7. Muut op-sovellukset
NYKYINEN - 7. Muut op-amp-sovellukset
PREVIOUS- 6. Op-amp-piirien suunnittelu
Muut op-sovellukset
Olemme nähneet, että op-vahvistinta voidaan käyttää vahvistimena tai keinona yhdistää useita tuloja lineaarisesti. Tutkimme nyt useita tämän monipuolisen lineaarisen IC: n tärkeitä sovelluksia.
7.1 Negatiivinen impedanssipiiri
Kuva 17 Negatiivinen impedanssipiiri
Kuviossa (17) esitetty piiri tuottaa negatiivisen tulonkestävyyden (impedanssi yleisessä tapauksessa).
Tätä piiriä voidaan käyttää peruuttamaan ei-toivottu positiivinen vastus. Monet oskillaattorisovellukset riippuvat negatiivisen vastuksen op-amp-piiristä. Tulon vastus, Rin, on tulojännitteen ja virran suhde.
(43)
Jännitteen jakajan suhdetta käytetään ilmaisun johtamiseen v- koska virta op-amp: iin on nolla.
(44)
Annamme nyt v+ = v- ja ratkaise vulos suhteen vin, joka tuottaa
(45)
Koska syöttöimpedanssi on v+ terminaali on ääretön, nykyinen R on yhtä suuri kuin iin ja se löytyy seuraavasti:
(46)
Tulon vastus, Rin, antaa sitten
(47)
Yhtälö (47) osoittaa, että kuvion (17) piiri kehittää negatiivisen vastuksen. Jos R korvataan impedanssilla, Z, piiri kehittää negatiivisen impedanssin.
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri verkossa TINACloud-piirisimulaattorilla klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
1 - Negatiivinen impedanssisuojaus
7.2 riippuvainen nykyinen generaattori
Kuva 18 - Riippuva virta generaattori
Oletetaan, että annamme RF = RA. Yhtälö (47) osoittaa sitten, että op-amp-piirin tuloresistanssi (katkoviivassa) on -R. Syöttöpiiri voidaan sitten yksinkertaistaa kuvassa 18 (b) esitetyllä tavalla. Haluamme laskea ikuormitus, nykyinen Rkuormitus. Vaikka vastus on negatiivinen, Kirchhoffin normaaleja lakeja sovelletaan edelleen, koska mikään niiden johdannaisista ei oleta positiivisia vastuksia. Tulovirta, iin, löydetään sitten yhdistämällä vastukset yhteen vastukseen, Rin.
(48)
Sitten sovelletaan nykyisen jakajan suhdetta nykyiseen jaettuun Rkuormitus ja -R saada
(49)
Näin ollen op-amp-piirin lisäämisen vaikutus on tehdä syöttöjännitteeseen verrannollinen kuormitus. Se ei ole riippuvainen kuorman vastuksen arvosta, Rkuormitus. Virta on siis riippumaton kuormituksen kestävyyden muutoksista. Op-amp-piiri poistaa tehokkaasti kuormituksen. Koska virta on kuormituksesta riippumaton, mutta se riippuu vain tulojännitteestä, kutsumme tätä a nykyinen generaattori (tai jännite-virta-muunnin).
Tämän piirin monien sovellusten joukossa on a dc säädetty jännitelähde. Jos annamme vin = E (vakio), virta läpi Rkuormitus on vakio riippumatta Rkuormitus.
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri verkossa TINACloud-piirisimulaattorilla klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
2 - riippuvainen virtalähteen piirin simulointi
7.3-virtamuuntaja
Kuva 19 - Virta-jännite-muunnin
Kuvan (19) piiri tuottaa lähtöjännitteen, joka on verrannollinen tulovirtaan (tätä voidaan myös pitää a yhtenäisyyden vahvistaminen kääntyvä vahvistin). Analysoimme tätä virtapiiriä käyttämällä ihanteellisten op-vahvistimien ominaisuuksia. Ratkaisemme, että tuloliittimien jännitteet löytyvät
(50)
Näin ollen lähtöjännite, vulos = -iinR, on verrannollinen tulovirtaan, iin.
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri verkossa TINACloud-piirisimulaattorilla klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
3- Virta jännitteenmuunninpiirin simulointiin
7.4-jännite-virtamuuntaja
Kuva 20 - Virta-muuntimen jännite
Kuvion (20) piiri on jännite-virta-muunnin. Analysoimme tätä piiriä seuraavasti:
(51)
Yhtälöstä (51) löydämme
(52)
Siksi kuormitusvirta on riippumaton kuorman vastuksesta, Rkuormitus, ja on verrannollinen käytettyyn jännitteeseen, vin. Tämä piiri kehittää jänniteohjatun virtalähteen. Tämän piirin käytännön puute on kuitenkin se, että kuorman vastuksen kumpaa tahansa päätä ei voida maadoittaa.
