Explicação passo a passo de como o seguidor de tensão atinge o estado estacionário usando feedback negativo

Apenas um minuto! Não estou tentando entender o que o feedback negativo faz eventualmente ou por que deveria ser usado. Estou tentando entender como o circuito atinge o estado estacionário e como, passo a passo, o feedback negativo faz com que Vout seja o mesmo que Vin. Isso não foi tratado adequadamente em outras respostas.

Vamos supor que o amplificador operacional tenha um ganho de 10.000, uma fonte de 15V e Vin seja de 5V.

De acordo com o meu entendimento, é assim que acontece:

1. $V_{in}$ é 5V, então deve ser 50.000V. No entanto, é limitado a 15V pela fonte de alimentação do amplificador operacional.$V_{out}$
2. $V_{out}$ é aplicado novamente a , mas é subtraído de$V_-$ devido aofeedbacknegativo$V_{in}$
3. Portanto, a tensão diferencial de entrada agora é de 5V - 15V = -10V
4. Este é então amplificado para -15V pelo amplificador operacional (devido à saturação)
5. Agora -15V é aplicado a através de feedback negativo, mas é adicionado a 5V, devido ao duplo negativo$V_{in}$
6. Então agora entrada diferencial é 20V, e é 15V (devido à saturação)$V_{out}$
7. Parece que cada vez que o amplificador operacional atinge a saturação, apenas inverte a saída

Obviamente, fiz algo errado aqui. A saída nunca vai se estabilizar em 5V dessa maneira. Como de fato, isso funciona?

Devido às excelentes respostas, eu (acho) compreendi o funcionamento do feedback negativo. De acordo com o meu entendimento, é assim que acontece:

Digamos por simplicidade que a entrada é um passo perfeito para 5V (caso contrário, a saída seguiria a entrada transitória, tornando tudo 'contínuo' e difícil de explicar em etapas).

1. No começo, a entrada é 5V, e agora a saída está em 0V, e 0V está sendo retornado para $V_{in}$
2. Então agora a tensão diferencial é de 5V. Como o ganho do amplificador operacional é de 10.000, ele deseja produzir uma saída de 50.000V (praticamente limitada pela tensão de alimentação), assim a saída começará a aumentar rapidamente.$(V_+ - V_-)$
3. Vamos considerar o momento em que essa saída atinge 1V.
4. Neste momento, o feedback também será de 1V e a tensão diferencial cairá para 4V. Agora, a tensão 'alvo' do amplificador operacional será de 40.000V (por causa do ganho de 10.000 e, novamente, limitado a 15V pela fonte de alimentação). Assim, o V_out continuará aumentando rapidamente.
5. Vamos considerar o momento em que essa saída atinge 4V.
6. Agora, o feedback também será de 4V e a tensão diferencial cairá para 1V. Agora, o 'alvo' do amplificador operacional é de 10.000V (limitado a 15V pela fonte). Assim ainda vai continuar a aumentar.$V_{out}$

O padrão emergente é: a entrada diferencial causa aumento em V_out, o que causa aumento na tensão de realimentação, o que causa diminuição na entrada diferencial, o que diminui a tensão de saída do 'alvo' do op-amp. Esse ciclo é contínuo, o que significa que podemos dividi-lo em intervalos ainda mais curtos para investigação. De qualquer forma:

7. Vamos considerar o momento em que essa saída atinge 4.9995V. No momento, o feedback é de 4,9995V, portanto a tensão diferencial cai para 0,0005V . Agora o objectivo do op-amp é 0,0005 V * 10 , 000 = 5 V .$(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

No entanto , se o amplificador operacional atingir 4,9998V, agora a tensão diferencial será de apenas 0,0002V. Assim, a saída do amplificador operacional deve diminuir para 2V. Por que isso não acontece?

Acredito que finalmente entendi o processo:

$V_{out}$

E se a saída do amplificador operacional diminuir para abaixo de 4.9995V, o feedback diminuirá, fazendo com que a tensão diferencial aumente, levando a saída do amplificador operacional para 4.9995V.

$V_{out}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{in}$$V_{in}$

"Vin é 5V, então Vout deve ser 50.000V".

Por quê? O OpAmp amplifica a diferença entre as entradas + e -, e não apenas o valor na entrada +!

OK, você pode começar com: a saída é de 0V e a entrada (conectada à entrada +) é de 5V. O que você fez é aplicar uma etapa de 5V à entrada.

Agora, o que acontece é que o OpAmp começa a aumentar a tensão na saída. Ele não pode fazer isso de uma só vez, então aumentará "lentamente" (para um valor bastante rápido de slow, que tem um nome técnico no mundo do OpAmp: a taxa de giro, que é uma característica importante de um OpAmp real). Quando atinge 5V, isso é retornado à entrada negativa; nesse momento compensa os 5V na entrada +, para que o OpAmp não tente mais aumentar seu nível de saída. (Para ser realmente preciso: isso acontece um pouco antes, quando a diferença é de 5V / 10k.)

Dependendo das características de temporização, a saída pode 'lentamente' atingir 5V ou ultrapassar os 5V, cair abaixo de 5V, etc. (oscilar em direção a 5V). Se o circuito for mal projetado, a oscilação poderá aumentar (e nunca terminar).

Interpretação mais básica:

Aqui está minha maneira intuitiva de entender um determinado circuito de amplificadores operacionais por personificação. Imagine um cara pequeno dentro do amplificador operacional. O menininho tem uma tela que indica a diferença de voltagem entre as entradas + e -. O menininho também tem um botão. O botão ajusta a tensão de saída, em algum lugar entre os trilhos de tensão.

