1. Idealne op-ampere
STRUJA - 1. Idealna op-pojačala
PRETHODNA - Idealna operativna pojačala Uvod
Idealne op-ampere
Ovaj odjeljak koristi a sistemi pristup predstaviti osnove idealnih operativnih pojačala. Kao takav, smatramo op-amp kao blok sa ulaznim i izlaznim terminalima. Trenutno se ne bavimo pojedinačnim elektronskim uređajima unutar op-amp.
Op-amp je pojačalo koje često pokreće i pozitivni i negativni napon napajanja. To omogućava izlaznom naponu da se okrene i iznad i ispod potencijala zemlje. Op-amp pronalazi široku primjenu u mnogim linearnim elektronskim sistemima.
Ime operativno pojačalo je izveden iz jedne od originalnih upotreba op-amp krugova; za izvođenje matematičkog Operacije u analognim računarima. Ova tradicionalna primjena se razmatra kasnije u ovom poglavlju. Rani op-ampsi su koristili jedan invertirajući ulaz. Pozitivna promjena napona na ulazu uzrokovala je negativnu promjenu na izlazu.
Dakle, da bismo razumjeli rad op-amp-a, potrebno je prvo se upoznati sa konceptom kontrolisanih (zavisnih) izvora jer oni čine osnovu op-amp modela.
1.1 zavisni izvori
Zavisni (ili kontrolisani) izvori proizvode napon ili struju čija je vrijednost određena naponom ili strujom koja postoji na drugoj lokaciji u krugu. Nasuprot tome, pasivni uređaji proizvode napon ili struju čija je vrijednost određena naponom ili strujom koja postoji na istoj lokaciji u krugu. I nezavisni i zavisni naponski i strujni izvori su aktivni elementi. To jest, oni su sposobni isporučiti struju nekom vanjskom uređaju. Pasivni elementi nisu sposobni za proizvodnju energije, iako mogu da pohranjuju energiju za isporuku kasnije, kao što je slučaj sa kondenzatorima i induktorima.
Slika ispod ilustrira ekvivalentnu konfiguraciju sklopa pojačavajućeg uređaja koji se često koristi u analizi krugova. Najviše desno
otpornik je opterećenje. Naći ćemo naponsko i strujno pojačanje ovog sistema. Dobitak napona, Av se definira kao odnos izlaznog napona i ulaznog napona. Slično tome, trenutni dobitak, Ai je odnos izlazne struje prema ulaznoj struji.
Slika 1 - Ekvivalentno kolo solid-state pojačavajućeg uređaja
Ulazna struja je:
Struja u drugom otporniku, i1, nalazi se direktno iz Ohmovog zakona:
(2)
Izlazni napon se tada daje:
(3)
U jednačini (3), ‖ označava paralelnu kombinaciju otpornika. Izlazna struja se nalazi direktno iz Ohmovog zakona.
(4)
Dobici napona i struje se zatim pronalaze formiranjem omjera:
(5)
(6)
1.2 Operativno pojačalo ekvivalentno kolo
Slika 2 - Operativno pojačalo i ekvivalentno kolo
Figure 2 (A) predstavlja simbol za operativno pojačalo, a slika 2 (b) pokazuje njen ekvivalentni sklop. Ulazni terminali su v+ i v-. Izlazni terminal je vnapolje. Priključci za napajanje su na +V, -V i terminali za uzemljenje. Priključci za napajanje su često izostavljeni iz shematskih crteža. Vrijednost izlaznog napona je ograničena +V i -V budući da su to najpozitivniji i najnegativniji naponi u krugu.
Model sadrži zavisni izvor napona čiji napon zavisi od razlike ulaznog napona v+ i v-. Dva ulazna terminala su poznata kao neinverzija i inverting respektivno. U idealnom slučaju, izlaz pojačala ne zavisi od veličine dva ulazna napona, već samo od razlike između njih. Definišemo diferencijalni ulazni napon, vd, kao razlika,
(7)
Izlazni napon je proporcionalan ulaznom naponu diferencijala, a odnos označavamo kao dobitak otvorene petlje, G. Dakle, izlazni napon je
(8)
Kao primer, ulaz od 
(E obično je mala amplituda) koja se primjenjuje na neinvertirajući ulaz s invertirajućim terminalom koji se temelji, proizvodi 
na izlazu. Kada se isti izvor signala primijeni na invertirajući ulaz s ne-invertirajućim terminalom, izlaz je 
.
