7. Aplikasi Op-amp lainnya

APLIKASI

Analisis rangkaian berikut secara online dengan simulator rangkaian TINACloud dengan mengklik tautan di bawah ini.

1- Simulasi Sirkuit Impedansi Negatif

7.2 Generator Ketergantungan-Saat Ini

Gambar 18 - Generator arus dependen

Misalkan kita membiarkan R_F = R_A. Persamaan (47) kemudian menunjukkan bahwa resistansi input ke sirkuit op-amp (terlampir dalam kotak putus-putus) adalah -R. Rangkaian input kemudian dapat disederhanakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 18 (b). Kami ingin menghitung i_memuat, arus masuk R_memuat. Meskipun resistansinya negatif, hukum Kirchhoff normal masih berlaku karena tidak ada turunannya yang mengasumsikan resistor positif. Arus masukan, i_in, kemudian ditemukan dengan menggabungkan resistensi ke dalam satu resistor, R_in.

(48)

Kami kemudian menerapkan rasio pembagi saat ini untuk pemisahan saat ini R_memuat dan -R ke memperoleh

(49)

Dengan demikian efek penambahan rangkaian op-amp adalah membuat arus dalam beban sebanding dengan tegangan input. Itu tidak tergantung pada nilai resistensi beban, R_memuat. Karena itu arus tidak tergantung pada perubahan tahanan beban. Rangkaian op-amp secara efektif membatalkan hambatan beban. Karena arus tidak tergantung pada beban tetapi hanya bergantung pada tegangan input, kami menyebutnya a generator saat ini (atau konverter tegangan ke arus).

Di antara banyak aplikasi dari rangkaian ini adalah a dc sumber tegangan yang diatur. Jika kita membiarkannya v_in = E (konstanta), arus yang melalui R_memuat konstan independen dari variasi R_memuat.

APLIKASI

Analisis rangkaian berikut secara online dengan simulator rangkaian TINACloud dengan mengklik tautan di bawah ini.

2 - Simulasi Sirkuit Generator Bergantung Saat Ini

7.3 Konverter Arus ke Tegangan

Gambar 19 - Konverter Arus-ke-Tegangan

Rangkaian Gambar (19) menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan arus masukan (ini juga dapat dilihat sebagai a penguat pembalik unity-gain). Kami menganalisis rangkaian ini dalam menggunakan properti op-amp ideal. Kami memecahkan tegangan di terminal input untuk menemukan

(50)

Oleh karena itu, tegangan output, v_{di luar} = -i_inR, sebanding dengan arus input, i_in.

APLIKASI

Analisis rangkaian berikut secara online dengan simulator rangkaian TINACloud dengan mengklik tautan di bawah ini.

3- Simulasi Sirkuit Konverter Arus ke Tegangan

7.4 Konverter Tegangan ke Arus

Gambar 20 - Konverter tegangan ke arus

Rangkaian Gambar (20), adalah konverter tegangan ke arus. Kami menganalisis rangkaian ini sebagai berikut:

(51)

Dari Persamaan (51) kami temukan,

(52)

Oleh karena itu, arus beban tidak tergantung pada resistor beban, R_memuat, dan sebanding dengan tegangan yang diberikan, v_in. Sirkuit ini mengembangkan sumber arus yang dikontrol tegangan. Namun, kelemahan praktis dari rangkaian ini adalah bahwa ujung resistor beban tidak dapat di-ground.

Gambar 21 - Konverter tegangan ke arus

Kami menganalisis rangkaian ini dengan menulis persamaan simpul sebagai berikut:

(53)

Kesetaraan terakhir menggunakan fakta itu v₊ = v_-. Ada lima yang tidak diketahui dalam persamaan ini (v₊, v_in, v_{di luar}, v, dan i_memuat). Kami menghilangkan v₊ dan v_{di luar} untuk memperoleh,

(54)

Arus beban, i_memuat, tidak tergantung pada beban, R_memuat, dan hanya fungsi dari perbedaan tegangan, (v_in - v).

APLIKASI

Analisis rangkaian berikut secara online dengan simulator rangkaian TINACloud dengan mengklik tautan di bawah ini.

