Ideelle funktionsforstærkere (Ideal ampere) -TINA og TINACloud

Ideelle op-ampere

Dette afsnit bruger en systemer tilgang til at præsentere fundamentet for ideelle operative forstærkere. Som sådan betragter vi op-amp som en blok med input og output terminaler. Vi er ikke i øjeblikket bekymret over de enkelte elektroniske enheder inden for op-amp.

En op-amp er en forstærker, der ofte drives af både positive og negative forsyningsspændinger. Dette gør det muligt for udgangsspændingen at svinge både over og under jordpotentiale. Op-amp finder bred anvendelse i mange lineære elektroniske systemer.

Navnet operationsforstærker er afledt af en af de oprindelige anvendelser af op-amp kredsløb; at udføre matematisk operationer i analoge computere. Denne traditionelle ansøgning diskuteres senere i dette kapitel. Tidlige op-ampere brugte en enkelt inverterende indgang. En positiv spændingsændring ved indgangen forårsagede en negativ ændring i udgangen.

For at forstå driften af op-amp er det derfor nødvendigt først at blive bekendt med begrebet kontrollerede (afhængige) kilder, da de danner basis for op-amp-modellen.

1.1 afhængige kilder

Afhængige (eller kontrollerede) kilder producerer en spænding eller strøm, hvis værdi bestemmes af en spænding eller strøm, som findes på et andet sted i kredsløbet. Til gengæld producerer passive enheder en spænding eller strøm, hvis værdi bestemmes af en spænding eller strøm, der findes på samme sted i kredsløbet. Både uafhængige og afhængige spændings- og strømkilder er aktive elementer. Det vil sige, de er i stand til at levere strøm til nogle eksterne enheder. Passive elementer kan ikke generere strøm, selv om de kan gemme energi til levering på et senere tidspunkt, som det er tilfældet med kondensatorer og induktorer.

Figuren nedenfor illustrerer en ækvivalent kredsløbskonfiguration af en forstærkningsindretning, som ofte anvendes i kredsløbsanalyse. Højstmodstanden er belastningen. Vi finder spændingen og strømforbruget af dette system. Spændingsgevinst, Av defineres som forholdet mellem udgangsspænding og indgangsspænding. Tilsvarende er den aktuelle forstærkning Ai forholdet mellem udgangsstrøm og indgangsstrøm.

Figur 1-ækvivalent kredsløb af en solid-state forstærkerenhed

Indgangsstrømmen er:

Strømmen i den anden modstand, i₁, findes direkte fra Ohms lov:

(2)

Udgangsspændingen gives derefter ved:

(3)

I ligning (3) ‖ angiver en parallel kombination af modstande. Udgangsstrømmen findes direkte fra Ohms lov.

(4)

Spændings- og strømgevinsterne findes derefter ved at danne forholdene:

(5)

(6)

1.2 Operationsforstærker Equivalent Circuit

Figur 2- Operationsforstærker og ækvivalent kredsløb

Figure 2 (A) præsenterer symbolet for operationsforstærkeren, og figur 2 (b) viser dets ækvivalente kredsløb. Indgangsterminalerne er v₊ , v_-. Udgangsterminalen er v_ud. Strømforsyningsforbindelserne er ved +V, -V og jordterminaler. Strømforsyningsforbindelserne er ofte udeladt fra skematiske tegninger. Værdien af udgangsspændingen er afgrænset af +V , -V da disse er de mest positive og negative spændinger i kredsløbet.

Modellen indeholder en afhængig spændingskilde, hvis spænding afhænger af indgangsspændingsforskellen mellem v₊ , v_-. De to indgangsterminaler er kendt som ikke-inverterende , invertere indgange henholdsvis. Ideelt set afhænger forstærkerens udgang ikke af størrelsen af de to indgangsspændinger, men kun på forskellen mellem dem. Vi definerer differentiel indgangsspænding, v_dsom forskellen

(7)

Udgangsspændingen er proportional med differentialens indgangsspænding, og vi betegner forholdet som open-loop gain, G. Således er udgangsspændingen

(8)

Som et eksempel, en indtastning af (E er normalt en lille amplitude), der påføres den ikke-inverterende indgang med den inverterende terminal jordet, producerer ved udgangen. Når det samme kildesignal påføres den inverterende indgang med den ikke-inverterende terminal jordet, er udgangen .

