1. Idealne op-pojačala
STRUJA - 1. Idealna op-pojačala
PRETHODNA - Idealna operativna pojačala Uvod
Idealne op-pojačala
Ovaj odjeljak koristi a sustavi pristup predstaviti temelje Idealnih operativnih pojačala. Kao takav, smatramo op-amp kao blok s ulaznim i izlaznim terminalima. Trenutno se ne bavimo pojedinačnim elektroničkim uređajima unutar op-amp.
Op-amp je pojačalo koje često pokreću i pozitivni i negativni naponi napajanja. To omogućuje izlaznom naponu da se okrene i iznad i ispod potencijala zemlje. Op-amp pronalazi široku primjenu u mnogim linearnim elektroničkim sustavima.
Naziv operacijsko pojačalo je izveden iz jedne od izvornih upotreba op-amp krugova; za izvođenje matematičkog operacije u analognim računalima. O ovoj tradicionalnoj primjeni raspravlja se kasnije u ovom poglavlju. Rani op-ampsi su koristili jedan invertirajući ulaz. Pozitivna promjena napona na ulazu uzrokovala je negativnu promjenu na izlazu.
Stoga, da bismo razumjeli rad op-amp-a, potrebno je najprije se upoznati s konceptom kontroliranih (ovisnih) izvora jer oni čine osnovu op-amp modela.
1.1 ovisni izvori
Zavisni (ili kontrolirani) izvori proizvode napon ili struju čija je vrijednost određena naponom ili strujom koja postoji na drugom mjestu u krugu. Nasuprot tome, pasivni uređaji proizvode napon ili struju čija je vrijednost određena naponom ili strujom koja postoji na istom mjestu u krugu. I nezavisni i ovisni naponski i strujni izvori su aktivni elementi. To znači da su sposobni isporučiti struju nekom vanjskom uređaju. Pasivni elementi nisu sposobni proizvoditi energiju, iako mogu pohraniti energiju za isporuku kasnije, kao što je slučaj s kondenzatorima i induktorima.
Slika ispod ilustrira ekvivalentnu konfiguraciju sklopa pojačavajućeg uređaja koji se često koristi u analizi krugova. Krajnji desni
otpornik je opterećenje. Pronaći ćemo dobitak napona i struje ovog sustava. Dobitak napona, Av, definira se kao omjer izlaznog napona i ulaznog napona. Slično tome, trenutni dobitak, Ai je omjer izlazne struje i ulazne struje.
Slika 1- Ekvivalentni sklop čvrstog uređaja za pojačanje
Ulazna struja je:
Struja u drugom otporniku, i1, nalazi se izravno iz Ohmovog zakona:
(2)
Izlazni napon se tada daje:
(3)
U jednadžbi (3), ‖ označava paralelnu kombinaciju otpornika. Izlazna struja nalazi se izravno iz Ohmovog zakona.
(4)
Dobici napona i struje se zatim pronađu formiranjem omjera:
(5)
(6)
1.2 Operativno pojačalo ekvivalentnog kruga
Slika 2- Operacijsko pojačalo i ekvivalentni sklop
Figla 2 (A) predstavlja simbol za operativno pojačalo, a slika 2 (b) pokazuje njen ekvivalentni krug. Ulazni priključci su v+ i v-. Izlazni terminal je vvan, Priključci za napajanje su na +V, -V i terminali za uzemljenje. Priključci za napajanje su često izostavljeni iz shematskih crteža. Vrijednost izlaznog napona je ograničena +V i -V budući da su to najviše pozitivni i negativni naponi u krugu.
Model sadrži ovisni izvor napona čiji napon ovisi o razlici ulaznog napona između v+ i v-, Dva ulazna terminala poznata su kao non-invertiranje i preokretanjem respektivno. U idealnom slučaju, izlaz pojačala ne ovisi o veličini dvaju ulaznih napona, već samo o razlici između njih. Definiramo diferencijalni ulazni napon, vd, kao razlika,
(7)
Izlazni napon je proporcionalan diferencijalnom ulaznom naponu, a omjer označavamo kao dobitak otvorene petlje, G. Dakle, izlazni napon je
(8)
Kao primjer, ulaz od 
(E obično je mala amplituda) primijenjena na neinvertirajući ulaz s obrnutim pretvaračkim terminalom, proizvodi 
na izlazu. Kada se isti izvor signala primijeni na invertirajući ulaz s neuzvratnim terminalom, izlaz je 
.
