1. Ideális op-erősítők

Ideális op-erősítők

Ez a rész a rendszerek megközelítés az ideális operációs erősítők alapjainak bemutatására. Mint ilyen, az op-amp-ot bemeneti és kimeneti terminálokkal rendelkező blokknak tekintjük. Jelenleg nem foglalkozunk az egyes elektronikus eszközökkel az op-amp.

Az op-amp egy erősítő, amelyet gyakran pozitív és negatív tápfeszültségek táplálnak. Ez lehetővé teszi, hogy a kimeneti feszültség a talajpotenciál felett és alatt is elforduljon. Az op-amp széles alkalmazást számos lineáris elektronikus rendszerben találja.

A név műveleti erősítő az op-amp áramkörök egyik eredeti használatából származik; matematikai feladatok elvégzése művelet analóg számítógépeken. Ezt a hagyományos alkalmazást a fejezet később tárgyalja. A korai opperek egyetlen invertáló bemenetet használtak. A bemeneti pozitív feszültségváltozás negatív változást eredményezett a kimeneten.

Ezért az op-amp működésének megértéséhez először meg kell ismerkedni a szabályozott (függő) források koncepciójával, mivel ezek az op-amp modell alapját képezik.

1.1 függő források

A függő (vagy szabályozott) források olyan feszültséget vagy áramot hoznak létre, amelynek értékét az áramkör egy másik helyén lévő feszültség vagy áram határozza meg. Ezzel szemben a passzív eszközök olyan feszültséget vagy áramot hoznak létre, amelynek értékét az áramkörben ugyanazon a helyen lévő feszültség vagy áram határozza meg. Mind a független, mind a függő feszültség és áramforrások aktív elemek. Ez azt jelenti, hogy képesek külső tápellátásra. A passzív elemek nem képesek áramot generálni, bár később a későbbiekben tárolhatják az energiát, mint a kondenzátorok és az induktorok esetében.

Az alábbi ábra az erősítőberendezés egyenértékű áramköri konfigurációját szemlélteti, amelyet gyakran használnak az áramkör elemzésében. A jobb oldalonellenállás a terhelés. Meg fogja találni ennek a rendszernek a feszültségét és áramerősségét. A feszültségnövekedést, az Av a kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség aránya. Hasonlóképpen, az aktuális erősítés, Ai a kimenő áram és a bemeneti áram aránya.

Ideális op-erősítők

1 ábra - Egy szilárdtesterősítő eszköz egyenértékű áramköre

A bemeneti áramerősség:

A második ellenállás áramát, i1, közvetlenül Ohm törvényéből származik:

(2)

A kimeneti feszültséget ezután adja meg:

(3)

Az (3) egyenletben az ellenállások párhuzamos kombinációját jelzi. A kimeneti áram közvetlenül Ohm törvényéből származik.

(4)

A feszültséget és az áramerősséget ezután az arányok megadásával találjuk meg:

(5)

(6)

 1.2 Működési erősítő egyenértékű áramkör
Ideális op-erősítők

2 ábra - Műveleti erősítő és azzal egyenértékű áramkör

Figure 2 (1) az operációs erősítő szimbólumát mutatja, és az 2 (b) ábra az egyenértékű áramkört mutatja. A bemeneti terminálok v+ és a v-. A kimeneti terminál vki. A tápegység csatlakozások a +V, -V és földi csatlakozók. A tápegység-csatlakozások gyakran vannak sematikus rajzokból. A kimeneti feszültség értékét korlátozza +V és a -V mivel ezek az áramkör leginkább pozitív és negatív feszültségei.

A modell egy függő feszültségforrást tartalmaz, amelynek feszültsége a bemeneti feszültségkülönbségtől függ v+ és a v-. A két bemeneti sorkapocs az úgynevezett invertáló és a megfordításával bemenetek. Ideális esetben az erősítő kimenete nem függ a két bemeneti feszültség nagyságától, hanem csak a különbségtől. Meghatározzuk a differenciál bemeneti feszültség, vd, mint a különbség,

(7)

A kimeneti feszültség arányos a differenciális bemeneti feszültséggel, és az arányt nyílt hurkú erősítésnek nevezzük.

(8)

Például a  (E általában egy kis amplitúdó), amelyet az inverz terminál földelt, előállítható és nem invertáló bemenetére alkalmaznak  A kimeneten. Ha ugyanaz a forrásjel a invertáló bemenetre kerül a nem invertáló terminál földelésére, akkor a kimenet .

Az op-amp bemeneti impedanciája az 2 (b) ábrán látható ellenállásként jelenik meg.
A kimeneti impedanciát az ábrán ellenállásként ábrázoljuk, Ro.

