Si je regarde le nœud de sortie (Vout) dans la figure ci-dessus (figure 9.7 à droite), le retour de gain unitaire pointe vers la porte de M2 ​​qui est à haute impédance.

Pas tout à fait. L'impédance de sortie est une propriété du circuit dans son ensemble (combien de courant circule lorsqu'une tension de test est appliquée, ou inversement quelle tension est vue lorsqu'un courant de test est appliqué). Lorsqu'une tension est appliquée, un courant provient des impédances de sortie de M2 ​​et M4, mais les transistors amplifient également cette tension appliquée, provoquant la circulation d'un courant beaucoup plus important au nœud de sortie (et donc une impédance de sortie beaucoup plus faible).

Regardons le nœud de sortie et essayons de trouver l'impédance qu'on y voit. Nous pouvons le faire en appliquant une tension de petit signal \ $ v_x \ $ et en notant le courant de petit signal aspiré dans ce nœud en conséquence (appelez-le \ $ i_x \ $ ); en même temps, nous garderons l'entrée à la masse des petits signaux:

Je vais simplifier en prenant \ $ r_ {o2}, r_ {o4} \ rightarrow \ infty \ $ , sur la base que \ $ \ frac {1} {g_m} \ ll r_o \ $ .

La tension appliquée fait circuler un petit courant de signal de \ $ \ frac {1} {2} g_m v_x \ $ dans chaque branche:

M3 et M4 créent un miroir de courant, qui injecte un autre petit courant de signal dans la branche droite:

et il est clair que pour ce simple tampon de gain unitaire à 5 transistors, l'impédance de sortie finit par être approximativement \ $ \ frac {1} {g_ {m2}} \ $ .

Notez en outre que lorsque vous prenez \ $ g_m \ rightarrow \ infty \ $ , le gain tend vers l'infini et l'impédance de sortie tend vers zéro (c'est-à-dire avec un gain infini, la tension de sortie de l'amplificateur ne variera pas avec un courant de petit signal injecté dans le nœud de sortie)

(ro4 || ro2) qui est identique à ce que ce serait dans une configuration en boucle ouverte.

Pas tout à fait, faites attention à considérer le comportement de la source de courant de queue \ $ I_ {ss} \ $ .La source de M2 n'est pas connectée à la masse dans l'OTA à cinq transistors.

Explication intuitive:

L'application de la tension de test au nœud de sortie affecte le circuit de sortie (impédance de sortie en boucle ouverte) et en même temps (en parallèle) le nœud d'entrée (en raison de la connexion de retour).Par conséquent, l'amplificateur réagit à cette tension d'entrée (opération d'amplification normale).

En raison du retour NÉGATIF, la sortie réagit dans le sens opposé (tension de sortie négative) et "aspire" du courant supplémentaire hors de la source de test.Par conséquent, tout le courant de test est considérablement augmenté - ce qui équivaut à une réduction de la résistance de sortie

Eh bien, votre ampli peut être modélisé comme une résistance d'entrée, un générateur de tension de sortie contrôlé par la tension d'entrée et le gain de l'ampli (A), et une résistance de sortie (ro) en série avec ce générateur de tension de sortie.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Si vous ajoutez une rétroaction négative avec un gain B, et en supposant que ce bloc a une impédance d'entrée très élevée, le courant de sortie (iof) descendra principalement dans le chemin ro.

^{simuler ce circuit}

Ensuite, si vous tenez compte du fait que V _i = -V _o .B en raison du retour négatif, la tension appliquée à ro est $$ V_ {ro} = V_ {o} + V_ {o} .A.B = V_ {o}. (1 + A.B) $$

Avec la loi d'Ohm, tu as $$ r_ {o} = \ frac {V_ {o}. (1 + A.B)} {i_ {of}} $$ Enfin, la résistance de sortie avec rétroaction négative (r _de ) est $$ r_ {of} = \ frac {V_ {o}} {i_ {of}} = \ frac {r_ {o}} {(1 + AB)} $$

en supposant A.B > 0, vous obtenez une résistance de sortie plus petite

(Désolé pour la présentation, c'est mon premier message)

Essayez cet exemple:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

R1 est l'impédance de sortie inévitable de OA1 lui-même, dessinée explicitement ici pour faire un point. Ou cela pourrait être une impédance externe dont vous ne pouvez ou ne voulez pas vous débarrasser pour une raison quelconque.

En suivant les règles des opamps, la sortie fera tout ce dont elle a besoin pour rendre les deux entrées égales. Étant donné que l'entrée de retour est prise après l'impédance de sortie, c'est ce nœud qui est rendu égal à l'entrée, quoi qu'il arrive. (pour un opamp idéal) Ainsi, une tension de sortie parfaitement rigide, ou impédance nulle, et R1 n'apparaît pas du tout dans l'équation finale.

Si vous voulez savoir ce que fait l'opamp lui-même, alors R1 entre en jeu. L'ampli op oscille plus loin que la sortie étiquetée, comme s'il essayait de contrôler la position de quelque chose en tirant sur un ressort ou un élastique.

