibt es keinen Korrekturmechanismus, und die Ausgangsspannung wird mit der kleinsten Differenzspannung zwischen den Eingängen gesättigt. Das Ergebnis ist ein Komparator:

Bei negativer Rückkopplung (die Ausgangsspannung wird irgendwie auf den invertierenden Eingang zurückgeführt) neigt die Schaltung dazu, sich selbst daran zu hindern, den Ausgang in die volle Sättigung zu treiben. Stattdessen wird die Ausgangsspannung nur so hoch oder so niedrig angesteuert, wie es erforderlich ist, um die Spannungen der beiden Eingänge auszugleichen:

Egal, ob der Ausgang direkt auf den invertierenden (-) Eingang zurückgeführt oder über eine Reihe von Komponenten gekoppelt ist, der Effekt ist der gleiche:Die extrem hohe Differenzspannungsverstärkung des Operationsverstärkers wird „gezähmt“ und die Schaltung reagiert entsprechend den Vorgaben der Rückkopplungsschleife, die den Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindet.

Wie funktioniert positives Feedback in einem Operationsverstärker?

Eine andere Art von Feedback, nämlich positives Feedback , findet auch Anwendung in Operationsverstärkerschaltungen. Im Gegensatz zu negativer Rückkopplung, bei der die Ausgangsspannung zum invertierenden (-) Eingang „zurückgeführt“ wird, wird bei positiver Rückkopplung die Ausgangsspannung irgendwie zurück zum nicht invertierenden (+) Eingang geleitet. In seiner einfachsten Form könnten wir ein gerades Stück Draht vom Ausgang mit dem nicht invertierenden Eingang verbinden und sehen, was passiert:

Der invertierende Eingang bleibt vom Rückführkreis getrennt und kann eine externe Spannung empfangen. Mal sehen, was passiert, wenn wir den invertierenden Eingang erden:

Wenn der invertierende Eingang geerdet ist (bei null Volt gehalten), wird die Ausgangsspannung durch die Größe und Polarität der Spannung am nicht invertierenden Eingang bestimmt. Wenn diese Spannung positiv ist, treibt der Operationsverstärker auch seinen Ausgang positiv und führt diese positive Spannung zurück zum nicht invertierenden Eingang, was zu einer vollständigen positiven Ausgangssättigung führt. Auf der anderen Seite, wenn die Spannung am nicht invertierenden Eingang negativ wird, wird der Ausgang des Operationsverstärkers in die negative Richtung getrieben, was zum nicht invertierenden Eingang zurückgeführt wird und zu einer vollständigen negativen Sättigung führt.

Was wir hier haben, ist eine Schaltung, deren Ausgang bistabil ist :stabil in einem von zwei Zuständen (gesättigt positiv oder gesättigt negativ). Sobald es einen dieser gesättigten Zustände erreicht hat, wird es dazu neigen, in diesem Zustand unveränderlich zu bleiben. Was erforderlich ist, um es in den Schaltzustand zu bringen, ist eine Spannung, die an den invertierenden (-) Eingang der gleichen Polarität angelegt wird, jedoch von etwas größerer Größe. Wenn unsere Schaltung beispielsweise bei einer Ausgangsspannung von +12 Volt gesättigt ist, wird eine Eingangsspannung am invertierenden Eingang von mindestens +12 Volt benötigt, damit sich der Ausgang ändert. Wenn es sich ändert, wird es vollständig negativ gesättigt.

Wie ist positives Feedback nützlich?

Ein Operationsverstärker mit positiver Rückkopplung neigt dazu, in dem Ausgangszustand zu bleiben, in dem er sich bereits befindet. Er „rastet“ zwischen einem von zwei Zuständen ein, gesättigter positiver oder gesättigter negativer. Technisch ist dies als Hysterese bekannt .

Hysterese kann eine nützliche Eigenschaft für eine Komparatorschaltung sein. Wie wir bereits gesehen haben, können Komparatoren verwendet werden, um eine Rechteckwelle aus jeder Art von Rampenwellenform (Sinuswelle, Dreieckwelle, Sägezahnwelle usw.) zu erzeugen. Wenn die eingehende AC-Wellenform rauschfrei ist (d. h. eine „reine“ Wellenform), funktioniert ein einfacher Komparator einwandfrei.

