Hendel‑Analogie: Verduidelijking van Gedeelde Feedback in Versterkers

Om gedeelde‑feedback versterkerschema's te demystificeren, kunnen we een bekend mechanisch systeem gebruiken: een hendel. De bewegende einden van de hendel stellen invoer‑ en uitgangsspanningen voor, terwijl de draaipunt – ofwel een fysieke massa of een virtuele – fungeert als feedback‑referentie.

Bekijk de klassieke niet‑inverterende op‑amp hieronder. Zoals eerder besproken, kan de spanningstersterkte nooit onder de eenheid dalen. Door een hendeldiagram te koppelen aan het schema – waarbij de armlengtes van de hendel overeenkomen met de weerstandswaarden – kunnen we visualiseren hoe spanningveranderingen vertalen naar mechanische verplaatsing.

Natuurkundigen noemen deze opstelling een derde‑klasse hendel, omdat de inspanning (invoer) en de last (uitvoer) aan dezelfde kant van de draaipunt liggen. Derde‑klasse hendels tonen een uitgangsverplaatsing die ten minste zo groot is als de invoer, wat overeenkomt met de ≥1 versterking van de niet‑inverterende versterker.

Het duwen van het invoerpunt omhoog op de hendel is analoog aan het aanbrengen van een positieve invoerspanning. De geometrie van de hendel versterkt de beweging: het uitgangspunt beweegt twee keer zo ver en in dezelfde richting. In het circuit is de uitgangsspanning twee keer de invoer, met behoud van polariteit.

Vanwege de verplaatsingsversterkende eigenschappen van de hendel zal het “uitgangs” punt twee keer zo ver verplaatsen als het “invoer” punt, en in dezelfde richting. In het elektronische circuit is de uitgangsspanning twee keer de invoer, met dezelfde polariteit. Het aanbrengen van een negatieve invoerspanning is analoog aan het neerwaarts bewegen van de hendel vanaf zijn niveau “nul” positie, resulterend in een versterkte uitgangsverplaatsing die ook negatief is:

Het wijzigen van de weerstandsverhouding R₂/R₁ herpositioneert het invoerpunt ten opzichte van de draaipunt, waardoor de mechanische versterking wordt aangepast. Bijvoorbeeld, het verhogen van R₂ ten opzichte van R₁ verschuift de hendel zodat de uitgangsverplaatsing vier keer de invoer wordt.

Nu zal elk invoersignaal versterkt worden met een factor vier in plaats van twee:

Inverterende configuraties kunnen ook op de hendelanalogie worden afgebeeld, maar met een andere mechanische klasse. Hier is het massapunt van de feedbackdeler de inverterende invoer van de op‑amp, wat de invoer aan de ene kant van de draaipunt en de uitgang aan de andere plaatst – een eerste‑klasse hendel.

Wanneer de twee weerstanden gelijk zijn – wat gelijk is aan gelijke hendellengtes aan weerszijden van de draaipunt – is de uitgangsverplaatsing gelijk aan de invoergrootte maar met omgekeerde richting. Dus een positieve invoer produceert een negatieve uitgang.

Het aanpassen van R₂/R₁ verschuift de draaipunt opnieuw, wat de versterking moduleert. Als R₂ twee keer R₁ is, levert de hendelgeometrie een versterking van –2. Omgekeerd, het wisselen van de weerstandswaarden verplaatst de draaipunt een derde vanaf het uitgangseinde, wat een versterking van –½ geeft.