Si vous voulez continuer l'analogie mécanique:

• Les résistances sont des ressorts
• Les inducteurs sont de masse
• Les condensateurs sont des amortisseurs
• La tension correspond à la position ou à la hauteur au-dessus de la page lorsque vous regardez un schéma
• Le courant est la vitesse ou la vitesse dans la page lorsque vous regardez un schéma

Comme toutes les analogies, il ne couvre pas tout parfaitement, mais il fait du bon travail avec la plupart des choses.

NFB affecte -ve les impédances d'entrée et de sortie de la même manière.Lorsqu'un courant pour modifier la tension d'un nœud est opposé par un courant de retour pour rester à tension constante, on dit qu'il a une impédance nulle.En raison de la limite de gain, l'erreur est petite, donc l'impédance est proche de zéro jusqu'à ce que la limite de courant de retour soit atteinte.

Les blocs d'alimentation ont également une faible puissance pour la même raison en raison d'un gain de rétroaction négatif.

Le rapport de Zout à Zload au courant maximum est appelé erreur de régulation de charge qui est souvent d'environ 1 ~ 2%.C'est la spécification qu'ils fournissent à partir de laquelle vous pouvez calculer la partie réelle de l'impédance de sortie où la capacité est ignorée car elle est spécifiée au courant continu.

En un mot, une rétroaction négative oblige l'appareil à essayer d'avoir la tension "correcte" sur la sortie.cela se traduit par une impédance effective inférieure à la sortie.

Voici une réponse intuitive que les commentaires négatifs modifient l'impédance de sortie, comme vous l'avez demandé dans votre titre, sans vous soucier à ce stade de le changement, ouquelle est l'impédance après le changement.

Considérez comment nous définissons l'impédance de sortie.Nous tirons un petit courant de test dI de la sortie et voyons de combien de dV la tension change en conséquence.Nous pouvons maintenant écrire Rout = dV / dI.

Lorsque nous tirons un courant de sortie de notre amplificateur en boucle ouverte, la tension de sortie changera.À ce stade, nous connectons la rétroaction négative, en gardant l'autre entrée et en testant le courant tels quels.Cette nouvelle «entrée» de l'amplificateur changera à nouveau la tension de sortie.Une tension de sortie différente pour le même courant de test signifie que l'amplificateur affiche une impédance de sortie différente.

Pour commencer, ce phénomène ne peut être expliqué intuitivement avec des mots simples qu'en utilisant des concepts électriques de base.

Explication "électrique"

Tout d'abord, nous devons préciser que nous parlons ici du rapport entre les changements de tension et les changements de courant appelé "résistance de sortie différentielle" - Rout = dVout / dIout. Ensuite, nous pouvons observer deux cas:

Si une rétroaction négative de type tension est appliquée, la tension de sortie restera constante lorsque le courant de sortie varie (la sortie de l'amplificateur opérationnel se comportera comme une source de tension ). Donc dVout -> 0 et Rout -> 0.

Si une rétroaction négative de type courant est appliquée, le courant de sortie restera constant lorsque la tension de sortie varie (la sortie de l'ampli-op se comportera comme une source de courant ). Donc dIout -> 0 et Rout -> infini.

La conclusion est donc la suivante: la rétroaction négative de type tension diminue la résistance de sortie différentielle tandis que la rétroaction négative de type courant l'augmente.

Explication "électronique"

Pour mieux comprendre ce phénomène, examinons le comportement de l'ampli-op dans le circuit omniprésent d'un suiveur de tension dans trois situations typiques. Astuce: vous pouvez avoir une bonne idée intuitive du mécanisme de la rétroaction négative, si vous pensez à l'ampli opérationnel non pas comme un amplificateur rapide mais comme un appareil à action lente (comme un intégrateur); cela vous permettra d'entrer dans son comportement.

1. Follower non perturbé. Pour créer un suiveur de tension avec rétroaction négative, nous connectons simplement la sortie de l'ampli-op à son entrée inverseuse - Fig. 1. Ainsi, nous faisons en sorte que l'ampli-op garde sa tension de sortie égale à la tension d'entrée. Pour cela, il «observe» la différence de tension entre ses entrées et modifie sa tension de sortie jusqu'à ce qu'il rende cette différence (presque) égale à zéro. L'ampli opérationnel fait cela sans effort car il n'y a pas de perturbation.

Fig. 1. Adepte d'ampli opérationnel non perturbé.

2. Adepte "dérangé" de Rout. Imaginez maintenant que Rout apparaît. Pour l'émuler, connectez une résistance externe avec la résistance Rout en série à la sortie de l'ampli-op - Fig. 2. Mais comme il n'y a pas de charge connectée (circuit ouvert), aucun courant ne circule dans Rout. Il n'y a pas de chute de tension et l'ampli-op ne réagit pas à cette intervention. La tension de sortie de l'amplificateur opérationnel VOA et la tension de sortie du suiveur Vout sont identiques. Comme ci-dessus, l'ampli-op fait ce travail sans effort car il n'y a pratiquement aucune perturbation.

