7. Další aplikace Op-amp

APLIKACE

Následující obvod analyzujte online pomocí simulátoru obvodu TINACloud kliknutím na níže uvedený odkaz.

1 - Negativní simulace impedančního obvodu

7.2 Generátor závislých proudů

Obrázek 18 - Závislý generátor proudu

Předpokládejme, že necháme R_F = R_A. Rovnice (47) pak indikuje, že vstupní odpor k op-amp obvodu (uzavřený v přerušovaném poli) je -R. Vstupní obvod pak lze zjednodušit, jak je znázorněno na obrázku 18 (b). Chceme spočítat i_zatížení, proud v R_zatížení. I když je odpor záporný, stále platí normální Kirchhoffovy zákony, protože nic v jejich derivacích nepředpokládá kladné odpory. Vstupní proud, i_in, je pak nalezen spojením odporů do jednoho odporu, R_in.

(48)

Pak aplikujeme poměr proud-dělič k aktuálnímu rozdělení mezi R_zatížení a -R až získat

(49)

Výsledkem přidání op-amp obvodu je, aby proud v zátěži byl úměrný vstupnímu napětí. Nezávisí na hodnotě zátěžového odporu, R_zatížení. Proud je tedy nezávislý na změnách zátěžového odporu. Op-amp obvod účinně ruší zátěžový odpor. Protože proud je nezávislý na zatížení, ale závisí pouze na vstupním napětí, nazýváme to a generátor proudu (nebo převodník napětí-proud).

Mezi mnoho aplikací tohoto okruhu je a dc zdroj regulovaného napětí. Pokud necháme v_in = E (konstanta), proud přes R_zatížení je konstantní nezávisle na variantách R_zatížení.

APLIKACE

Následující obvod analyzujte online pomocí simulátoru obvodu TINACloud kliknutím na níže uvedený odkaz.

Simulace obvodu závislého na proudovém generátoru 2

Převodník proudu na napětí 7.3

Obrázek 19 - Převodník proudu na napětí

Obvod na obrázku (19) produkuje výstupní napětí, které je úměrné vstupnímu proudu (toto lze také považovat za a zesilovač s jednotným ziskem). Analyzujeme tento obvod pomocí vlastností ideálních operačních zesilovačů. Vyřešíme, abychom našli napětí na vstupních svorkách

(50)

Proto výstupní napětí, v_out = -i_inR, je úměrná vstupnímu proudu, i_in.

APLIKACE

Následující obvod analyzujte online pomocí simulátoru obvodu TINACloud kliknutím na níže uvedený odkaz.

3 - Simulace proudového a napěťového měniče

7.4 Převodník napětí na proud

Obrázek 20 - Napětí na měnič proudu

Obvod obrázku (20) je měnič napětí-proud. Tento okruh analyzujeme následovně:

(51)

Z rovnice (51) zjistíme,

(52)

Zátěžový proud je tedy nezávislý na zátěžovém odporu, R_zatížení, a je úměrná aplikovanému napětí, v_in. Tento obvod vyvíjí zdroj napětí řízený napětím. Praktickým nedostatkem tohoto obvodu je však to, že žádný konec zátěžového odporu nemůže být uzemněn.

Obrázek 21 - Převodník napětí na proud

Tento okruh analyzujeme následujícím způsobem:

(53)

Poslední rovnost využívá tuto skutečnost v₊ = v_-. V těchto rovnicích je pět neznámých (v₊, v_in, v_out, v, a i_zatížení). Vyloučíme v₊ a v_out získat,

(54)

Zatěžovací proud, i_zatížení, je nezávislá na zatížení, R_zatíženía je pouze funkcí rozdílu napětí,v_in - v).

APLIKACE

Následující obvod analyzujte online pomocí simulátoru obvodu TINACloud kliknutím na níže uvedený odkaz.

