7. Druge Op-amp aplikacije

STRUJA - 7. Ostale aplikacije op-pojačala

Druge op-amp aplikacije

Vidjeli smo da se op-amp može koristiti kao pojačalo, ili kao sredstvo za kombiniranje više ulaza na linearan način. Sada istražujemo nekoliko važnih primjena ove svestrane linearne IC.

7.1 Negative Impedance Circuit
druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 17 Negative Impedance Circuit

Krug prikazan na slici (17) proizvodi negativni ulazni otpor (impedancija u općem slučaju).

Ovaj krug se može koristiti za ukidanje neželjenog pozitivnog otpora. Mnoge aplikacije oscilatora zavise od op-amp sklopa negativnog otpora. Ulazni otpor, Rin, je odnos ulaznog napona i struje.


(43)

Odnos naponskog razdjelnika se koristi za dobivanje izraza za v- budući da je struja u op-amp nula.


(44)

Sada smo pustili v+ = v- i rešiti za vnapolje u smislu vin, što daje,


(45)

Od ulazne impedanse do v+ terminal je beskonačan, struja u R je jednako iin i može se naći na sljedeći način:


(46)

Ulazni otpor, Rin, zatim se daje


(47)

Jednadžba (47) pokazuje da krug slike (17) razvija negativni otpor. Ako R zamijenjen je impedancijom, Z, krug razvija negativnu impedanciju.

PRIJAVA

Analizirajte sledeći krug online sa simulatorom TINACloud sklopa klikom na link ispod.

1 - simulacija negativnog impedancijskog kruga

Generator zavisnih struja 7.2
Generator zavisne struje proizvodi struju opterećenja koja je proporcionalna primijenjenom naponu, vin, i nezavisno je od otpora opterećenja. Može se dizajnirati koristeći malu modifikaciju negativnog impedancijskog kruga. Krug je prikazan na slici 18 (a).

Slika 18 - ovisni strujni generator

Pretpostavimo da pustimo RF = RA. Jednadžba (47) zatim pokazuje da je ulazni otpor op-amp kruga (zatvoren u isprekidanom polju) -R. Ulazni krug se zatim može pojednostaviti kako je prikazano na slici 18 (b). Želimo izračunati iopterećenje, struja u Ropterećenje. Iako je otpor negativan, normalni Kirchhoffovi zakoni i dalje vrijede, jer ništa u njihovim izvodima ne pretpostavlja pozitivne otpore. Ulazna struja, iin, zatim se pronalazi kombiniranjem otpora u jedan otpornik, Rin.


(48)

Zatim ćemo primijeniti omjer tekućeg dijela na trenutnu podjelu između Ropterećenje i -R do dobiti


(49)

Na taj način efekat dodavanja op-amp kola je da struja u opterećenju bude proporcionalna ulaznom naponu. Ne ovisi o vrijednosti otpora opterećenja, Ropterećenje. Struja je stoga neovisna o promjenama otpora opterećenja. Krug op-amp efektivno poništava otpor opterećenja. Budući da je struja nezavisna od opterećenja, ali ovisi samo o ulaznom naponu, mi to nazivamo a strujni generator (ili pretvarač napona-struje).

Među mnogim aplikacijama ovog kruga je a dc regulirani izvor napona. Ako pustimo vin = E (konstanta), struja kroz Ropterećenje je konstantna nezavisno od varijacija Ropterećenje.

PRIJAVA

Analizirajte sledeći krug online sa simulatorom TINACloud sklopa klikom na link ispod.

2- simulacija kola zavisnog strujnog kruga

7.3 pretvarač struje u napon
druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 19 - Pretvarač struje-napona

Krug sa slike (19) stvara izlazni napon koji je proporcionalan ulaznoj struji (to se takođe može smatrati a unvertirajuće pojačalo jedinstva). Analiziramo ovaj sklop koristeći svojstva idealnih op-pojačala. Rješavamo pronalaženje napona na ulaznim stezaljkama


(50)

Dakle, izlazni napon, vnapolje = -iinR, je proporcionalna ulaznoj struji, iin.

PRIJAVA

Analizirajte sledeći krug online sa simulatorom TINACloud sklopa klikom na link ispod.

3 - simulacija strujnog kruga na konverter napona

7.4 konvertor napona do struje
druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 20 - Pretvarač napona u struju

Krug slike (20) je pretvarač napona i struje. Ovaj krug analiziramo na sledeći način:


(51)

Iz jednačine (51) nalazimo,


(52)

Stoga je struja opterećenja nezavisna od otpornika opterećenja, Ropterećenje, i proporcionalan je primenjenom naponu, vin. Ovaj sklop razvija naponski strujni izvor. Međutim, praktičan nedostatak ovog kruga je da se ni jedan kraj otpornika opterećenja ne može uzemljiti.