Ulazna impedancija op-pojačala prikazana je kao otpor na slici 2 (b).
Izlazna impedancija je prikazana na slici kao otpor, Ro.
Idealno operativno pojačalo karakterizirano je na sljedeći način:
To su obično dobre aproksimacije parametara stvarnih op-ampera. Tipični parametri stvarnih op-ampera su:
Korištenje idealnih op-ampera za aproksimaciju stvarnih op-ampera stoga je vrijedno pojednostavljenje analize krugova.
Istražimo implikacije dobivanja beskonačnosti otvorene petlje. Ako prepišemo jednadžbu (8) 
kako slijedi:
(9)
i neka G prilazimo beskonačnosti, to vidimo
(10)
Jednadžba (10) je rezultat promatranja da izlazni napon ne može biti beskonačan. Vrijednost izlaznog napona ograničena je pozitivnim i negativnim vrijednostima napajanja. Jednadžba (10) označava da su naponi na dva terminala isti:
(11)
Prema tome, jednakost jednadžbe (11) navodi nas da postoji virtualni kratki spoj između ulaznih terminala.
Budući da je ulazni otpor idealnog op-amp beskonačan, struja u svaki ulaz, invertirajući terminal i neinvertirajući terminal, je nula.
Kada se koriste pravi op-pojačala u linearnom modu pojačanja, dobitak je vrlo velik, a jednadžba (11) je dobra aproksimacija. Međutim, nekoliko aplikacija za stvarne op-ampere koristi uređaj u nelinearnom modu. Aproksimacija jednadžbe (11) ne vrijedi za te krugove.
Iako praktični op-amperi imaju visok napon, taj dobitak varira s frekvencijom. Iz tog razloga, op-amp se obično ne koristi u obliku prikazanom na slici 2 (a). Ova konfiguracija je poznata kao otvorena petlja jer nema povratne informacije od izlaza na ulaz. Kasnije vidimo da, dok je konfiguracija otvorene petlje korisna za usporedne aplikacije, češća konfiguracija za linearne aplikacije je zatvoreni krug s povratnom vezom.
Vanjski elementi koriste se za „povratnu spregu“ dijela izlaznog signala na ulaz. Ako se elementi povratne sprege postave između izlaza i invertiranog ulaza, dobitak zatvorene petlje se smanjuje jer se dio izlaza oduzima od ulaza. Kasnije ćemo vidjeti da povratna sprega ne samo da smanjuje ukupni dobitak, već i taj dobitak čini manje osjetljivim na vrijednost G. S povratnom spregom, pojačanje zatvorene petlje više ovisi o elementima povratnog kruga, a manje o osnovnim mogućnostima. pojačalo napona pojačala, G. U stvari, pojačanje zatvorene petlje je u osnovi neovisno o vrijednosti G-to ovisi samo o vrijednostima vanjskih elemenata kruga.
Slika (3) ilustrira jednofazni negativni povratni krug op-amp.
Slika 3 - Invertirajući op-amp
Stoga ćemo ovaj sklop analizirati u sljedećem odjeljku. Za sada, imajte na umu da je jedan otpornik, RF, koristi se za povezivanje izlaznog napona, vvan na invertirajući ulaz, v-.
Još jedan otpornik, Ra spojen je s invertirajućeg ulaza, v-, do ulaznog napona, va, Treći otpornik, R nalazi se između neinvertirajućeg ulaza i mase.
Sklopovi koji koriste op-ampere, otpornike i kondenzatore mogu se konfigurirati za izvođenje mnogih korisnih operacija kao što su zbrajanje, oduzimanje, integriranje, razlikovanje, filtriranje, uspoređivanje i pojačavanje.
1.3 Metoda analize
Analiziramo sklopove koristeći dvije važne idealne op-amp svojstva:
- Napon između v+ i v- je nula, ili v+ = v-.
- Struja u oba v+ i v- terminal je nula.
Ova jednostavna zapažanja dovode do postupka za analizu bilo kojeg idealnog op-amp sklopa kako slijedi:
- Napiši jednadžbu Kirchhoffovog trenutnog zakona na neinvertirajućem terminalu, v+.
- Napiši jednadžbu Kirchhoffovog trenutnog zakona na invertirajućem terminalu, v-.
- Postaviti v+ = v- i riješiti za željene dobitke zatvorene petlje.
Primjenjujući Kirchhoffove zakone, imajte na umu da je struja u oba v+ i v- terminal je nula.