負帰還を使用してボルテージフォロアが定常状態に達する方法の段階的な説明

少々待ってください！私は、負のフィードバックが最終的に何をするのか、なぜそれを使用すべきなのかを理解しようとはしていません。回路がどのように定常状態に達するのか、そしてステップバイステップで負帰還がどのようにVoutをVinと同じにするのかを理解しようとしています。これは、他の回答では適切に対処されていません。

オペアンプのゲインが10,000、電源が15V、Vinが5Vであると仮定します。

私の理解によると、これはそれがどのように行くかです：

1. は 5 Vであるため、 V o u tは50,000 Vである必要があります。ただし、オペアンプの電源により15Vに制限されています。$V_{in}$$V_{out}$
2. その後、 V o u tは V −に戻されますが、負のフィードバックであるため、 V i nから減算されます。$V_{out}$$V_-$$V_{in}$
3. したがって、差動入力電圧は5V-15V = -10Vになります
4. 次に、これはオペアンプによって-15Vに増幅されます（飽和のため）
5. 現在、負のフィードバックを介して-15 印加されますが、二重負のため5 Vに追加されます$V_{in}$
6. したがって、差動入力は20Vで、は15Vです（飽和のため）$V_{out}$
7. オペアンプが飽和に達するたびに、出力を反転するだけのようです

ここで明らかに間違ったことをしました。この方法では、出力が5Vで安定することはありません。実際にどのように機能しますか？

優れた答えのために、私（と思う）は、負帰還の動作を理解しています。私の理解によると、これはそれがどのように行くかです：

簡単にするために、入力は5Vへの完全なステップであるとしましょう（そうでなければ、出力は過渡入力に追従し、すべてを「連続」にし、ステップで説明するのが困難になります）。

1. 最初は、入力は5Vであり、現在出力は0Vであり、0VはV i nにフィードバックされています$V_{in}$
2. そのため、差動電圧は5Vです。オペアンプのゲインは10,000なので、50,000Vの出力（実際には供給電圧によって制限されます）を生成する必要があるため、出力は急速に増加し始めます。$(V_+ - V_-)$
3. この出力が1Vに達する時点を考えてみましょう。
4. 現在、フィードバックも1Vになり、差動電圧は4Vに低下します。これで、オペアンプの「目標」電圧は40,000Vになります（10,000のゲインのため、電源によって15Vに制限されます）。したがって、V_outは急速に増加し続けます。
5. この出力が4Vに達する時点を考えてみましょう。
6. これで、フィードバックも4Vになり、差動電圧は1Vに低下します。現在、オペアンプの「ターゲット」は10,000Vです（電源により15Vに制限されています）。したがって、は増加し続けます。$V_{out}$

新しいパターンは次のとおりです。差動入力によりV_outが増加し、フィードバック電圧が増加し、差動入力が減少し、オペアンプの「ターゲット」出力電圧が減少します。このサイクルは連続しているため、調査のためにさらに短い間隔に分割できます。とにかく：

7. この出力が4.9995Vに達する時点を考えてみましょう。現在、フィードバックは4.9995Vであるため、差動電圧は0.0005Vに低下します。今オペアンプの標的である0.0005 V * 10 、000 = 5 V。$(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

ただし、オペアンプが4.9998Vに達すると、差動電圧はわずか0.0002Vになります。したがって、オペアンプ出力は2Vに減少するはずです。なぜこれが起こらないのですか？

私は最終的にプロセスを理解したと信じています：

$V_{out}$

また、オペアンプの出力が4.9995V未満に低下すると、フィードバックが低下し、差動電圧が増加して、オペアンプの出力が4.9995Vに戻ります。

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

「Vinは5Vなので、Voutは50,000Vでなければなりません。」

どうして？OpAmpは、+入力の値だけでなく、+入力と-入力の差を増幅します！

まず、出力は0Vで、入力（+入力に接続）は5Vです。行ったのは、入力に5Vステップを適用することです。

これで、OpAmpが出力の電圧を上げ始めます。一度にこれを行うことはできないため、「ゆっくり」上昇します（OpAmpの世界では技術名があり、実際のOpAmpの重要な特性であるスルーレート）。5Vに達すると、これは負入力にフィードバックされ、その時点で+入力の5Vを補償するため、OpAmpは出力レベルを上げようとしません。（正確に言うと、差が5V / 10kの場合、これは少し早く起こります。）

タイミング特性に応じて、出力は「ゆっくり」5Vに落ち着くか、5Vをオーバーシュートするか、5Vより下に下がるなど（5Vに向かって振動する）があります。回路の設計が不適切な場合、発振が増加する可能性があります（そして、終了しない）。

最も基本的な解釈：

これは、特定のオペアンプ回路を擬人化して理解するための私の直感的な方法です。オペアンプ内の小さな男を想像してください。小さな男には、+入力と-入力の電圧の差を示すディスプレイがあります。小さな男にもノブがあります。ノブは、電圧レール間のどこかで出力電圧を調整します。