Kao alternativa, strujni krug prikazan na slici (21) daje pretvarač napona i struje s jednim krajem oslonca otpora opterećenja.
druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 21 - Pretvarač napona do struje

Ovaj krug analiziramo pisanjem jednadžbi čvora na sledeći način:


(53)

Posljednja jednakost koristi činjenicu da v+ = v-. U ovim jednadžbama postoji pet nepoznanica (v+, vin, vnapolje, v, I iopterećenje). Mi eliminišemo v+ i vnapolje dobiti,


(54)

Struja opterećenja, iopterećenje, je nezavisno od opterećenja, Ropterećenje, i samo je funkcija razlike napona, (vin - v).

PRIJAVA

Analizirajte sledeći krug online sa simulatorom TINACloud sklopa klikom na link ispod.

Simulacija kruga 4-napona na strujni pretvarač

7.5 Inverting pojačalo sa generaliziranim impedancijama
druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 22 - Upotreba generalizirane impedancije umjesto otpora

Odnos jednadžbe (17) lako se proširuje tako da uključuje ne-otporne komponente ako Rj zamijenjen je impedancijom, Zj, I RF zamjenjuje se s ZF. Za jedan ulaz, kao što je prikazano na slici 22 (a), izlaz se smanjuje na


(55)

Budući da se radi o frekvencijskom domenu, koristimo velika slova za napone i struje, te tako predstavljamo kompleksne amplitude.

Jedan koristan krug zasnovan na jednačini (55) je Miller integrator, kao što je prikazano na slici 22 (b). U ovoj aplikaciji, komponenta povratne veze je kondenzator, C, a ulazna komponenta je otpornik, R, tako


(56)

U jednačini (56), s  je Laplasov transformator. Za sinusoidne signale,  . Kada zamijenimo ove impedancije u jednadžbu (55), dobijamo


(57)

U kompleksnoj frekvencijskoj domeni, 1 / s odgovara integraciji u vremenskom domenu. Ovo je inverting integrator jer izraz sadrži negativni znak. Stoga je izlazni napon


(58)

gdje vnapolje(0) je početno stanje. Vrednost vnapolje razvijen je kao napon na kondenzatoru, C, u vremenu t = 0. Prekidač je zatvoren za punjenje kondenzatora na napon vnapolje(0), a zatim u t = 0 prekidač je otvoren. Koristimo elektronske prekidače, o kojima detaljnije govorimo u Poglavlju 16. U slučaju da je početni uslov nula, prekidač se još uvijek koristi za resetiranje integratora na nulti izlazni napon u vremenu t = 0.

druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 23 - Primjer obrnutog diferencijatora

Ako je element povratne veze otpornik, a ulazni element je kondenzator, kao što je prikazano na slici (23), ulazno-izlazna veza postaje


(59)

U vremenskom domenu to postaje


(60)
PRIJAVA

Analizirajte sledeći krug online sa simulatorom TINACloud sklopa klikom na link ispod.

5 - Primjer simulacije kruga obrnutog diferencijatora

Krug radi kao inverting differentiator. Imajte na umu da je ulazni kondenzator, Za = 1 / sC, ne pruža put za dc. To ne utiče na rezultat jer je derivat konstante nula. Radi jednostavnosti, upotrebimo sinusoidni ulazni signal. Reorganizovanjem jednačine (59) i zamenom numeričkih vrednosti za ovaj krug, dobijamo


(61)

Ulazni napon se invertira (pomak 180 °) ovim krugom, a zatim se ponovo skalira i pomjeri (90 ° od strane j- operater) po vrijednosti RCs gdje .

Rezultati simulacije prikazani su na slici (24).

Slika 24 - Rezultati simulacije za inverting diferencijator

Ulazni valni oblik je na 0.5 voltima. Izlazni napon ima neto pomak (kašnjenje) 90 stupnjeva, a izlazni napon je na približno 0.314 volta. Ovo se dobro slaže sa rezultatom jednačine (61).

