电压跟随器如何通过负反馈达到稳态的分步说明

只需一分钟！我不是要了解负反馈最终会做什么，或者为什么要使用它。我试图了解电路如何达到稳态，以及负反馈如何逐步使Vout与Vin相同。在其他答案中，这还没有得到适当解决。

假设运算放大器的增益为10,000，电源电压为15V，Vin为5V。

根据我的理解，这是这样的：

1. $V_{in}$$V_{out}$
2. $V_{out}$$V_-$$V_{in}$
3. 因此，差分输入电压现在为5V-15V = -10V
4. 然后通过运算放大器将其放大到-15V（由于饱和）
5. $V_{in}$
6. $V_{out}$
7. 似乎每次运算放大器都会达到饱和，但只是反转输出

我显然在这里做错了。这样，输出永远不会稳定在5V。它实际上如何运作？

由于出色的答案，我（认为我）已经了解了负反馈的操作。根据我的理解，这是这样的：

为了简单起见，我们说输入是达到5V的理想步骤（否则输出将跟随瞬态输入，使所有内容“连续”且难以分步说明）。

1. $V_{in}$
2. $(V_+ - V_-)$
3. 让我们考虑该输出达到1V的时间点。
4. 现在，反馈也将为1V，并且差分电压将降至4V。现在，运算放大器的“目标”电压将为40,000V（由于10,000的增益，并且再次被电源限制为15V）。因此，V_out将继续快速增加。
5. 让我们考虑该输出达到4V的时间点。
6. $V_{out}$

新出现的模式是：差分输入导致V_out增大，这导致反馈电压增大，这导致差分输入减小，从而减小运算放大器“目标”输出电压。这个周期是连续的，这意味着我们可以将其分成更短的时间间隔进行调查。无论如何：

7. $(V_{in} - V_- = 5V - 4.9995V = 0.0005V)$$0.0005V*10,000 = 5V$

但是，如果运算放大器达到4.9998V，则差分电压将仅为0.0002V。因此，运算放大器的输出应降至2V。为什么不发生这种情况？

我相信我终于了解了该过程：

$V_{out}$

如果运算放大器的输出降至4.9995V以下，则反馈将减少，从而导致差分电压增加，从而使运算放大器的输出回到4.9995V。

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

“ Vin是5V，所以Vout应该是50,000V。”

为什么？运算放大器会放大+和-输入之间的差异，而不仅仅是+输入上的值！

好的，您可能首先开始：输出为0V，输入（连接到+输入）为5V。您要做的是对输入施加5V的步进。

现在发生的事情是，运算放大器开始提高输出电压。它不能立即执行此操作，因此它会“缓慢地”上升（因为“缓慢地”的一些相当快的值，在OpAmp领域中具有技术名称：转换速率，它是真实OpAmp的重要特征）。当达到5V时，它会反馈到负输入，这时它会补偿+输入处的5V，因此OpAmp不再试图提高其输出电平。（准确地说：当差异为5V / 10k时，发生的时间要早​​一些。）

根据时序特性，输出可能“缓慢地”稳定到5V，或者过冲5V，跌落到5V以下，等等（向5V振荡）。如果电路设计不良，振荡可能会增加（并且永远不会结束）。

最基本的解释：

这是我通过拟人来理解给定运算放大器电路的直观方法。在运算放大器中想象一个小家伙。小家伙有一个显示屏，指示+和-输入之间的电压差。小家伙也有一个旋钮。旋钮可在电压轨之间的某个位置调节输出电压。

我们小朋友的目标是使两个电压之间的差为零。他将转动旋钮，直到找到输出电压为止，根据您连接到该电路的电压，该电压将在显示屏上产生零差。

因此，在“顺序”步骤中：

1. 缓冲电路的输入为5V。假设输出旋钮最初为0V。
2. 由于在缓冲器配置中输入直接连接到输出，因此小家伙显示屏上的差异为5V。他对此不满意。
3. 小家伙开始转动旋钮以增加电压输出。它越来越近。
4. 最后，当他在显示屏上看到0V时，便停止改变旋钮。现在输出将为5V。

在理想的运算放大器内：

它实际上不是运算放大器中的小家伙：这是数学！这是我们试图在运算放大器中实现的表示：

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

这将实现小家伙试图达到的目标，但有一些限制：

• 小家伙可以弄清楚旋钮的转动方式，但是不能。我们必须将其连接起来，以便增加输出可减少差异。
• 如果“很多增益”实际上不是无限的，将有微小的误差。
• 我们必须仔细考虑电路是否稳定。关于这个话题有很多。

真正的运算放大器：

这是真正的运算放大器（741）在内部的外观：

这些晶体管实现了上面的数学表示。

重要的是要记住，使用真正的运算放大器时，必须解决许多实际问题。仅举几例：

• 偏置电流
• 噪声
• 共模输入电压
• 电流输出
• 电源电压
• 功耗
• 动态行为和稳定性

但是在所有运算放大器电路中，我的头脑总是从“小家伙”的解释开始，以了解发生了什么。然后，如果需要，我将其扩展为数学分析。最后，如果需要的话，我还将应用满足需要的实践知识。

opAmp可以连续运行，而不要谨慎运行。这意味着无法立即执行任何操作，并且操作不会逐步发生。即使将开关拨动以将电压连接到+引脚，输入中仍会存在一个瞬态上升时间，并且输出会连续跟随。这通常被称为opAmp操作。香料模型就是那个模型。该模型不会也不能合并opAmp中的所有细微差别。如果要研究opAmp的瞬态影响，请购买一台并用示波器查看。这是您将能够研究效果的唯一方法。

在现实世界中，运算放大器的压摆率有限。对于某些运算放大器，压摆率可能非常快，但绝不是瞬时的。当运算放大器的“ +”输入较高时，输出将迅速上升，直到达到正轨为止，或者“ +”输入不再高于“-”输入。当“-”输入较高时，输出将非常快地下降，直到达到负轨或“-”输入不再高于“ +”输入为止。

在大多数使用运算放大器设计合理的电路中，对于较大范围的输出压摆率，应同样满足满足要求所必需的电路性能。例如，对于电压跟随器，压摆率将在输入变化到输出达到相同值之间增加一个短暂的延迟，但不会影响输出所达到的值。

实际上，您所描述的现象曾经是一个真正的问题，可以追溯到黑暗时代（1970年代）。古老的LM310电压跟随器数据手册包含应用提示（第2页底部），建议使用10k欧姆输入电阻以保持稳定性。

还要注意，您的论点可以应用于任何运算放大器电路，要解决您的反对意见，需要考虑放大器的频率响应，这远远超出了我的能力范围。只需说一句，输出就不会立即改变（其他响应者提到的受限压摆率，另一方面，还要考虑内部电路如何响应变化）。

其他人已经描述了实际发生的情况：输出做出响应，使两个输入之间的差变为零，如果电路设计正确，最终将停留在该位置。但是，只是为了向您展示这个问题很复杂，请考虑一下，如果将输出放慢太多（通过在输出上放置一个电容器接地），也会导致放大器振荡。

很抱歉，我无法提供更多详细信息，但是很显然，在我什至无法解释之前，您需要更多的背景知识。

总的答案是，运算放大器的输出将转换为所需的任何电压，以使同相（+）和反相（-）输入处于相同电压。因此，如果将+输入设置为5伏，则输出将伺服为5伏，因此-输入将为5伏，假设运算放大器的导轨将允许这种情况发生。

但实际上，输出永远不会真正稳定下来，并且总是在+输入上的电压之上和之下进行伺服。

多少取决于运算放大器的增益和带宽以及外部电路，但这是一个完全不同的问题。