1. Ιδανικοί ενισχυτές
ΤΡΕΧΟΝ - 1. Ιδανικοί op-amp
ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΕΣ - Ιδανικοί λειτουργικοί ενισχυτές Εισαγωγή
Ιδανικοί ενισχυτές
Αυτή η ενότητα χρησιμοποιεί α συστήματα προσέγγιση για την παρουσίαση των θεμελιωδών στοιχείων των Ιδανικών Λειτουργικών Ενισχυτών. Ως εκ τούτου, θεωρούμε το op-amp σαν μπλοκ με τερματικά εισόδου και εξόδου. Σήμερα δεν ασχολούμαστε με τις επιμέρους ηλεκτρονικές συσκευές μέσα στο op-amp.
Ένας ενισχυτής είναι ένας ενισχυτής που τροφοδοτείται συχνά από θετικές και αρνητικές τάσεις παροχής. Αυτό επιτρέπει στην τάση εξόδου να μετακινείται τόσο πάνω όσο και κάτω από το έδαφος δυναμικό. Ο op-amp βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε πολλά γραμμικά ηλεκτρονικά συστήματα.
Το όνομα λειτουργικός ενισχυτής προέρχεται από μία από τις αρχικές χρήσεις των κυκλωμάτων op-amp. να εκτελεί μαθηματικά επιχειρήσεις σε αναλογικούς υπολογιστές. Αυτή η παραδοσιακή εφαρμογή εξετάζεται αργότερα σε αυτό το κεφάλαιο. Οι πρώτοι ενισχυτές χρησιμοποίησαν μία μόνο αντίστροφη είσοδο. Μια θετική αλλαγή τάσης στην είσοδο προκάλεσε αρνητική αλλαγή στην έξοδο.
Επομένως, για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του op-amp, είναι απαραίτητο να εξοικειωθούμε αρχικά με την έννοια των ελεγχόμενων (εξαρτώμενων) πηγών, δεδομένου ότι αποτελούν τη βάση του μοντέλου op-amp.
1.1 εξαρτώμενες πηγές
Οι εξαρτώμενες (ή ελεγχόμενες) πηγές παράγουν τάση ή ρεύμα, η τιμή του οποίου καθορίζεται από τάση ή ρεύμα που υπάρχει σε άλλη θέση στο κύκλωμα. Αντίθετα, οι παθητικές συσκευές παράγουν τάση ή ρεύμα, η τιμή των οποίων καθορίζεται από τάση ή ρεύμα που υπάρχει στην ίδια θέση στο κύκλωμα. Τόσο ανεξάρτητες όσο και εξαρτώμενες πηγές τάσης και ρεύματος είναι ενεργά στοιχεία. Δηλαδή, είναι σε θέση να παρέχουν ισχύ σε κάποια εξωτερική συσκευή. Τα παθητικά στοιχεία δεν είναι σε θέση να παράγουν ισχύ, αν και μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια για παράδοση αργότερα, όπως συμβαίνει με τους πυκνωτές και τους επαγωγείς.
Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει μια ισοδύναμη διαμόρφωση κυκλώματος μιας συσκευής ενίσχυσης που χρησιμοποιείται συχνά στην ανάλυση κυκλώματος. Το πιο δεξί
αντίσταση είναι το φορτίο. Θα βρούμε το κέρδος τάσης και ρεύματος αυτού του συστήματος. Τάση τάσης, Av ορίζεται ως ο λόγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου. Ομοίως, το κέρδος ρεύματος, Ai είναι ο λόγος του ρεύματος εξόδου προς το ρεύμα εισόδου.
Εικόνα 1 - Ισοδύναμο κύκλωμα μιας συσκευής ενίσχυσης στερεάς κατάστασης
Το ρεύμα εισόδου είναι:
Το ρεύμα στη δεύτερη αντίσταση, i1, βρίσκεται απευθείας από τον νόμο του Ohm:
(2)
Η τάση εξόδου δίνεται στη συνέχεια από:
(3)
Στην Εξίσωση (3), ‖ δείχνει έναν παράλληλο συνδυασμό αντιστάσεων. Το ρεύμα εξόδου βρίσκεται απευθείας από το νόμο του Ohm.