Takođe možemo koristiti talasne oblike da pokažemo da ovaj krug izvodi zadatak inverting diferencijatora. Potvrdit ćemo da izlazni valni oblik predstavlja nagib ulaznog signala puta konstantu. Konstanta je napon napajanja kruga. Najveća brzina promjene talasnog oblika ulaznog napona javlja se na njenom križanju nule. Ovo odgovara vremenu kada izlazni valni oblik dosegne svoj maksimum (ili minimum). Birajući reprezentativnu tačku, recimo u vremenu0.5 ms, i koristeći grafičke tehnike, izračunavamo nagib talasnog oblika ulaznog napona kao


(62)

Skaliranje ove stope promjene (tj. ) pomoću napona u krugu prema jednadžbi (60) očekujemo da će biti maksimalni izlazni napon


(63)

7.6 analogne računarske aplikacije

U ovom odeljku predstavljamo upotrebu međusobno povezanih kola op-amp, kao što su ljeta i integratori, kako bismo formirali analogni računar koji se koristi za rješavanje diferencijalnih jednadžbi. Mnogi fizički sistemi su opisani linearnim diferencijalnim jednadžbama, pa se stoga sistem može analizirati pomoću analognog računala.

druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 25 - Analogna računarska aplikacija

Rešimo za struju, i (t), u krugu slike 25. Ulazni napon je pogonska funkcija i početni uslovi su nula. Zapisujemo diferencijalnu jednačinu za kolo na sledeći način:


(64)

Sada rešavamo za di / dt, dobijamo

(65)

Znamo da je za t> 0,

(66)

Iz jednačine (65) vidimo da se -di / dt formira zbrajanjem tri termina, koji se nalaze na slici 26 na ulazu prvog integracionog pojačala.

druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 26 - Analogno računarsko rješenje za sliku 25

Tri termina su pronađena kako slijedi:

1. Pogonska funkcija, -v (t) / L, formirana je prolaskom v (t) kroz invertirajuće ljeto (ljeto) sa dobitkom, 1 / L.
2. Ri / L se formira uzimanjem izlaza prvog integracionog pojačala (Integrator 1) i njegovog dodavanja na ulazu pojačala na izlaz summing pojačala (Summer).
3. Pojam

(67)
je izlaz drugog integratora (Integrator 2). Pošto se znak mora mijenjati, sumiramo ga s pretvaranjem ljeta u dobitak jedinstva (Summer).
Izlaz prvog integratora je + i, kao što se vidi iz jednačine (66). Konstante u diferencijalnoj jednadžbi uspostavljaju se pravilnim odabirom otpornika i kondenzatora analognog računala. Nulti početni uslovi se postižu prekidačima na kondenzatorima, kao što je prikazano na slici 22 (b).

7.7 neinvertirajući Miller integrator
druge primjene op-amp, simulacija kruga, simulator kruga, dizajn sklopa

Slika 27 - Neinverting integrator

Koristimo modifikaciju zavisnog generatora struje iz prethodnog odeljka da bismo razvili integrator koji nije inverzija. Krug je konfiguriran kao što je prikazano na slici 27.
Ovo je slično krugu na slici 21, ali je otpor opterećenja zamijenjen kapacitetom. Sada pronalazimo struju. Inverzni napon, V-, nalazi se iz podjele napona između Vo i V- kako slijedi:

(68)

Pošto je V + = V-, rešavamo i pronalazimo
IL = Vin / R. Zapiši to

(69)

gdje je s Laplasov transformator. Vout / Vin funkcija je tada

(70)

Dakle, u vremenskom domenu imamo

(71)

Krug je, dakle, neinverzija integrator.

PRIJAVA

Analizirajte sledeći krug online sa simulatorom TINACloud sklopa klikom na link ispod.

6-Neinverting integrator Circuit Simulation

 

SAŽETAK

Operativno pojačalo je veoma koristan građevinski blok za elektronske sisteme. Pravo pojačalo radi gotovo kao idealno pojačalo sa vrlo visokim pojačanjem i gotovo beskonačnom ulaznom impedansom. Iz tog razloga, možemo ga tretirati na isti način na koji tretiramo komponente sklopa. To znači da smo u mogućnosti da uključimo pojačalo u korisne konfiguracije pre proučavanja internog rada i elektronskih karakteristika. Prepoznavanjem karakteristika terminala, možemo konfigurirati pojačala i druge korisne sklopove.
Ovo poglavlje je započeto analizom idealnog operacijskog pojačala, te razvojem ekvivalentnih modela sklopova koji koriste zavisne izvore. Zavisni izvori koje smo rano proučavali u ovom poglavlju čine gradivne blokove ekvivalentnih krugova za mnoge elektronske uređaje koje proučavamo u ovom tekstu.
Zatim smo istražili spoljne veze potrebne da se op-amp pretvori u invertirajuće pojačalo, neinvertirajuće pojačalo i višestruko ulazno pojačalo. Razvili smo praktičnu tehniku ​​dizajna koja eliminiše potrebu za rešavanjem velikih sistema simultanih jednačina.
Konačno, vidjeli smo kako se op-amp može koristiti za izgradnju raznih složenijih sklopova, uključujući sklopove koji su ekvivalentni negativnim impedancijama (koje se mogu koristiti za ukidanje efekata pozitivnih impedancija), integratora i diferencijatora.