Umpan Balik Negatif

Jika kita menghubungkan output op-amp ke input pembaliknya dan menerapkan sinyal tegangan ke input noninverting, kita menemukan bahwa tegangan output op-amp mengikuti tegangan input itu (saya telah mengabaikan untuk menarik daya suplai, kabel +V/-V, dan simbol ground untuk kesederhanaan):

Sebagai V_di meningkat, V_keluar akan meningkat sesuai dengan keuntungan diferensial. Namun, sebagai V_keluar meningkat, tegangan output diumpankan kembali ke input pembalik, sehingga bertindak untuk mengurangi perbedaan tegangan antara input, yang bertindak untuk menurunkan output. Apa yang akan terjadi untuk setiap input tegangan yang diberikan adalah bahwa op-amp akan mengeluarkan tegangan yang hampir sama dengan V_di , tetapi cukup rendah sehingga ada cukup perbedaan tegangan yang tersisa antara V_di dan input (-) yang akan diperkuat untuk menghasilkan tegangan output.

Sirkuit akan dengan cepat mencapai titik stabilitas (dikenal sebagai kesetimbangan dalam fisika), di mana tegangan keluaran adalah jumlah yang tepat untuk mempertahankan jumlah diferensial yang tepat. Mengambil tegangan keluaran op-amp dan menghubungkannya ke masukan pembalik adalah teknik yang dikenal sebagai umpan balik negatif , dan ini adalah kunci untuk memiliki sistem yang menstabilkan diri (ini berlaku tidak hanya untuk op-amp, tetapi juga untuk sistem dinamis pada umumnya). Stabilitas ini memberi op-amp kapasitas untuk bekerja dalam mode linier (aktif), bukan hanya menjadi jenuh sepenuhnya "hidup" atau "mati" seperti saat digunakan sebagai pembanding, tanpa umpan balik sama sekali.

Karena penguatan op-amp sangat tinggi, tegangan pada masukan pembalik dapat dipertahankan hampir sama dengan V_di . Kita dapat menulis persamaan yang menghubungkan tegangan keluaran dengan tegangan masukan dan penguatan, G :

$$V_{keluar} =G · (V_{masuk} - V_{keluar})$$

Kemudian, memecahkan tegangan output, kita mendapatkan yang berikut:

$$V_{keluar} =\frac{V_{dalam}}{1 + (\frac{1}{G})}$$

Katakanlah op-amp kita memiliki penguatan tegangan diferensial sebesar 200.000 dan V_dalam sama dengan 6 V, kita dapat menghitung tegangan output menggunakan persamaan kita:

$$V_{keluar} =\frac{6}{1 + (\frac{1}{20.000})} =5.999700015 V$$

Ini menciptakan tegangan diferensial yang cukup (6 V - 5,99997000015 V =29,99985 V) untuk menyebabkan 5,99997000015 volt dimanifestasikan pada terminal keluaran, dan sistem tetap seimbang di sana. Seperti yang Anda lihat, perbedaan 29,99985 V tidak banyak, jadi untuk perhitungan praktis, kita dapat mengasumsikan bahwa tegangan diferensial antara dua kabel input ditahan oleh umpan balik negatif tepat pada 0 volt.

Keuntungan Umpan Balik Negatif di Op-Amp

Salah satu keuntungan besar dalam menggunakan op-amp dengan umpan balik negatif adalah bahwa penguatan tegangan sebenarnya dari op-amp tidak masalah, asalkan sangat besar. Jika penguatan diferensial op-amp adalah 250.000, bukan 200.000, itu berarti tegangan output akan bertahan sedikit lebih dekat ke V_di (lebih sedikit tegangan diferensial yang diperlukan antara input untuk menghasilkan output yang diperlukan). Dalam rangkaian yang baru saja diilustrasikan, tegangan keluaran akan tetap (untuk semua tujuan praktis) sama dengan tegangan masukan non-pembalik. Penguatan Op-amp, oleh karena itu, tidak harus diatur secara tepat oleh pabrik agar perancang rangkaian dapat membangun rangkaian penguat dengan penguatan yang tepat. Umpan balik negatif membuat sistem mengoreksi diri. Rangkaian di atas secara keseluruhan hanya akan mengikuti tegangan input dengan penguatan stabil sebesar 1.

Bagaimana Rangkaian di Op-Amp Bekerja?