Az ideális működési erősítőt az alábbiak jellemzik:

Ezek általában jó közelítés a valós op-erősítők paramétereihez. A valós op-erősítők tipikus paraméterei:

Az ideális op-amperek használata a valós op-amperek közelítésére ezért értékes egyszerűsítés az áramkör elemzéséhez.
Vizsgáljuk meg a nyílt hurkú nyereség végtelenségét. Ha átírjuk az (8) egyenletet
az alábbiak szerint: 

(9)

és hagyd G megközelítjük a végtelenséget, ezt látjuk

(10)

Az (10) egyenlet eredményeként megfigyelhető, hogy a kimeneti feszültség nem lehet végtelen. A kimeneti feszültség értékét a pozitív és negatív tápegység értékei határolják. Az (10) egyenlet azt jelzi, hogy a két terminál feszültsége azonos:

(11)

Ezért az Equation (11) egyenlősége azt jelenti, hogy van egy virtuális rövidzárlat a bemeneti terminálok között.

Mivel az ideális op-amp bemeneti ellenállása végtelen, az egyes bemenetekbe, az inverz terminálba és a nem invertáló terminálba tartozó áram nulla.
Ha a valós op-ampereket lineáris erősítő módban használják, az erősítés nagyon nagy, és az egyenlet (11) jó közelítés. Azonban a valós op-amperek több alkalmazása nemlineáris módban használja az eszközt. Az egyenlet (11) közelítése ezekre az áramkörökre nem érvényes. 

Bár a gyakorlati opciók nagyfeszültségű erősítéssel rendelkeznek, ez az erősség frekvenciánként változik. Emiatt egy op-amp-t általában nem használnak az 2 (a) ábrán látható formában. Ezt a konfigurációt nyitott huroknak nevezzük, mert nincs kimenet visszajelzése a bemenetre. Később azt látjuk, hogy míg a nyílt hurkú konfiguráció hasznos a komparátor alkalmazásokhoz, a lineáris alkalmazások közös konfigurációja a visszacsatolt zárt hurkú áramkör.

Külső elemeket használnak a kimeneti jel egy részének „visszacsatolására” a bemenetre. Ha a visszacsatoló elemeket a kimenet és az invertáló bemenet közé helyezzük, akkor a zárt hurkú erősítés csökken, mivel a kimenet egy része kivonódik a bemenetből. Később látni fogjuk, hogy a visszacsatolás nemcsak csökkenti a teljes nyereséget, hanem azt is, hogy ez az erősítés kevésbé érzékeny a G. értékére. Visszacsatolással a zárt hurkú erősítés jobban függ a visszacsatoló áramkör elemeitől, és kevésbé az alap opciótól. erősítőfeszültség-erősítés, G. Valójában a zárt hurkú erősítés lényegében független a G értékétől - csak a külső áramköri elemek értékeitől függ. 

Az 3 ábra az egylépéses negatív visszacsatolás op-amp áramkört mutatja be.
Ideális op-erősítők

3 ábra - Az inverz op-amp

Ezért elemezzük ezt az áramkört a következő részben. Most jegyezzük meg, hogy egyetlen ellenállás, RF, a kimeneti feszültség csatlakoztatására szolgál, vki az inverz bemenetre, v-.  

Egy másik ellenállás, Ra az inverz bemenetből csatlakozik, v-, a bemeneti feszültségre, va. Harmadik ellenállás, R a nem invertáló bemenet és a föld között van elhelyezve.
Az op-ampereket, ellenállásokat és kondenzátorokat használó áramkörök úgy konfigurálhatók, hogy számos hasznos műveletet hajtsanak végre, mint például összegzés, kivonás, integrálás, differenciálás, szűrés, összehasonlítás és erősítés.

1.3 Elemzési módszer

Elemezzük az áramköröket a két fontos, optimális tulajdonsággal:

  • A feszültség között v+ és a v- nulla, vagy v+ = v-.
  • Az áram mind a v+ és a v- a terminál nulla.

Ezek az egyszerű megfigyelések az ideális op-áramkör elemzéséhez vezetnek az alábbiak szerint:

  • Írja be a Kirchhoff aktuális jogcsomópont egyenletét a nem invertáló terminálon, v+.
  • Írja be a Kirchhoff aktuális jogcsomópont egyenletét az inverz terminálon, v-.
  • Válassza ki a v+ = v- és oldja meg a kívánt zárt hurkú nyereségeket.

Kirchhoff törvényeinek alkalmazásakor ne feledje, hogy az áram mindkét v+ és a v- a terminál nulla.