1. Идеални оп-усилватели
ТОК - 1. Идеални операционни усилватели
ПРЕДИШНИ - Идеални операционни усилватели Въведение
Идеални оп-усилватели
Този раздел използва a системи подход за представяне на основите на Идеални оперативни усилватели. Като такъв, ние разглеждаме оп-усилвателя като блок с входни и изходни терминали. Понастоящем не се занимаваме с отделните електронни устройства в оп-усилвателя.
Оп-усилвател е усилвател, който често се захранва от положителни и отрицателни захранващи напрежения. Това позволява на изходното напрежение да се люлее както над, така и под земния потенциал. Оп-усилвателят намира широко приложение в много линейни електронни системи.
Името операционен усилвател е получена от едно от първоначалните приложения на схеми на оп-усилвател; за извършване на математически операции в аналогови компютри. Това традиционно приложение е обсъдено по-късно в тази глава. Ранните оп-усилватели използват един инвертиращ вход. Положителното изменение на напрежението на входа предизвика отрицателна промяна на изхода.
Следователно, за да се разбере функционирането на операционния усилвател, е необходимо първо да се запознаете с концепцията за контролирани (зависими) източници, тъй като те са в основата на модела OP-AMP.
Зависими от 1.1 източници
Зависимите (или контролираните) източници произвеждат напрежение или ток, чиято стойност се определя от напрежение или ток, съществуващи на друго място във веригата. За разлика от това, пасивните устройства произвеждат напрежение или ток, чиято стойност се определя от напрежение или ток, съществуващи на същото място във веригата. И независими, и зависими източници на напрежение и ток са активни елементи. Това означава, че те могат да доставят захранване на някакво външно устройство. Пасивните елементи не са в състояние да генерират енергия, въпреки че могат да съхраняват енергия за доставка по-късно, какъвто е случаят с кондензатори и индуктори.
Фигурата по-долу илюстрира еквивалентна конфигурация на схема на усилващо устройство, което често се използва в анализа на веригата. Най-дясната
резистор е натоварването. Ще намерим напрежението и токовия коефициент на тази система. Повишаването на напрежението, Av се определя като отношението на изходното напрежение към входното напрежение. По същия начин, текущата печалба, Ai е съотношението на изходния ток към входния ток.
Фигура 1 - Еквивалентна схема на твърдотелно усилващо устройство
Входният ток е:
Токът във втория резистор, i1, се намира директно от закона на Ом:
(2)
Изходното напрежение след това се дава от:
(3)
В уравнение (3), ‖ показва паралелна комбинация от резистори. Изходният ток се намира директно от закона на Ом.
(4)
Нарастването на напрежението и тока се установява чрез формиране на съотношенията:
(5)
(6)
1.2 Еквивалентна верига на операционен усилвател
Фигура 2 - Операционен усилвател и еквивалентна схема
Fигнорирай 2 (А) представя символа за операционния усилвател, а на фигура 2 (b) е показана неговата еквивалентна схема. Входните терминали са v+ намлява v-. Изходният терминал е vот, Връзките за захранване са на +V, -V и наземни терминали. Често са свързани захранващите връзки пропуснати от схематични чертежи. Стойността на изходното напрежение е ограничена от +V намлява -V тъй като това са най-положителните и отрицателните напрежения във веригата.
Моделът съдържа зависим източник на напрежение, чието напрежение зависи от разликата на входното напрежение v+ намлява v-, Двата входни терминала са известни като неинвертиращ намлява обръщане съответно. В идеалния случай, изходът на усилвателя не зависи от величините на двете входни напрежения, а само от разликата между тях. Определяме диференциално входно напрежение, vd, като разлика,
(7)
Изходното напрежение е пропорционално на диференциалното входно напрежение, и ние определяме съотношението като печалба с отворен контур, G. Така, изходното напрежение е
(8)
Като пример, вход от 
(E обикновено е малка амплитуда), приложена към неинвертиращия вход с инвертиращия терминал, заземен, произвежда 
на изхода. Когато същият източник на сигнала се приложи към инвертиращия вход, когато неинвертиращият терминал е заземен, изходът е 
.