Kembali ke model penguat diferensial, kita dapat menganggap penguat operasional sebagai sumber tegangan variabel yang dikendalikan oleh detektor nol yang sangat sensitif. , jenis gerakan meter atau alat pengukur sensitif lainnya yang digunakan dalam rangkaian jembatan untuk mendeteksi kondisi keseimbangan (nol volt). "Potensiometer" di dalam op-amp yang menciptakan tegangan variabel akan bergerak ke posisi apa pun yang diperlukan untuk "menyeimbangkan" tegangan input pembalik dan non-pembalik sehingga "detektor nol" memiliki tegangan nol di atasnya:

Karena "potensiometer" akan bergerak untuk memberikan tegangan keluaran yang diperlukan untuk memenuhi "detektor nol" pada "indikasi" nol volt, tegangan keluaran menjadi sama dengan tegangan masukan:dalam hal ini, 6 volt. Jika tegangan input berubah sama sekali, "potensiometer" di dalam op-amp akan berubah posisi untuk menjaga keseimbangan "detektor nol" (menunjukkan nol volt), menghasilkan tegangan output kira-kira sama dengan tegangan input setiap saat.

Ini akan berlaku dalam kisaran tegangan yang dapat dikeluarkan oleh op-amp. Dengan catu daya +15V/-15V, dan penguat ideal yang dapat mengayunkan tegangan outputnya sejauh mungkin, ia akan setia "mengikuti" tegangan input antara batas +15 volt dan -15 volt. Untuk alasan ini, rangkaian di atas dikenal sebagai pengikut tegangan . Seperti rekan satu transistornya, penguat common-collector ("emitter-follower"), ia memiliki penguatan tegangan 1, impedansi input tinggi, impedansi output rendah, dan penguatan arus tinggi. Pengikut tegangan juga dikenal sebagai penyangga tegangan , dan digunakan untuk meningkatkan kemampuan sumber arus dari sinyal tegangan yang terlalu lemah (impedansi sumber terlalu tinggi) untuk menggerakkan beban secara langsung. Model op-amp yang ditunjukkan pada ilustrasi terakhir menggambarkan bagaimana tegangan output pada dasarnya diisolasi dari tegangan input, sehingga arus pada pin output tidak disuplai oleh sumber tegangan input sama sekali, melainkan dari catu daya yang memberi daya pada op -amp.

Harus disebutkan bahwa banyak op-amp tidak dapat mengayunkan tegangan keluarannya secara tepat ke tegangan rel catu daya +V/-V. Model 741 adalah salah satu model yang tidak dapat:ketika jenuh, tegangan keluarannya memuncak dalam sekitar satu volt dari tegangan catu daya +V dan dalam sekitar 2 volt dari tegangan catu daya -V. Oleh karena itu, dengan catu daya split +15/-15 volt, output op-amp 741 dapat mencapai +14 volt atau serendah -13 volt (kurang-lebih), tetapi tidak lebih jauh. Ini karena desain transistor bipolarnya. Kedua batas tegangan ini dikenal sebagai tegangan saturasi positif dan tegangan saturasi negatif , masing-masing. Op-amp lain, seperti model 3130 dengan transistor efek medan pada tahap keluaran akhir, memiliki kemampuan untuk mengayunkan tegangan keluarannya dalam milivolt baik dari catu daya rel voltase. Akibatnya, tegangan saturasi positif dan negatifnya praktis sama dengan tegangan suplai.

TINJAUAN:

• Menghubungkan output op-amp ke input pembalik (-) disebut umpan balik negatif . Istilah ini dapat diterapkan secara luas ke sistem dinamis mana pun di mana sinyal keluaran "diumpankan kembali" ke masukan entah bagaimana untuk mencapai titik ekuilibrium (keseimbangan).
• Ketika output op-amp langsung terhubung ke input pembalik (-), pengikut tegangan akan dibuat. Tegangan sinyal apa pun yang diberikan pada input non-pembalik (+) akan terlihat pada output.
• Op-amp dengan umpan balik negatif akan mencoba mengarahkan tegangan keluarannya ke tingkat berapa pun yang diperlukan sehingga tegangan diferensial antara dua masukan praktis nol. Semakin tinggi penguatan diferensial op-amp, semakin dekat tegangan diferensial itu ke nol.
• Beberapa op-amp tidak dapat menghasilkan tegangan keluaran yang sama dengan tegangan suplainya saat jenuh. Model 741 adalah salah satunya. Batas atas dan bawah ayunan tegangan keluaran op-amp dikenal sebagai tegangan saturasi positif dan tegangan saturasi negatif , masing-masing.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sirkuit OpAmp Umpan Balik Negatif