Wenn jedoch Anomalien in der Wellenform wie Oberwellen oder „Spikes“ vorhanden sind, die dazu führen, dass die Spannung innerhalb eines einzelnen Zyklus signifikant ansteigt und abfällt, kann der Ausgang eines Komparators unerwartet den Zustand wechseln:

Jedes Mal, wenn es einen Übergang durch den Referenzspannungspegel gibt, egal wie klein dieser Übergang sein mag, wechselt der Ausgang des Komparators den Zustand und erzeugt eine Rechteckwelle mit „Störimpulsen“.

Wenn wir der Komparatorschaltung ein wenig positives Feedback hinzufügen, führen wir Hysterese in den Ausgang ein. Diese Hysterese bewirkt, dass der Ausgang in seinem aktuellen Zustand bleibt, es sei denn, die AC-Eingangsspannung unterliegt einem großen Größenänderung.

Was dieser Rückkopplungswiderstand erzeugt, ist eine Doppelreferenz für die Komparatorschaltung. Die an den nichtinvertierenden (+) Eingang angelegte Spannung als Referenz, die mit der eingehenden Wechselspannung verglichen werden soll, ändert sich abhängig vom Wert der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers positiv gesättigt ist, ist die Referenzspannung am nicht invertierenden Eingang positiver als zuvor. Umgekehrt, wenn der Op-Amp-Ausgang negativ gesättigt ist, ist die Referenzspannung am nicht invertierenden Eingang negativer als zuvor. Das Ergebnis ist in einer Grafik leichter zu verstehen:

Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers positiv gesättigt ist, ist die obere Referenzspannung wirksam und der Ausgang fällt nicht auf einen negativen Sättigungspegel, es sei denn, der AC-Eingang steigt über das obere Referenzniveau. Umgekehrt, wenn der Op-Amp-Ausgang negativ gesättigt ist, ist die niedrigere Referenzspannung wirksam und der Ausgang steigt nicht auf einen positiven Sättigungspegel an, es sei denn, der AC-Eingang fällt unter dieses niedrigere Referenzniveau. Das Ergebnis ist wieder eine saubere Rechteckwellenausgabe, trotz erheblicher Verzerrungen im AC-Eingangssignal. Damit ein „Glitch“ den Komparator zum Umschalten von einem Zustand in einen anderen veranlasst, müsste er zum richtigen Zeitpunkt mindestens so groß (groß) wie die Differenz zwischen oberem und unterem Referenzspannungspegel sein um diese beiden Ebenen zu überqueren.

Eine weitere Anwendung der positiven Rückkopplung in Operationsverstärkerschaltungen ist die Konstruktion von Oszillatorschaltungen. Ein Oszillator ist ein Gerät, das eine wechselnde (AC) oder zumindest pulsierende Ausgangsspannung erzeugt. Technisch ist es als astabil bekannt Gerät:keinen stabilen Ausgangszustand haben (kein Gleichgewicht). Oszillatoren sind sehr nützliche Geräte und lassen sich leicht mit nur einem Operationsverstärker und wenigen externen Komponenten herstellen.

Wenn der Ausgang positiv gesättigt ist, wird V_ref positiv sein, und der Kondensator lädt sich in positiver Richtung auf. Wenn V_Rampe überschreitet V_ref um den kleinsten Spielraum wird der Ausgang negativ gesättigt und der Kondensator wird in die entgegengesetzte Richtung (Polarität) aufgeladen. Oszillation tritt auf, weil die positive Rückkopplung unverzögert und die negative Rückkopplung verzögert ist (mittels einer RC-Zeitkonstante). Die Frequenz dieses Oszillators kann durch Variieren der Größe einer beliebigen Komponente eingestellt werden.

RÜCKBLICK:

• Negatives Feedback schafft einen Zustand des Gleichgewichts (Gleichgewicht). Positives Feedback erzeugt einen Zustand von Hysterese (die Tendenz, sich in einem von zwei extremen Zuständen zu „verriegeln“).
• Ein Oszillator ist ein Gerät, das eine wechselnde oder pulsierende Ausgangsspannung erzeugt.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für OpAmp-Schaltungen mit positivem Feedback