Fig. 2. Follower ampli-op avec résistance de sortie Rout

3. Rout-RL dérangé suiveur. Maintenant connectons une charge RL - Fig. 3. En conséquence, le courant de charge IL commence à circuler à travers Rout et une chute de tension VRout apparaît à travers Rout. Cette baisse est soustraite de la tension de sortie VOA de l'amplificateur opérationnel et la tension de sortie du suiveur Vout diminue. Puisque l'ampli-op "observe" cette tension, il commence à augmenter sa tension de sortie VOA pour compenser VRout. En conséquence, VOA = (Rout + RL) / RL et Vout = Vin. Ainsi, le changement de tension Vout est supprimé. La sortie suiveur se comporte comme une source de tension constante avec une résistance différentielle (presque) nulle.

Rout et RL forment en fait un diviseur de tension (le "bêta" dans la boucle de rétroaction du système).

Fig. 3. Follower op-amp perturbé par la résistance de sortie Rout et la charge RL

4. Amplificateur non inverseur.

Fig. 4. Un amplificateur non inverseur présenté comme un suiveur perturbé

Très intéressant ... comme si VOA est le Vout amplifié (Vin) ... et on peut utiliser VOA comme sortie (OUT2) de cet "amplificateur non inverseur". Il suffit de maintenir constantes les résistances R1 (RL) et R2 (Rout). La conclusion est donc:

TL'amplificateur non inverseur est un suiveur perturbé .

Notez qu'en plus de la nouvelle sortie "amplificatrice" OUT2, l'ancienne sortie "suivante" OUT1 continue d'exister ... et nous pouvons l'utiliser comme ci-dessus.

Analogies

Ce n'est pas seulement un phénomène électrique observé dans les circuits ampli-op avec rétroaction négative. Nous pouvons le voir dans de nombreuses situations quotidiennes où nous surmontons toutes sortes d'obstacles pour atteindre nos objectifs. Ce faisant, nous passons de "followers" à "amplificateurs".

Au lieu d'énumérer de nombreux exemples de ce phénomène, je vous suggère d'en essayer un dès maintenant. J'écrirai une explication informelle de la façon dont la rétroaction négative réduit à zéro la résistance de sortie de l'ampli opérationnel. Cela bouleversera l'équilibre mental de ceux qui pensent formellement et conventionnellement ... et ils réagiront à cette «perturbation» en essayant de la détruire. Ce qui est intéressant ici, c'est qu'ils réagiront à l'explication de ce phénomène à l'aide du même phénomène. Voici mon explication "provocante":

Dans le suiveur perturbé (Fig.3 ci-dessus), l'ampli-op augmente sa tension de sortie Vout avec une tension supplémentaire dVOA égale à la chute de tension VRout sur Rout (VOA = VL + VRL = VL + dVOA ). Cette tension supplémentaire est proportionnelle au courant de charge de la même manière que la chute de tension aux bornes de Rout est proportionnelle au courant de charge - dVOA = VRout = IL.Rout. Ainsi, l'ampli opérationnel ajoute la tension VRout = IL.Rout tandis que la résistance de sortie soustrait la même chute de tension VRout = IL.Rout. Donc, ma conclusion est:

Dans les circuits avec rétroaction négative, la sortie op-amp agit comme une "résistance négative" avec une résistance -Rout qui compense la résistance de sortie positive Rout (puisqu'ils sont connectés en série). En conséquence, le circuit a une résistance de sortie nulle (Rout - Rout = 0) .

Ceci est une explication en termes de résistances alors que l'explication précédente ci-dessus était en termes de tensions . Il ne reste plus qu'à attendre de voir la réaction à cette "perturbation" (silence, -1s, commentaires négatifs, etc.)

Généralisation

Nous sommes prêts à généraliser nos observations en une "philosophie". Nous pouvons formuler, comme H&H, "Règles d'or pour appliquer un retour négatif dans les circuits ampli-op":

1. Fermez les commentaires négatifs après la perturbation.

2. Si vous voulez un suiveur, prenez la sortie après la perturbation.

3. Si vous voulez un amplificateur, prenez la sortie avant la perturbation.

La perturbation dans les exemples ci-dessus était proportionnelle - Diviseur de tension Rout-RL (R2-R1).

(Je vous suggère de visiter deux ressources qui illustrent la propriété unique des circuits de rétroaction négative pour compenser toutes sortes de perturbations. La première est une histoire de Wikibooks basée sur un exercice de laboratoire réalisé avec mon étudiants en 2008. Le second est un film Flash interactif intitulé Des choses étranges peuvent être mises dans la boucle de rétroaction. Je l'ai créé en 2002 lorsque j'ai été très impressionné par le manuel de l'étudiant de Tom Hayes pour l'art de C'est à ce moment-là que j'ai rencontré pour la première fois une façon de penser comme la mienne et j'étais très enthousiaste.)

(La fin)

Dans un amplificateur opérationnel, avec ce rolloff unipolaire de 10 Hz à 1 Mhz (pour certains amplificateurs opérationnels) et le déphasage de 90 degrés associé, le décalage de phase entraîne un comportement INDUCTIF sur la broche VOUT.

Vous pouvez le voir DANS LES MATHES, en utilisant gain / phase (magnitude / phase) dans votre équation.