4-Simulasi Tegangan ke Sirkuit Konverter Saat Ini

7.5 Pembalik Amplifier dengan Impedansi Umum

Gambar 22 - Penggunaan impedansi umum sebagai pengganti hambatan

Hubungan Persamaan (17) mudah diperluas untuk memasukkan komponen non-resistif jika R_j digantikan oleh impedansi, Z_j, dan R_F diganti oleh Z_F. Untuk input tunggal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22 (a), output berkurang menjadi

(55)

Karena kita berhadapan dalam domain frekuensi, kita menggunakan huruf besar untuk voltase dan arus, dengan demikian mewakili amplitudo kompleks.

Satu rangkaian yang berguna berdasarkan Persamaan (55) adalah Integrator Miller, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22 (b). Dalam aplikasi ini, komponen umpan balik adalah kapasitor, C, dan komponen input adalah resistor, R, sehingga

(56)

Dalam Persamaan (56), s  adalah operator Transformasi Laplace. Untuk sinyal sinusoidal,  . Ketika kami mengganti impedansi ini menjadi Persamaan (55), kami memperoleh

(57)

Dalam domain frekuensi yang kompleks, 1 / s sesuai dengan integrasi dalam domain waktu. Ini adalah sebuah integrator pembalik karena ekspresi mengandung tanda negatif. Oleh karena itu tegangan keluarannya

(58)

dimana v_{di luar}(0) adalah kondisi awal. Nilai dari v_{di luar} dikembangkan sebagai tegangan melintasi kapasitor, C, pada waktu t = 0. Saklar ditutup untuk mengisi kapasitor ke tegangan v_{di luar}(0) lalu pada t = 0 sakelar terbuka. Kami menggunakan sakelar elektronik, yang kami diskusikan lebih lengkap di Bab 16. Jika kondisi awal adalah nol, sakelar masih digunakan untuk mengatur ulang integrator ke tegangan keluaran nol saat itu t = 0.

Gambar 23 - Contoh diferensiator pembalik

Jika elemen umpan balik adalah resistor, dan elemen input adalah kapasitor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (23), hubungan input-output menjadi

(59)

Dalam domain waktu, ini menjadi

(60)
APLIKASI

Analisis rangkaian berikut secara online dengan simulator rangkaian TINACloud dengan mengklik tautan di bawah ini.

5- Contoh Simulasi Sirkuit pembeda pembalik

Rangkaian ini beroperasi sebagai pembalik pembalik. Perhatikan bahwa kapasitor input, Z_a = 1 / sC, tidak menyediakan jalur untuk dc. Ini tidak mempengaruhi hasil karena turunan dari konstanta adalah nol. Untuk mempermudah, mari gunakan sinyal input sinusoidal. Menyusun ulang Persamaan (59) dan mensubstitusi nilai numerik untuk sirkuit ini, kami dapatkan

(61)

Tegangan input dibalik (180 ° shift) oleh sirkuit ini dan kemudian diskalakan dan digeser lagi (90 ° oleh j-operator) dengan nilai RC dimana .

Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar (24).

Gambar 24 - Hasil simulasi untuk membalik pembeda

Bentuk gelombang input memuncak pada 0.5 volt. Tegangan output memiliki pergeseran net (delay) derajat 90 dan tegangan output mencapai sekitar 0.314 volt. Ini sesuai dengan hasil Persamaan (61).

Kami juga dapat menggunakan bentuk gelombang untuk menunjukkan bahwa rangkaian ini melakukan tugas pembeda pembalik. Kami akan mengkonfirmasi bahwa bentuk gelombang output mewakili kemiringan sinyal input dikalikan dengan konstanta. Konstanta adalah gain tegangan dari rangkaian. Laju perubahan terbesar dari gelombang tegangan input terjadi pada zero-crossing. Ini sesuai dengan waktu ketika gelombang output mencapai maksimum (atau minimum). Memilih titik yang representatif, katakan pada time0.5 ms, dan menggunakan teknik grafis, kami menghitung kemiringan bentuk gelombang tegangan input sebagai

(62)

Menskalakan tingkat perubahan ini (yaitu, ) oleh gain tegangan rangkaian menurut Persamaan (60) kita mengharapkan tegangan output puncak menjadi

(63)

Aplikasi Komputer Analog 7.6

Pada bagian ini kami menyajikan penggunaan sirkuit op-amp yang saling berhubungan, seperti musim panas dan integrator, untuk membentuk komputer analog yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial. Banyak sistem fisik dijelaskan oleh persamaan diferensial linier, dan oleh karena itu sistem dapat dianalisis dengan bantuan komputer analog.