Kuva 21 - Jännite-virta-muunnin
Analysoimme tätä piiriä kirjoittamalla solmuyhtälöt seuraavasti:
(53)
Viimeinen tasa-arvo käyttää sitä v+ = v-. Näissä yhtälöissä on viisi tuntematontav+, vin, vulos, vja ikuormitus). Poistamme v+ ja vulos saada haltuunsa,
(54)
Kuormitusvirta, ikuormitus, on riippumaton kuormituksesta, Rkuormitus, ja se on vain jännitteen eron funktio, (vin - v).
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri verkossa TINACloud-piirisimulaattorilla klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
4-jännite virtamuuntajapiirin simulointiin
7.5-kääntävä vahvistin yleistetyillä impedansseilla
Kuva 22 - Yleisen impedanssin käyttö vastuksen sijasta
Yhtälön (17) suhde voidaan helposti laajentaa sisällyttämällä siihen ei-resistiiviset komponentit Rj korvataan impedanssilla, Zjja RF korvataan ilmaisulla ZF. Yksittäinen tulo, kuten kuvassa 22 (a) näkyy, lähtö laskee arvoon
(55)
Koska olemme tekemisissä taajuusalueella, käytämme jännitteitä ja virtoja varten isoja kirjaimia, mikä edustaa monimutkaiset amplitudit.
Yksi hyödyllinen piiri, joka perustuu yhtälöön (55), on Millerin integraattori, kuten kuviossa 22 (b) on esitetty. Tässä sovelluksessa takaisinkomponentti on kondensaattori, C, ja tulokomponentti on vastus, R, Niin
(56)
Yhtälössä (56) s on Laplace-muunnosoperaattori. Sinimuotoisille signaaleille, 
. Kun korvaamme nämä impedanssit yhtälöksi (55), saamme
(57)
Monimutkaisella taajuusalueella 1 / s vastaa aikatason integraatiota. Tämä on kääntyvä integraattori koska ilmaisu sisältää negatiivisen merkin. Näin ollen lähtöjännite on
(58)
jossa vulos(0) on alkutila. Arvo vulos on kehitetty kondensaattorin jännitteenä, C, Ajallaan t = 0. Kytkin on suljettu kondensaattorin lataamiseksi jännitteeseen vulos(0) ja sitten t = 0 kytkin on auki. Käytämme sähköisiä kytkimiä, joista keskustelemme tarkemmin luvussa 16. Siinä tapauksessa, että alkutila on nolla, kytkintä käytetään edelleen integraattorin nollaamiseksi lähtöjännitteeksi nollaan t = 0.
Kuva 23 - Esimerkki käänteisestä erottimesta
Jos takaisinkytkentäelementti on vastus, ja tuloelementti on kondensaattori, kuten kuviossa (23) on esitetty, tulo- ja lähtösuhde tulee
(59)
Aikatasossa tämä tulee
(60)
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri verkossa TINACloud-piirisimulaattorilla klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
5- Esimerkki käänteisestä differentiaattoripiirin simulaatiosta
Piiri toimii kääntää erottelija. Huomaa, että tulokondensaattori, Za = 1 / sC, ei tarjoa polkua dc. Tämä ei vaikuta tulokseen, koska vakion johdannainen on nolla. Yksinkertaisuuden vuoksi käytämme sinimuotoista tulosignaalia. Yhtälön (59) järjestäminen ja tämän piirin numeeristen arvojen korvaaminen saadaan
(61)
Tällä virtapiirillä syötetään sisääntulojännite (180 ° siirto) ja skaalataan ja siirretään uudelleen (90 ° j-operaattori) arvolla RCS jossa 
.
Simulaation tulokset on esitetty kuvassa (24).
Kuva 24 - Simulaatiotulokset erottimen kääntämiseksi
Tulon aaltomuodon huiput 0.5 volteilla. Lähtöjännitteellä on 90-asteiden nettomuutos (viive) ja ulostulojännite huipulla noin 0.314-volttilla. Tämä on sopusoinnussa yhtälön (61) tuloksen kanssa.
Voimme myös käyttää aaltomuotoja osoittamaan, että tämä piiri suorittaa käänteisen differentiaattorin tehtävän. Vahvistamme, että ulostulon aaltomuoto edustaa tulosignaalin kaltevuutta kertaa vakiona. Vakio on piirin jännitteenvahvistus. Suurin tulojännitteen aaltomuodon muutosnopeus tapahtuu sen nolla-risteyksessä. Tämä vastaa aikaa, joka ulostulon aaltomuodolla saavutetaan (tai minimiin). Valitsemme edustavan pisteen, sanoa time0.5 ms: ssa ja käyttämällä graafisia tekniikoita, laskemme tulojännitteen aaltomuodon kaltevuuden kuten
(62)
Tämän muutosnopeuden skaalaus
) Yhtälön (60) mukaisella piirijännitevoitolla odotamme huippulähtöjännitteen olevan
(63)
7.6-analogiset tietokoneohjelmat
Tässä osassa esitellään yhteenliitetyt op-amp-piirit, kuten kesät ja integraattorit, analogisen tietokoneen muodostamiseksi, jota käytetään erilaisten yhtälöiden ratkaisemiseen. Monet fyysiset järjestelmät kuvataan lineaarisilla differentiaaliyhtälöillä, ja järjestelmä voidaan siten analysoida analogisen tietokoneen avulla.