Ulazna impedansa op-amp je prikazana kao otpor na slici 2 (b).
Izlazna impedansa je prikazana na slici kao otpor, Ro.
Idealno operativno pojačalo karakteriše se na sledeći način:
To su obično dobre aproksimacije parametara realnih op-ampera. Tipični parametri realnih op-ampera su:
Korištenje idealnih op-ampera za aproksimaciju stvarnih op-ampera je stoga vrijedno pojednostavljenje analize krugova.
Hajde da istražimo implikacije dobrobiti otvorene petlje su beskonačne. Ako prepišemo Equation (8) 
kao što slijedi:
(9)
i neka G prilazimo beskonačnosti, vidimo to
(10)
Jednadžba (10) se dobija posmatranjem da izlazni napon ne može biti beskonačan. Vrijednost izlaznog napona ograničena je pozitivnim i negativnim vrijednostima napajanja. Jednadžba (10) označava da su naponi na dva terminala isti:
(11)
Prema tome, jednakost jednačine (11) navodi nas da kažemo da postoji virtualni kratki spoj između ulaznih terminala.
Pošto je ulazni otpor idealnog op-amp beskonačan, struja u svaki ulaz, invertni terminal i ne-invertirajući terminal, je nula.
Kada se realni op-amperi koriste u linearnom modu pojačanja, dobitak je vrlo velik, a jednadžba (11) je dobra aproksimacija. Međutim, nekoliko aplikacija za stvarne op-ampere koristi uređaj u nelinearnom modu. Aproksimacija jednačine (11) nije važeća za ova kola.
Iako praktični op-amperi imaju visok napon, ovaj dobitak varira sa frekvencijom. Iz tog razloga, op-amp se obično ne koristi u obliku prikazanom na slici 2 (a). Ova konfiguracija je poznata kao otvorena petlja jer nema povratne informacije od izlaza na ulaz. Kasnije vidimo da, dok je konfiguracija otvorene petlje korisna za komparatorske aplikacije, češća konfiguracija za linearne aplikacije je zatvoreni krug sa povratnom vezom.
Vanjski elementi se koriste za „povratnu spregu“ dijela izlaznog signala na ulaz. Ako su elementi povratne sprege postavljeni između izlaza i invertiranog ulaza, dobitak zatvorene petlje se smanjuje jer se dio izlaza oduzima od ulaza. Kasnije ćemo vidjeti da povratna sprega ne samo da smanjuje ukupni dobitak, već i taj dobitak čini manje osjetljivim na vrijednost G. Sa povratnom spregom, pojačanje zatvorene petlje više ovisi o elementima kruga povratne sprege, a manje o osnovnim mogućnostima pojačalo napona pojačala, G. U stvari, pojačanje zatvorene petlje je u osnovi neovisno o vrijednosti G-to ovisi samo o vrijednostima vanjskih elemenata kruga.
Slika (3) ilustruje jednofazni op-amp strujni krug.
Slika 3 - Inverting op-amp
Stoga ćemo ovaj krug analizirati u sljedećem odjeljku. Za sada, imajte na umu da je jedan otpornik, RF, koristi se za povezivanje izlaznog napona, vnapolje do invertirajućeg ulaza, v-.
Drugi otpornik, Ra spojen je s invertirajućeg ulaza, v-, do ulaznog napona, va. Treći otpornik, R nalazi se između neinvertirajućeg ulaza i mase.
Sklopovi koji koriste op-ampere, otpornike i kondenzatore mogu biti konfigurisani tako da obavljaju mnoge korisne operacije kao što su sumiranje, oduzimanje, integrisanje, diferenciranje, filtriranje, upoređivanje i pojačavanje.
1.3 Metod analize
Analiziramo kolo koristeći dva važna idealna op-amp svojstva:
- Napon između v+ i v- je nula, ili v+ = v-.
- Struja u oba v+ i v- terminal je nula.
Ova jednostavna zapažanja dovode do procedure za analizu bilo kojeg idealnog op-amp sklopa kako slijedi:
- Napiši jednadžbu Kirchhoffovog trenutnog zakona na neinvertirajućem terminalu, v+.
- Napiši jednadžbu Kirchhoffovog trenutnog zakona na inverting terminalu, v-.
- Set v+ = v- i rešiti željene dobitke zatvorene petlje.
Primjenjujući Kirchhoffove zakone, imajte na umu da je struja u oba v+ i v- terminal je nula.