(4)
Τα κέρδη τάσης και ρεύματος στη συνέχεια βρίσκονται με τον σχηματισμό των αναλογιών:
(5)
(6)
1.2 Λειτουργικό ισοδύναμο κύκλωμα ενισχυτή
Εικόνα 2 - Λειτουργικός ενισχυτής και ισοδύναμο κύκλωμα
F2 (Α) παρουσιάζει το σύμβολο για τον επιχειρησιακό ενισχυτή και το σχήμα 2 (b) δείχνει το αντίστοιχο κύκλωμα. Οι ακροδέκτες εισόδου είναι v+ και v-. Το τερματικό εξόδου είναι vέξω. Οι συνδέσεις παροχής ενέργειας βρίσκονται στο +V, -V και τους τερματικούς σταθμούς γείωσης. Οι συνδέσεις τροφοδοσίας ρεύματος είναι συχνά παραλείπεται από τα σχηματικά σχέδια. Η τιμή της τάσης εξόδου περιορίζεται από +V και -V καθώς αυτές είναι οι πιο θετικές και αρνητικές τάσεις στο κύκλωμα.
Το μοντέλο περιέχει μια εξαρτώμενη πηγή τάσης η τάση της οποίας εξαρτάται από τη διαφορά τάσης εισόδου μεταξύ v+ και v-. Τα δύο τερματικά εισόδου είναι γνωστά ως μη αναστρέψιμη και αναστρέφοντας εισόδους αντίστοιχα. Στην ιδανική περίπτωση, η έξοδος του ενισχυτή δεν εξαρτάται από τα μεγέθη των δύο τάσεων εισόδου, αλλά μόνο από τη διαφορά μεταξύ τους. Ορίζουμε το διαφορική τάση εισόδου, vd, καθώς η διαφορά,
(7)
Η τάση εξόδου είναι ανάλογη με τη διαφορική τάση εισόδου και ορίζουμε τον λόγο ως κέρδος ανοιχτού βρόχου, G. Έτσι, η τάση εξόδου είναι
(8)
Για παράδειγμα, μια είσοδος του 
(E είναι συνήθως ένα μικρό πλάτος) που εφαρμόζεται στην μη αναστρέψιμη είσοδο με τον τερματικό αντιστροφής γειωμένο, παράγει 
στην έξοδο. Όταν το ίδιο σήμα πηγής εφαρμόζεται στην είσοδο αναστροφής με γειωμένο τερματικό μη αντιστροφής, η έξοδος είναι 
.
Η αντίσταση εισόδου του op-amp εμφανίζεται ως αντίσταση στο Σχήμα 2 (b).
Η αντίσταση εξόδου αντιπροσωπεύεται στο σχήμα ως αντίσταση, Ro.
Ένας ιδανικός λειτουργικός ενισχυτής χαρακτηρίζεται ως εξής:
Αυτές είναι συνήθως καλές προσεγγίσεις στις παραμέτρους των πραγματικών op-amp. Οι τυπικές παράμετροι των πραγματικών op-amp είναι:
Η χρήση ιδανικών op-amp για την προσέγγιση πραγματικών op-amp είναι ως εκ τούτου μια πολύτιμη απλοποίηση για την ανάλυση κυκλώματος.
Ας διερευνήσουμε τις συνέπειες του κέρδους ανοιχτού βρόχου που είναι άπειρο. Αν ξαναγράψουμε την εξίσωση (8) 
ως ακολούθως:
(9)
και ας G πλησιάζει το άπειρο, αυτό το βλέπουμε
(10)
Η εξίσωση (10) προκύπτει με την παρατήρηση ότι η τάση εξόδου δεν μπορεί να είναι άπειρη. Η τιμή της τάσης εξόδου περιορίζεται από τις τιμές θετικής και αρνητικής παροχής ισχύος. Η εξίσωση (10) δείχνει ότι οι τάσεις των δύο ακροδεκτών είναι οι ίδιες:
(11)
Επομένως, η ισότητα της Εξίσωσης (11) μας οδηγεί να πούμε ότι υπάρχει ένα εικονικό βραχυκύκλωμα μεταξύ των τερματικών εισόδου.
Δεδομένου ότι η αντίσταση εισόδου του ιδανικού op-amp είναι άπειρη, το ρεύμα σε κάθε είσοδο, το τερματικό αντιστροφής και το μη αντιστρέψιμο τερματικό, είναι μηδενικό.
