1. Ideaalsed optimeerijad

PRAEGU - 1. Ideaalsed op-amprid
EELMINE - Ideaalne operatsioonivõimendid Sissejuhatus
NEXT-2. Pöörlev võimendi

Ideaalsed optimeerijad

Selles jaotises kasutatakse a süsteemid lähenemine Ideaalsete operatsioonivõimendite põhialuste esitamiseks. Sellisena kaalume op-amp kui sisend- ja väljundklemmidega plokki. Praegu me ei ole seotud üksikute elektrooniliste seadmetega op-amp.

Op-amp on võimendi, mida sageli toidavad nii positiivsed kui ka negatiivsed toitepinged. See võimaldab väljundpinget pöörata nii maapotentsiaali üle kui ka alla. Op-amp leiab laialdast rakendust paljudes lineaarsetes elektroonilistes süsteemides.

Nimi operatsioonvõimendit on tuletatud ühest op-amp-ahelate algsest kasutusest; matemaatilist teostamist toimingud analoogarvutites. Seda traditsioonilist rakendust arutatakse edaspidi käesolevas peatükis. Varakult kasutatavad võimendid kasutasid ühte inverteerivat sisendit. Positiivne pinge muutus sisendil põhjustas negatiivse muutuse väljundis.

Seega, et mõista op-amp-i toimimist, tuleb kõigepealt tutvuda kontrollitud (sõltuvate) allikate kontseptsiooniga, kuna need moodustavad op-amp-mudeli aluse.

1.1 sõltuvad allikad

Sõltuvad (või kontrollitud) allikad tekitavad pinge või voolu, mille väärtus määratakse vooluahela teises asukohas asuva pinge või voolu alusel. Seevastu passiivsed seadmed toodavad pinge või voolu, mille väärtus määratakse vooluahelas, mis asub vooluahela samas kohas. Nii sõltumatud kui ka sõltuvad pinge ja vooluallikad on aktiivsed elemendid. See tähendab, et nad suudavad mõnele välisele seadmele energiat tarnida. Passiivsed elemendid ei ole võimelised genereerima energiat, kuigi nad suudavad hilisemaks ajaks energiat tarnida, nagu see on kondensaatorite ja induktiivpoolide puhul.

Järgnev joonis illustreerib võimendusseadme samaväärset ahela konfiguratsiooni, mida sageli kasutatakse ahelanalüüsis. Parimtakisti on koormus. Leiame selle süsteemi pinge ja voolutugevuse. Pinge suurenemine, Av on defineeritud kui väljundpinge ja sisendpinge suhe. Samamoodi on voolutugevus Ai väljundvoolu ja sisendvoolu suhe.

Ideaalsed optimeerijad

Joonis 1- Tahkis-võimendusseadme ekvivalentahel

Sisendvool on:

Teine takisti vool, i1, leitakse otse Ohmi seadusest:

(2)

Seejärel annab väljundpinge:

(3)

Võrrandis (3) ‖ tähistab takistite paralleelset kombinatsiooni. Väljundvool leitakse otse Ohmi seadusest.

(4)

Seejärel leitakse pinge ja voolutugevus, moodustades suhted:

(5)

(6)

 1.2 Operatiivvõimendi ekvivalentahel
Ideaalsed optimeerijad

Joonis 2- Operatsioonivõimendi ja samaväärne ahel

Figure 2 (A) kujutab operatsioonivõimendi sümbolit ja joonis 2 (b) näitab selle ekvivalentset ahelat. Sisendterminalid on v+ ja v-. Väljundterminal on vvälja. Toiteallika ühendused on +V, -V ja maandusklemmid. Toideühendused on tihti skemaatilistest joonistest välja jäetud. Väljundpinge väärtust piirab +V ja -V kuna need on vooluahela kõige positiivsemad ja negatiivsed pinged.

Mudel sisaldab sõltuvat pingeallikat, mille pinge sõltub sisendpinge erinevusest v+ ja v-. Kaks sisendterminali on tuntud kui mitte-ümberpööratav ja pöörates sisendeid. Ideaalis ei sõltu võimendi väljund kahe sisendpinge suurusest, vaid ainult nende erinevusest. Me määratleme diferentsiaal sisendpinge, vdkui erinevust,

(7)

Väljundpinge on proportsionaalne diferentsiaalse sisendpingega ja me nimetame suhet avatud silmusvõimenduse võimenduseks G. Seega väljundpinge on

(8)

Näiteks on sisend  (E on tavaliselt väike amplituud), mida rakendatakse ümberpöörduva terminaliga, mis on maandatud, toodab ümberpööratav terminal  väljundis. Kui sama allika signaali rakendatakse inverteerivale sisendile, kui terminal on maandatud, siis väljund on .