Simulace 4-Voltage to Current Converter Circuit

Inverzní zesilovač 7.5 s generalizovanými impedancemi

Obrázek 22 - Použití zobecněné impedance v místě odporu

Vztah rovnice (17) lze snadno rozšířit tak, aby zahrnoval odporové komponenty, pokud R_j je nahrazena impedancí, Z_j, a R_F nahrazuje tímto:. \ t Z_F. Pro jeden vstup, jak je znázorněno na obrázku 22 (a), se výstup sníží na

(55)

Vzhledem k tomu, že se zabýváme ve frekvenční oblasti, používáme velká a velká písmena pro napětí a proudy, což představuje komplexní amplitudy.

Jeden užitečný obvod založený na rovnici (55) je Millerův integrátor, jak je znázorněno na obrázku 22 (b). V této aplikaci je zpětnovazební složkou kondenzátor, Ca vstupní komponentou je odpor, R, Takže

(56)

V rovnici (56), s  je operátor Laplaceovy transformace. Pro sinusové signály,  . Když tyto impedance nahradíme v rovnici (55), dostaneme

(57)

V oblasti komplexních frekvencí 1 / s odpovídá integraci v časové oblasti. Tohle je invertující integrátor protože výraz obsahuje záporné znaménko. Proto je výstupní napětí

(58)

kde v_out(0) je počáteční podmínka. Hodnota v_out je vyvíjen jako napětí na kondenzátoru, C, v čase t = 0. Spínač je uzavřen, aby se kondenzátor nabil na napětí v_out(0) a pak na t = 0 je přepínač otevřený. Používáme elektronické přepínače, o kterých se podrobněji diskutuje v kapitole 16. V případě, že počáteční stav je nula, přepínač je stále používán pro reset integrátoru na nulové výstupní napětí v čase t = 0.

Obrázek 23 - Příklad invertujícího derivátoru

Pokud je prvek zpětné vazby odporem a vstupním prvkem je kondenzátor, jak je znázorněno na obrázku (23), vztah mezi vstupem a výstupem se stává

(59)

V časové oblasti se to stane

(60)
APLIKACE

Následující obvod analyzujte online pomocí simulátoru obvodu TINACloud kliknutím na níže uvedený odkaz.

5- Příklad inverzní simulace obvodů diferenciátoru

Obvod pracuje jako invertující derivátor. Všimněte si, že vstupní kondenzátor, Z_a = 1 / sC, neposkytuje cestu pro dc. To nemá vliv na výsledek, protože derivace konstanty je nulová. Pro jednoduchost používejme sinusový vstupní signál. Přeuspořádání rovnice (59) a nahrazení číselných hodnot tohoto obvodu získáme

(61)

Vstupní napětí je tímto obvodem převráceno (posun 180 °) a pak znovu změněno a posunuto (90 ° j-operator) o hodnotu RC kde .

Výsledky simulace jsou znázorněny na obrázku (24).

Obrázek 24 - Výsledky simulace pro invertující diferenciátor

Vstupní křivka vrcholí při 0.5 voltech. Výstupní napětí má čistý posun (zpoždění) stupňů 90 a špičky výstupního napětí při přibližně 0.314 voltech. To je v dobré shodě s výsledkem rovnice (61).

Můžeme také použít křivky, které ukazují, že tento obvod plní úlohu invertujícího derivátoru. Potvrdíme, že výstupní průběh představuje sklon vstupního signálu krát konstantu. Konstanta je zisk napětí obvodu. Největší rychlost změny křivky vstupního napětí nastává na jeho nulovém křížení. To odpovídá době, kdy výstupní křivka dosáhne svého maxima (nebo minima). Vybereme-li reprezentativní bod, řekněme v time0.5 ms, a pomocí grafických technik vypočítáme sklon křivky vstupního napětí jako

(62)

Změna této míry změny (tj. ) ziskem obvodového napětí podle rovnice (60) očekáváme maximální výstupní napětí

(63)

7.6 analogové počítačové aplikace

V této části představujeme použití vzájemně propojených op-amp obvodů, jako jsou léta a integrátory, k vytvoření analogového počítače, který se používá k řešení diferenciálních rovnic. Mnoho fyzikálních systémů je popsáno lineárními diferenciálními rovnicemi, a systém tedy může být analyzován pomocí analogového počítače.