Όταν χρησιμοποιούνται πραγματικοί op-amps σε γραμμική ενίσχυση, το κέρδος είναι πολύ μεγάλο και η εξίσωση (11) είναι μια καλή προσέγγιση. Ωστόσο, πολλές εφαρμογές για πραγματικούς op-amp χρησιμοποιούν τη συσκευή σε μη γραμμική λειτουργία. Η προσέγγιση της εξίσωσης (11) δεν ισχύει για αυτά τα κυκλώματα.
Αν και οι πρακτικοί ενισχυτές-ενισχυτές έχουν κέρδος υψηλής τάσης, αυτό το κέρδος ποικίλλει ανάλογα με τη συχνότητα. Για το λόγο αυτό, ένας ενισχυτής-ενισχυτής δεν χρησιμοποιείται κανονικά στη μορφή που φαίνεται στο σχήμα 2 (a). Αυτή η διαμόρφωση είναι γνωστή ως ανοιχτός βρόχος επειδή δεν υπάρχει ανατροφοδότηση από την έξοδο στην είσοδο. Αργότερα βλέπουμε ότι, ενώ η διαμόρφωση ανοιχτού βρόχου είναι χρήσιμη για εφαρμογές σύγκρισης, η συνηθέστερη διαμόρφωση για γραμμικές εφαρμογές είναι το κύκλωμα κλειστού βρόχου με ανατροφοδότηση.
Τα εξωτερικά στοιχεία χρησιμοποιούνται για «ανατροφοδότηση» ενός μέρους του σήματος εξόδου στην είσοδο. Εάν τα στοιχεία ανάδρασης τοποθετηθούν μεταξύ της εξόδου και της εισόδου αντιστροφής, το κέρδος κλειστού βρόχου μειώνεται αφού ένα μέρος της εξόδου αφαιρείται από την είσοδο. Θα δούμε αργότερα ότι η ανάδραση όχι μόνο μειώνει το συνολικό κέρδος, αλλά κάνει επίσης αυτό το κέρδος λιγότερο ευαίσθητο στην τιμή του G. αύξηση τάσης ενισχυτή, G. Στην πραγματικότητα, το κέρδος κλειστού βρόχου είναι ουσιαστικά ανεξάρτητο από την τιμή του G - εξαρτάται μόνο από τις τιμές των στοιχείων εξωτερικού κυκλώματος.
Το σχήμα (3) απεικονίζει ένα μονοφασικό κύκλωμα op-amp αρνητικής ανάδρασης.
Εικόνα 3 - Ο αντιστρεπτικός ενισχυτής
Επομένως, θα αναλύσουμε αυτό το κύκλωμα στην επόμενη ενότητα. Προς το παρόν, σημειώστε ότι μία μόνο αντίσταση, RF, χρησιμοποιείται για τη σύνδεση της τάσης εξόδου, vέξω στην αναστροφή της εισόδου, v-.
Μια άλλη αντίσταση, Ra συνδέεται από την είσοδο αντιστροφής, v-, στην τάση εισόδου, va. Μία τρίτη αντίσταση, R τοποθετείται μεταξύ της μη αναστρέψιμης εισόδου και της γείωσης.
Τα κυκλώματα που χρησιμοποιούν op-amp, αντιστάσεις και πυκνωτές μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να εκτελούν πολλές χρήσιμες λειτουργίες, όπως αθροίζοντας, αφαιρώντας, ενσωματώνοντας, διαφοροποιώντας, φιλτράροντας, συγκρίνοντας και ενισχύοντας.
1.3 Μέθοδος Ανάλυσης
Αναλύουμε τα κυκλώματα χρησιμοποιώντας τις δύο σημαντικές ιδιότητες op-amp:
- Η τάση μεταξύ v+ και v- είναι μηδέν, ή v+ = v-.
- Το ρεύμα τόσο στο v+ και v- τερματικό είναι μηδέν.
Αυτές οι απλές παρατηρήσεις οδηγούν σε μια διαδικασία για την ανάλυση οποιουδήποτε ιδανικού κυκλώματος op-amp ως εξής:
- Γράψτε την εξίσωση κόμβου του τρέχοντος νόμου Kirchhoff στο μη-αναστρέψιμο τερματικό, v+.
- Γράψτε την εξίσωση του κόμβου τρέχοντος νόμου Kirchhoff στο τερματικό μετατροπής, v-.
- σετ v+ = v- και να λυθεί για τα επιθυμητά κέρδη κλειστού βρόχου.
Κατά την εφαρμογή των νόμων του Kirchhoff, θυμηθείτε ότι το ρεύμα και στα δύο v+ και v- τερματικό είναι μηδέν.