Gambar 25 - Aplikasi komputer analog

Mari kita selesaikan untuk arus, i (t), di sirkuit Gambar 25. Tegangan input adalah fungsi penggerak dan kondisi awalnya nol. Kami menulis persamaan diferensial untuk rangkaian sebagai berikut:

(64)

Sekarang pemecahan untuk di / dt, kita dapatkan

(65)

Kita tahu bahwa untuk t> 0,

(66)

Dari Persamaan (65) kita melihat bahwa -di / dt dibentuk dengan menjumlahkan tiga istilah, yang ditemukan pada Gambar 26 pada input ke amplifier terintegrasi pertama.

Gambar 26 - Solusi komputer analog untuk Gambar 25

Tiga istilah ditemukan sebagai berikut:

1. Fungsi mengemudi, -v (t) / L, dibentuk dengan melewatkan v (t) melalui musim panas pembalik (Musim Panas) dengan penguatan, 1 / L.
2. Ri / L dibentuk dengan mengambil output dari penguat integrasi pertama (Integrator 1) dan menambahkannya pada input penguat ke output penguat penjumlahan (Musim Panas).
3. Syarat

(67)
adalah output integrator kedua (Integrator 2). Karena tanda itu harus diubah, kami menjumlahkannya dengan unity gain inverting summer (Summer).
Output integrator pertama adalah + i, seperti yang terlihat dari Persamaan (66). Konstanta dalam persamaan diferensial ditetapkan oleh pemilihan resistor dan kapasitor komputer analog yang tepat. Nol kondisi awal dicapai oleh sakelar di kapasitor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22 (b).

7.7 Integrator Penggiling Tanpa Pembalik

Gambar 27 - Integrator non-pembalik

Kami menggunakan modifikasi generator arus dependen pada bagian sebelumnya untuk mengembangkan integrator non-pembalik. Rangkaian dikonfigurasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 27.
Ini mirip dengan rangkaian Gambar 21, tetapi resistansi beban telah digantikan oleh kapasitansi. Kami sekarang menemukan arus, muatan. Tegangan pembalik, V-, ditemukan dari pembagian tegangan antara Vo dan V- sebagai berikut:

(68)

Karena V + = V-, kami memecahkan dan menemukan
IL = Vin / R. Catat itu

(69)

dimana s adalah operator transformasi Laplace. Fungsi Vout / Vin adalah

(70)

Jadi, dalam domain waktu yang kita miliki

(71)

Sirkuit ini adalah integrator non-pembalik.

APLIKASI

Analisis rangkaian berikut secara online dengan simulator rangkaian TINACloud dengan mengklik tautan di bawah ini.

Simulasi Sirkuit integrator 6-Non-pembalik

RINGKASAN

Penguat operasional adalah blok bangunan yang sangat berguna untuk sistem elektronik. Penguat nyata beroperasi hampir sebagai penguat ideal dengan gain sangat tinggi dan impedansi input hampir tak terbatas. Untuk alasan ini, kita dapat memperlakukannya dengan cara yang sama seperti kita memperlakukan komponen rangkaian. Artinya, kami dapat memasukkan amplifier ke dalam konfigurasi yang berguna sebelum mempelajari operasi internal dan karakteristik elektronik. Dengan mengenali karakteristik terminal, kami dapat mengonfigurasi amplifier dan sirkuit bermanfaat lainnya.
Bab ini dimulai dengan analisis penguat operasional yang ideal, dan dengan pengembangan model rangkaian setara menggunakan sumber dependen. Sumber-sumber dependen yang kita pelajari di awal bab ini membentuk blok-blok pembangun rangkaian ekivalen untuk banyak perangkat elektronik yang kita pelajari dalam teks ini.
Kami kemudian mengeksplorasi koneksi eksternal yang diperlukan untuk membuat op-amp menjadi penguat pembalik, penguat non-pembalik, dan penguat input berganda. Kami mengembangkan teknik desain yang nyaman yang menghilangkan kebutuhan untuk memecahkan sistem besar persamaan simultan.
Akhirnya, kami melihat bagaimana op-amp dapat digunakan untuk membangun berbagai sirkuit yang lebih kompleks, termasuk sirkuit yang setara dengan impedansi negatif (yang dapat digunakan untuk membatalkan efek impedansi positif), integrator dan pembeda.

SEBELUMNYA- 6. DESAIN RANGKAIAN OP-AMP

NEXT- 1. Op-amp yang ideal