Obrázek 25 - Analogová počítačová aplikace

Pojďme řešit proud, i (t), v obvodu obrázku 25. Vstupní napětí je funkce řízení a počáteční podmínky jsou nulové. Zapisujeme diferenciální rovnici obvodu takto:

(64)

Nyní řešení pro di / dt, dostaneme

(65)

Víme, že pro t> 0,

(66)

Z rovnice (65) vidíme, že -di / dt je tvořen součtem tří výrazů, které jsou na obrázku 26 na vstupu do prvního integračního zesilovače.

Obrázek 26 - Analogové počítačové řešení pro obrázek 25

Tyto tři termíny se nacházejí takto:

1. Řídící funkce -v (t) / L je tvořena průchodem v (t) přes převrácené léto (léto) se ziskem, 1 / L.
2. Ri / L je tvořen odebráním výstupu prvního integračního zesilovače (Integrator 1) a jeho přidáním na vstup zesilovače na výstup zesilovače zesilovače (Summer).
3. Termín

(67)
je výstup druhého integrátoru (Integrator 2). Vzhledem k tomu, že znamení musí být změněno, sčítáme to s jednotným ziskem převráceným léto (léto).
Výstup prvního integrátoru je + i, jak je vidět z rovnice (66). Konstanty v diferenciální rovnici jsou stanoveny správným výběrem rezistorů a kondenzátorů analogového počítače. Nulové počáteční podmínky jsou prováděny přepínači přes kondenzátory, jak je znázorněno na obrázku 22 (b).

7.7 Non-Inverting Miller Integrator

Obrázek 27 - neinvertující integrátor

Pro vytvoření neinvertujícího integrátoru používáme modifikaci závislého generátoru proudu z předchozí části. Obvod je konfigurován podle obrázku 27.
To je podobné obvodu z obr. 21, ale odpor zátěže byl nahrazen kapacitancí. Teď najdeme proud, Iload. Inverzní napětí, V-, se nachází z rozdělení napětí mezi V a V- následujícím způsobem:

(68)

Protože V + = V-, řešíme a nacházíme
IL = Vin / R. Všimněte si, že

(69)

kde s je operátor Laplaceovy transformace. Funkce Vout / Vin je pak

(70)

Takže v časové oblasti, kterou máme

(71)

Obvod je tedy neinvertující integrátor.

APLIKACE

Následující obvod analyzujte online pomocí simulátoru obvodu TINACloud kliknutím na níže uvedený odkaz.

6-Non-invertovat integrátor obvodová simulace

SHRNUTÍ

Operační zesilovač je velmi užitečným stavebním kamenem pro elektronické systémy. Skutečný zesilovač pracuje téměř jako ideální zesilovač s velmi vysokým ziskem a téměř nekonečnou vstupní impedancí. Z tohoto důvodu můžeme s ním zacházet stejně jako s součástmi obvodu. To znamená, že jsme schopni začlenit zesilovač do užitečných konfigurací před studiem vnitřního provozu a elektronických charakteristik. Rozpoznáváním vlastností terminálu jsme schopni konfigurovat zesilovače a další užitečné obvody.
Tato kapitola začala analýzou ideálního operačního zesilovače a vývojem ekvivalentních obvodových modelů s využitím závislých zdrojů. Závislé zdroje, které jsme v této kapitole studovali, tvoří stavební bloky ekvivalentních obvodů pro mnoho elektronických zařízení, která studujeme v tomto textu.
Pak jsme prozkoumali externí připojení potřebná k vytvoření op-ampu v invertujícím zesilovači, neinvertujícím zesilovači a zesilovači s více vstupy. Vyvinuli jsme pohodlnou konstrukční techniku, která eliminuje potřebu řešení velkých systémů simultánních rovnic.
Nakonec jsme viděli, jak by mohl být operační zesilovač použit k vytvoření řady složitějších obvodů, včetně obvodů, které jsou ekvivalentní záporným impedancím (které mohou být použity ke zrušení efektů kladných impedancí), integrátorů a diferenciačních prvků.

PREVIOUS- 6. NÁVRH OKRUHŮ OP-AMP

NEXT-1. Ideální zesilovače