Kuva 25 - Analoginen tietokoneohjelma
Selvitetään nykyisen virtapiirin i (t) osalta kuvion 25 piirissä. Tulojännite on ajofunktio ja alkutilanteet ovat nolla. Kirjoitetaan piirin differentiaaliyhtälö seuraavasti:
(64)
Nyt ratkaisemme di / dt: lle
(65)
Tiedämme, että kun t> 0,
(66)
Yhtälöstä (65) nähdään, että -di / dt muodostetaan summaamalla kolme termiä, jotka löytyvät kuviosta 26 ensimmäisen integroivan vahvistimen tulossa.
Kuva 26 - Analoginen tietokoneratkaisu kuvalle 25
Nämä kolme termiä ovat seuraavat:
1. Ajamistoiminto -v (t) / L muodostetaan siirtämällä v (t) käänteisen kesän (kesän) kautta vahvistuksella, 1 / L.
2. Ri / L muodostetaan ottamalla ensimmäisen integroivan vahvistimen (integraattori 1) ulostulo ja lisäämällä se vahvistimen tuloon summaussovittimen (kesä) lähtöön.
3. Termi
(67)
on toisen integraattorin (integraattori 2) lähtö. Koska merkki on vaihdettava, summataan sen yhteenkuuluvuuden kääntyvän kesän (kesän).
Ensimmäisen integraattorin lähtö on + i, kuten yhtälöstä (66) nähdään. Eriyhtälön vakiot määritetään analogisen tietokoneen vastusten ja kondensaattoreiden asianmukaisella valinnalla. Nollan alkuolosuhteet saavutetaan kytkimillä kondensaattoreiden läpi, kuten kuviossa 22 (b) on esitetty.
7.7 ei-kääntyvä Miller-integraattori
Kuva 27 - Ei-kääntyvä integraattori
Käytämme edellisen osan riippuvan virran generaattorin modifikaatiota kehittämään ei-invertoiva integraattori. Piiri on konfiguroitu kuvan 27 mukaisesti.
Tämä on samanlainen kuin kuvion 21 piiri, mutta kuormitusresistanssi on korvattu kapasitanssilla. Nyt löydämme nykyisen Iloadin. Käänteinen jännite, V-, löytyy Vo- ja V- jännitteenjaosta seuraavasti:
(68)
Koska V + = V-, ratkaisemme ja löydämme
IL = Vin / R. Ota huomioon, että
(69)
missä s on Laplace-muunnosoperaattori. Vout / Vin-toiminto on silloin
(70)
Näin ollen meillä on aika-alueella
(71)
Piiri on siis ei-invertoiva integraattori.
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri verkossa TINACloud-piirisimulaattorilla klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
6-ei-kääntyvä integraattoripiirin simulointi
YHTEENVETO
Toimintavahvistin on erittäin hyödyllinen rakennuslohko elektronisille järjestelmille. Todellinen vahvistin toimii lähes ihanteellisena vahvistimena, jolla on erittäin suuri voitto ja lähes ääretön tuloimpedanssi. Tästä syystä voimme käsitellä sitä samalla tavalla kuin käsittelemme piirikomponentteja. Tämä tarkoittaa, että voimme sisällyttää vahvistimen käyttökelpoisiin kokoonpanoihin ennen sisäisen toiminnan ja elektronisten ominaisuuksien tutkimista. Tunnistamalla pääteominaisuudet pystymme konfiguroimaan vahvistimia ja muita hyödyllisiä piirejä.
Tämä luku alkoi ihanteellisen operatiivisen vahvistimen analysoinnista ja vastaavien piirimallien kehittämisestä riippuvaisista lähteistä. Tämän luvun alussa tutkitut riippuvaiset lähteet muodostavat vastaavien piirien rakennuspalikat monille tässä tekstissä tutkituille elektroniikkalaitteille.
Sitten tutkimme ulkoiset yhteydet, joita tarvitaan op-amp: n tekemiseen invertoivaksi vahvistimeksi, ei-invertoivaksi vahvistimeksi ja monituloiseksi vahvistimeksi. Kehitimme kätevän suunnittelutekniikan, joka poistaa tarpeen ratkaista suuria samanaikaisia yhtälöitä.
Lopuksi näimme, miten op-amp: ia voitaisiin käyttää monien monimutkaisempien piirien rakentamiseen, mukaan lukien piirit, jotka vastaavat negatiivisia impedansseja (joita voidaan käyttää positiivisten impedanssien vaikutusten peruuttamiseen), integraattoreita ja differentiaatoreita.