Входният импеданс на оп-усилвателя е показан като съпротивление на фигура 2 (b).
Изходният импеданс е представен на фигурата като съпротивление, Ro.
Идеалният операционен усилвател се характеризира по следния начин:
Това обикновено са добри приближения към параметрите на реалните усилватели. Типични параметри на реални усилватели са:
Използването на идеални оп-усилватели за сближаване на реалните усилватели е ценно опростяване за анализ на веригите.
Нека проучим значението на безкрайността на печалбата от отворен цикъл. Ако пренапишем уравнение (8) 
, както следва:
(9)
и нека G приближаваме до безкрайност, виждаме това
(10)
Уравнение (10) се получава, като се наблюдава, че изходното напрежение не може да бъде безкрайно. Стойността на изходното напрежение е ограничена от стойностите на положителното и отрицателното захранване. Уравнение (10) показва, че напреженията в двата терминала са еднакви:
(11)
Следователно, равенството на уравнението (11) ни кара да кажем, че има виртуална късо съединение между входните терминали.
Тъй като входното съпротивление на идеалния оп-усилвател е безкрайно, токът във всеки вход, инвертиращ терминал и неинвертиращ терминал, е нула.
Когато реалните усилватели се използват в режим на линейно усилване, печалбата е много голяма, а уравнението (11) е добро приближение. Няколко приложения за реални усилватели обаче използват устройството в нелинеен режим. Апроксимацията на уравнението (11) не е валидна за тези схеми.
Въпреки, че практическите усилватели имат високо напрежение, това усилване варира с честота. Поради тази причина оп-усилвателят обикновено не се използва във формата, показана на фигура 2 (a). Тази конфигурация е известна като отворен цикъл, защото няма обратна връзка от изхода към входа. По-късно виждаме, че докато конфигурацията с отворен контур е полезна за сравнителни приложения, по-често срещаната конфигурация за линейни приложения е затворената верига с обратна връзка.
Външните елементи се използват за „обратна връзка“ на част от изходния сигнал към входа. Ако елементите за обратна връзка са поставени между изхода и инвертиращия вход, печалбата със затворен цикъл се намалява, тъй като част от изхода изважда от входа. По-късно ще видим, че обратната връзка не само намалява общата печалба, но също така прави тази печалба по-малко чувствителна към стойността на G. С обратна връзка печалбата със затворен цикъл зависи повече от елементите на веригата за обратна връзка и по-малко от основните опции усилване на напрежението на усилвателя, G. Всъщност усилването със затворен цикъл е по същество независимо от стойността на G-зависи само от стойностите на елементите на външната верига.
Фигура (3) илюстрира еднофазно отрицателно обратна връзка.
Фигура 3 - Инвертиращият операционен усилвател
Затова ще анализираме тази верига в следващия раздел. Засега имайте предвид, че един резистор, RF, се използва за свързване на изходното напрежение, vот към инвертиращия вход, v-.
Друг резистор, Ra е свързан от инвертиращия вход, v-, до входното напрежение, va, Трети резистор, R се поставя между неинвертиращия вход и земята.
Схемите, използващи оп-усилватели, резистори и кондензатори могат да бъдат конфигурирани да изпълняват много полезни операции като сумиране, изваждане, интегриране, диференциране, филтриране, сравняване и усилване.
1.3 Метод за анализ
Анализираме схемите, като използваме двете важни идеални оп-амп свойства:
- Напрежението между v+ намлява v- е нула, или v+ = v-.
- Токът и в двете v+ намлява v- терминалът е нула.
Тези прости наблюдения водят до процедура за анализиране на всяка идеална оп-ампер верига, както следва:
- Напишете уравнението на точния закон на Kirchhoff в неинвертиращия терминал, v+.
- Напишете уравнението на точния закон на Kirchhoff в инвертиращия терминал, v-.
- комплект v+ = v- и решаване за желаните затворени контури.
Когато прилагате законите на Kirchhoff, не забравяйте, че токът и в двете v+ намлява v- терминалът е нула.