Indgangsimpedansen af op-amp er vist som en modstand i figur 2 (b).
Outputimpedansen er repræsenteret i figuren som en modstand, Ro.

En ideel operationsforstærker er karakteriseret som følger:

Disse er normalt gode tilnærmelser til parametrene for ægte op-ampere. Typiske parametre af ægte op-ampere er:

Brug af ideelle op-ampere til at tilnærme rigtige op-ampere er derfor en værdifuld forenkling til kredsløbsanalyse.
Lad os undersøge implikationen af, at open-loop-gevinsten er uendelig. Hvis vi omskriver ligning (8) som følger:

(9)

og lad G nærhed uendelig, vi ser det

(10)

Ligning (10) resulterer ved at bemærke, at udgangsspændingen ikke kan være uendelig. Værdien af udgangsspændingen er afgrænset af de positive og negative strømforsyningsværdier. Ligning (10) indikerer, at spændingerne ved de to terminaler er de samme:

(11)

Derfor ligner ligestilling af ligning (11) os at sige, at der er en virtuel kortslutning mellem indgangsterminalerne.

Da inputmotstanden for den ideelle op-amp er uendelig, er strømmen i hver indgang, inverterende terminal og ikke-inverterende terminal, nul.
Når reelle op-ampere anvendes i en lineær forstærkningstilstand, er forstærkningen meget stor, og ligning (11) er en god tilnærmelse. Imidlertid bruger flere applikationer til ægte op-ampere enheden i en ikke-lineær tilstand. Tilnærmelsen af ligning (11) er ikke gyldig for disse kredsløb.
Selv om praktiske op-ampere har højspændingsforøgelse, varierer denne gevinst med frekvens. Af denne grund anvendes en op-amp normalt ikke i formularen vist i figur 2 (a). Denne konfiguration kaldes open loop, fordi der ikke er feedback fra output til input. Vi ser senere, at mens åben-loop-konfigurationen er nyttig til komparatorprogrammer, er den mere almindelige konfiguration for lineære applikationer lukket kredsløbskredsløb med feedback.

Eksterne elementer bruges til at "feedback" en del af udgangssignalet til indgangen. Hvis feedbackelementerne er placeret mellem output og inverterende input, reduceres lukket sløjfeforstærkning, da en del af output trækker fra input. Vi vil senere se, at feedback ikke kun mindsker den samlede forstærkning, men det gør også, at gevinsten er mindre følsom over for værdien af G. Med feedback afhænger forstærkning med lukket sløjfe mere af feedback-kredsløbselementerne og mindre af den grundlæggende op- forstærkerens spændingsforstærkning, G. Faktisk er forstærkningen med lukket sløjfe i det væsentlige uafhængig af værdien af G, det afhænger kun af værdierne for de eksterne kredsløbselementer.

Figur (3) illustrerer en single-stage negativ feedback op-amp kredsløb.

Figur 3- Den inverterende op-amp

Derfor analyserer vi dette kredsløb i næste afsnit. For nu, bemærk at en enkelt modstand, R_F, bruges til at forbinde udgangsspændingen, v_ud til den inverterende indgang, v_-.

En anden modstand, R_a er forbundet fra den inverterende indgang, v_-, til indgangsspændingen, v_a. En tredje modstand, R er placeret mellem den ikke-inverterende indgang og jorden.
Kredsløb der bruger op-ampere, modstande og kondensatorer kan konfigureres til at udføre mange nyttige operationer som opsummering, subtraktion, integrering, differentiering, filtrering, sammenligning og forstærkning.

1.3 Analysemetode

Vi analyserer kredsløb ved hjælp af de to vigtige ideelle op-amp egenskaber:

Spændingen mellem v₊ , v_- er nul eller v₊ = v_-.
Nuværende i begge v₊ , v_- terminal er nul.

Disse enkle observationer fører til en procedure til analyse af ethvert ideelt op-amp-kredsløb som følger:

Skriv Kirchhoffs nuværende lovnote ligning ved den ikke-inverterende terminal, v₊.
Skriv Kirchhoff nuværende lovnote ligning ved inverterende terminal, v_-.
sæt v₊ = v_- og løse for de ønskede lukkede kredsløbsgevinster.

Når du anvender Kirchhoffs love, skal du huske, at strømmen i begge v₊ , v_- terminal er nul.

TIDLIGERE - Ideelle driftsforstærkere Introduktion

NÆSTE-2. Den omvendte forstærker