O objetivo do nosso amiguinho é fazer a diferença entre as duas tensões zero. Ele girará o botão até encontrar a voltagem na saída que, com base no circuito que você conectou a ele, resulta em zero diferença no visor.

Então, nas etapas "sequenciais":

1. A entrada para o circuito de buffer é de 5V. Vamos supor que o botão de saída esteja inicialmente em 0V.
2. Como a entrada está conectada diretamente à saída na configuração do buffer, a diferença que está no visor do menininho é de 5V. Ele não está feliz com isso.
3. O menininho começa a girar o botão para aumentar a tensão de saída. Ele fica cada vez mais perto.
4. Finalmente, quando vê 0V no visor, ele para de mudar o botão. A saída estará agora em 5V.

Dentro de um amplificador operacional ideal:

Na verdade, não é um cara pequeno dentro de um amplificador operacional: é matemática! Aqui está uma representação do que estamos tentando implementar em um amplificador operacional:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Isso alcançará o que o menininho estava tentando alcançar com algumas limitações:

• O menininho poderia descobrir para que lado girar a maçaneta, mas isso não pode. Temos que conectá-lo de forma que o aumento da produção diminua a diferença.
• Haverá um pequeno erro se o "Muito ganho" não for realmente infinito.
• Temos que considerar cuidadosamente se o circuito será estável. Há um pouco por aí sobre esse assunto .

Um amplificador operacional real:

Aqui está como é um amplificador operacional real (o 741) por dentro:

Esses transistores implementam a representação matemática acima.

É importante ter em mente que há uma série de questões práticas que devem ser abordadas ao usar um amplificador operacional real. Para nomear alguns:

• Correntes de polarização
• Ruído
• Tensão de entrada em modo comum
• Saída atual
• Tensões de alimentação
• Dissipação de energia
• Comportamento dinâmico e estabilidade

Mas em todos os circuitos operacionais, minha mente sempre começa com a explicação do "menininho" para ter uma idéia do que está acontecendo. Então, se necessário, estendo isso com análise matemática. Finalmente, também se necessário, aplico conhecimento prático do que é necessário para atender aos requisitos de uma aplicação.

Um opAmp opera em tempo contínuo e não em tempo discreto. Isso significa que nenhuma ação pode ocorrer instantaneamente e as ações não acontecem em etapas. Mesmo se um interruptor for acionado para conectar uma tensão ao pino +, ainda haverá um tempo de subida transiente na entrada e a saída será realizada continuamente. Isso é muito comumente descrito como ação opAmp. Um modelo de especiarias é apenas isso, um modelo. O modelo não incorpora e não pode incorporar todas as nuances que estão no opAmp. Se você deseja estudar os efeitos transitórios de um opAmp, compre um e observe-o com um osciloscópio. Essa é a única maneira de você estudar os efeitos.

No mundo real, os amplificadores operacionais têm uma taxa de variação limitada. Para alguns tipos de amplificadores operacionais, a taxa de variação pode ser muito rápida, mas nunca é instantânea. Quando a entrada "+" do amplificador operacional é maior, a saída aumenta muito rapidamente até atingir o trilho positivo ou a entrada "+" não é mais alta que a entrada "-". Quando a entrada "-" é mais alta, a saída diminui muito rapidamente até atingir o trilho negativo ou a entrada "-" não é mais alta que a entrada "+".

Na maioria dos circuitos projetados adequadamente que usam amplificadores operacionais, os aspectos do comportamento do circuito necessários para atender aos requisitos devem ser satisfeitos igualmente bem para uma faixa significativa de taxas de variação de saída. No caso do seguidor de tensão, por exemplo, a taxa de rotação adicionará um pequeno atraso entre o tempo em que a entrada muda e o tempo em que a saída atinge o mesmo valor, mas não afeta o valor atingido pela saída.

Na verdade, o fenômeno que você descreveu costumava ser um problema real, na era das trevas (década de 1970). A venerável folha de dados do seguidor de tensão LM310 contém a dica de aplicativo (parte inferior da página 2) que recomenda um resistor de entrada de 10k ohm para manter a estabilidade.

Observe também que seu argumento pode ser aplicado a qualquer circuito de amplificador operacional, e lidar com sua objeção requer consideração da resposta de frequência do amplificador, que é muito mais do que eu posso cobrir. Basta dizer que, por um lado, a saída não muda instantaneamente (taxa de variação limitada mencionada por outros respondedores e, por outro lado, há consideração de como o circuito interno também responde às mudanças.

O que realmente acontece foi descrito por outros: a saída responde para zerar a diferença entre as duas entradas e, se o circuito for adequadamente projetado, eventualmente permanecerá lá. Mas apenas para mostrar que o assunto é complicado, considere que, se você diminuir muito a saída (colocando um capacitor na terra), também poderá fazer com que o amplificador oscile.

Sinto muito, mas não posso dar mais detalhes, mas é bem claro que você precisa de muito mais informações antes que eu possa tentar explicar.

A resposta bruta é que a saída do opamp será reduzida para qualquer voltagem necessária para que as entradas não inversoras (+) e inversoras (-) estejam na mesma voltagem. Conseqüentemente, se a entrada + estiver configurada para, digamos, 5 volts, a saída servo para 5 volts, de modo que a entrada - esteja em 5 volts, assumindo que os trilhos do opamp permitam que isso aconteça.

Na realidade, porém, a saída nunca realmente se acalma e está sempre servindo acima e abaixo da tensão na entrada +.

Quanto depende do ganho e da largura de banda do opamp e dos circuitos externos, mas essa é uma questão totalmente diferente.