私たちの小さな友人の目標は、2つの電圧の差をゼロにすることです。接続された回路に基づいて、ディスプレイの差がゼロになる出力の電圧が見つかるまで、ノブを回します。

したがって、「順次」ステップで：

1. バッファ回路への入力は5Vです。出力ノブの初期状態は0Vであると仮定しましょう。
2. 入力はバッファ構成の出力に直接接続されているため、小さな男のディスプレイ上の違いは5Vです。彼はそれについて幸せではありません。
3. 小さな男がノブを回して電圧出力を上げ始めます。それはどんどん近づいています。
4. 最後に、ディスプレイに0Vが表示されたら、ノブの変更を停止します。出力は5Vになります。

理想的なオペアンプの内部：

それは実際にはオペアンプ内の小さな男ではありません：それは数学です！以下は、オペアンプに実装しようとしているものの表現です。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

これは、小さな男が達成しようとしていたことをいくつかの制限で達成します。

• 小さな男は、ノブを回す方法を理解できますが、これはできません。出力を増やすと差が小さくなるように接続する必要があります。
• 「ゲインの多く」が実際に無限ではない場合、小さなエラーがあります。
• 回路が安定するかどうかを慎重に検討する必要があります。このトピックにはかなりの情報があります。

リアルオペアンプ：

以下は、実際のオペアンプ（741）が内部でどのように見えるかです。

これらのトランジスタは、上記の数学的表現を実装しています。

実際のオペアンプを使用する場合、対処しなければならない実用的な問題が多数あることに留意することが重要です。いくつか例を挙げると：

• バイアス電流
• ノイズ
• コモンモード入力電圧
• 電流出力
• 供給電圧
• 消費電力
• 動的な挙動と安定性

しかし、すべてのオペアンプ回路では、何が起こっているのかを理解するために、私の心は常に「小さな男」の説明から始まります。次に、必要に応じて、数学的分析でこれを拡張します。最後に、必要に応じて、アプリケーションの要件を満たすために必要なものに関する実践的な知識を適用します。

opAmpは、離散時間ではなく連続時間で動作します。これは、アクションが瞬時に発生することはなく、アクションが段階的に発生しないことを意味します。電圧を+ピンに接続するためにスイッチを切り替えた場合でも、入力には過渡的な立ち上がり時間があり、出力が継続的に続きます。これは、一般にopAmpアクションと呼ばれます。スパイスモデルはまさにモデルです。このモデルには、opAmpに含まれるすべてのニュアンスが組み込まれておらず、組み込まれていません。opAmpの過渡効果を調べる場合は、opAmpを購入してオシロスコープで調べます。それが効果を研究できる唯一の方法です。

現実の世界では、オペアンプのスルーレートは制限されています。オペアンプの種類によっては、スルーレートが非常に速くなる場合がありますが、完全に瞬時になることはありません。オペアンプの「+」入力が高くなると、出力は正のレールに到達するか、「+」入力が「-」入力より高くならないまで非常に速く上昇します。「-」入力が高い場合、出力は負のレールに到達するか、「-」入力が「+」入力より高くなくなるまで非常に速く低下します。

オペアンプを使用するほとんどの適切に設計された回路では、要件を満たすために必要な回路動作の側面は、かなりの範囲の出力スルーレートに対して等しく満たされる必要があります。たとえば、ボルテージフォロワーの場合、スルーレートは入力が変化してから出力が同じ値に達するまでの間に短い遅延を追加しますが、出力が到達する値には影響しません。

実際に、あなたが説明する現象は真の問題であり、暗黒時代（1970年代）に遡ります。由緒あるLM310電圧フォロアデータシートには、安定性を維持するために10kオームの入力抵抗を推奨するアプリケーションヒント（2ページの下部）が含まれています。

また、あなたの議論はどんなオペアンプ回路にも適用でき、あなたの反対に対処するにはアンプの周波数応答を考慮する必要があることに注意してください。一方では、出力は瞬時に変化しないと言えば十分です（他のレスポンダーが言及する制限されたスルーレート、そして他方では、内部回路が変化にどのように応答するかについての考慮もあります）。

実際に起こることは他の人によって説明されています：出力は2つの入力間の差をゼロにするために応答し、回路が適切に設計されていれば最終的にそこに留まります。しかし、単に被写体が複雑になることをお見せするために、あなたは（出力にグランドにコンデンサを入れて）あまりダウン出力を遅らせる場合は、できることを考えるも発振にアンプを引き起こします。

詳細を説明できないのは残念ですが、説明する前にもっと多くの背景が必要であることは明らかです。

大まかな答えは、オペアンプの出力は、非反転（+）入力と反転（-）入力が同じ電圧になるために必要な電圧までスルーするということです。その結果、+入力がたとえば5ボルトに設定されている場合、出力は5ボルトにサーボ制御されるので、オペアンプのレールがそれを可能にする場合、-入力は5ボルトになります。

ただし、実際には、出力は実際に落ち着くことはなく、+入力の電圧を上下に常にサーボ制御します。

どの程度がオペアンプのゲインと帯域幅、および外部回路に依存しますが、それはまったく別の質問です。