Op-amp-i sisendimpedants on näidatud kui resistentsus joonisel 2 (b).
Väljundimpedants on joonisel kujutatud kui resistentsus, Ro.

Ideaalne operatsioonivõimendi on iseloomustatud järgmiselt:

Need on tavaliselt head ligikaudsed väärtused tegelike optimeerijate parameetritele. Tegelike optimeerijate tüüpilised parameetrid on:

Ideaalsete op-amprite kasutamine tegelike optimeerijate ligikaudseks hindamiseks on seega ahelanalüüsi väärtuslik lihtsustamine.
Uurime, milline on avatud ahela võimenduse mõju lõpmatusele. Kui me kirjutame võrrandi (8) ümber järgmiselt: 

(9)

ja lase G läheneme lõpmatusele, me näeme seda

(10)

Võrrand (10) näitab, et väljundpinge ei saa olla lõpmatu. Väljundpinge väärtust piiravad positiivsed ja negatiivsed toiteväärtused. Võrrand (10) näitab, et kahe klemmi pinge on sama:

(11)

Seetõttu viib võrrandi (11) võrdsus meid ütlema, et sisendterminalide vahel on virtuaalne lühis.

Kuna ideaalse op-amp-i sisendresistentsus on lõpmatu, on iga sisendi vool, inverteeriv terminal ja mitte-inverteeriv terminal null.
Kui lineaarse võimenduse režiimis kasutatakse reaalseid ampeerimisi, on võimendus väga suur ja võrrand (11) on hea lähendus. Siiski kasutavad mitmed rakendused reaalsete optimeerijate jaoks seadet mittelineaarses režiimis. Võrrandite (11) ühtlustamine ei kehti nende ahelate puhul. 
Kuigi praktilistel võimenditel on kõrge pinge võimendus, varieerub see võimendus sagedusega. Seetõttu ei kasutata op-amp tavaliselt joonisel 2 (a) näidatud kujul. Seda konfiguratsiooni tuntakse avatud silmusena, sest väljundist sisendisse ei ole tagasiside. Hiljem näeme, et kuigi avatud ahela konfiguratsioon on kasulik võrdlusrakenduste jaoks, on lineaarsete rakenduste tavalisem konfiguratsioon suletud ahelaga tagasiside.

Väliseid elemente kasutatakse väljundsignaali osa sisendisse tagasisideks. Kui tagasiside elemendid asetatakse väljundi ja inverteeriva sisendi vahele, väheneb suletud ahela võimendus, kuna osa väljundist lahutatakse sisendist. Hiljem näeme, et tagasiside mitte ainult ei vähenda üldist võimendust, vaid muudab selle võimenduse ka G väärtuse suhtes vähem tundlikuks. Tagasiside abil sõltub suletud ahela võimendus rohkem tagasisideahela elementidest ja vähem põhiülesandest. amp võimendi võimendus, G. Tegelikult on suletud ahela võimendus sisuliselt sõltumatu G väärtusest - see sõltub ainult välise vooluahela elementide väärtustest. 

Joonis (3) illustreerib üheastmelise negatiivse tagasiside op-amp ahelat.
Ideaalsed optimeerijad

Joonis 3 - pöörlev op-amp

Seetõttu analüüsime seda ahelat järgmises osas. Praegu märkige, et üks takisti, RF, kasutatakse väljundpinge ühendamiseks, vvälja pöörlevale sisendile, v-.  

Teine takisti, Ra on ühendatud pöörlevast sisendist, v-, sisendpingele, va. Kolmas takisti, R on paigutatud mitte-pööratava sisendi ja maapinna vahele.
Op-ampeere, takistusi ja kondensaatoreid kasutavaid ahelaid saab konfigureerida nii, et need viiksid läbi palju kasulikke toiminguid, nagu summeerimine, lahutamine, integreerimine, diferentseerimine, filtrimine, võrdlemine ja võimendamine.

1.3 Analüüsimeetod

Me analüüsime ahelaid, kasutades kahte olulist ideaalset op-amp;

  • Pinge vahel v+ ja v- on null või v+ = v-.
  • Voolu nii v+ ja v- terminal on null.

Need lihtsad tähelepanekud viivad protseduuri mis tahes ideaalse optilise ahela analüüsimiseks järgmiselt:

  • Kirjutage Kirchhoffi praeguse õiguse sõlme võrrand mitte-inverteerivale terminalile, v+.
  • Kirjutage Kirchhoffi praeguse õiguse sõlme võrrand inverteerivale terminalile, v-.
  • komplekt v+ = v- ja lahendada soovitud suletud ahela kasumid.

Kirchhoffi seaduste kohaldamisel pidage meeles, et vool mõlemasse v+ ja v- terminal on null.

EELMINE - Ideaalne operatsioonivõimendid Sissejuhatus
NEXT-2. Pöörlev võimendi