7. יישומים אחרים מגבר

יישומים אחרים מגבר

ראינו כי המגבר אופ יכול לשמש מגבר, או כאמצעי שילוב מספר תשומות באופן ליניארי. כעת אנו חוקרים כמה יישומים חשובים נוספים של IC זה ליניארי צדדי.

7.1 מעגל התנגדות שלילית
אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 17 מעגל התנגדות שלילית

המעגל שמוצג באיור (17) מייצר התנגדות קלט שלילית (עכבה במקרה הכללי).

ניתן להשתמש במעגל זה כדי לבטל התנגדות חיובית לא רצויה. יישומים מתנד רבים תלויים במעגל התנגדות שלילית. התנגדות הקלט, Rin, הוא היחס בין מתח הקלט לזרם.


(43)

מתח מחיצה מתח משמש כדי להפיק את הביטוי v- שכן הזרם לתוך המגבר הוא אפס.


(44)

עכשיו אנחנו נותנים v+ v v- ולפתור עבור vהַחוּצָה במונחים של vin, אשר התשואות,


(45)

מאז עכבת קלט ל v+ הטרמינל הוא אינסופי, הנוכחי ב R שווה ל iin ו ניתן למצוא כדלקמן:


(46)

התנגדות הקלט, Rin, ניתנת על ידי


(47)

משוואה (47) מראה כי המעגל של איור (17) מפתחת התנגדות שלילית. אם R מוחלפת בעכבה, Z, המעגל מפתחת עכבה שלילית.

בקשה

לנתח את המעגל הבא עם סימולטור מעגל TINACloud על ידי לחיצה על הקישור להלן.

1 - סימולציה מעגל שלילי סימולציה

7.2 מחולל הנוכחי תלוי
גנרטור תלוי-זרם מייצר זרם עומס שהוא פרופורציונלי למתח מיושם, vin, והוא עצמאי של התנגדות העומס. זה יכול להיות מתוכנן באמצעות שינוי קל של מעגל התנגדות שלילית. המעגל מוצג באיור 18 (א).

איור 18 - מחולל הנוכחי תלוי

נניח שנניח RF = RA. משוואה (47) מציינת כי התנגדות הקלט למעגל ה- op-amp (המוקף בתוך הקופסה המקווקו) היא -R. מעגל הקלט יכול להיות מפושט כפי שמוצג באיור 18 (b). אנחנו רוצים לחשב iלִטעוֹן, הנוכחי ב Rלִטעוֹן. למרות ההתנגדות שלילית, חוקי Kirchhoff נורמלי עדיין חלים שכן שום דבר בנגזרות שלהם מניח נגדים חיוביים. זרם הקלט, iin, ולאחר מכן נמצא על ידי שילוב ההתנגדויות נגד אחד, Rin.


(48)

לאחר מכן אנו מיישמים את יחס המחול הנוכחי לפיצול הנוכחי Rלִטעוֹן ו -R להשיג


(49)

לפיכך, השפעת התוספת של מעגל ה - op-amp היא להפוך את הזרם לעומס ביחס למתח הקלט. זה לא תלוי בערכו של התנגדות העומס, Rלִטעוֹן. לפיכך, הזרם אינו תלוי בשינויים בהתנגדות העומס. מעגל ה - op-amp מבטל למעשה את התנגדות העומס. מכיוון שהזרם אינו תלוי בעומס, אך תלוי רק במתח הקלט, אנו קוראים לזה a גנרטור (או ממיר מתח לזרם).

בין יישומים רבים של מעגל זה הוא dc מקור מתח מוסדר. אם נניח vin = E (קבוע), הנוכחי דרך Rלִטעוֹן הוא עצמאי ללא תלות של וריאציות של Rלִטעוֹן.

בקשה

לנתח את המעגל הבא עם סימולטור מעגל TINACloud על ידי לחיצה על הקישור להלן.

2- מחולל הנוכחי תלוי מחולל סימולציה

7.3 זרם ממיר למתח
אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 19 - זרם ממיר מתח

המעגל של איור (19) מייצרת מתח פלט שהוא פרופורציונלי זרם קלט (זה יכול גם להיות מוצג כ מגבר הפוך מאחד). אנו מנתחים את המעגל הזה תוך שימוש במאפיינים של מגברי אופציונליים. אנחנו פותרים את המתח על מסופים קלט למצוא


(50)

לפיכך, מתח המוצא, vהַחוּצָה = iinR, הוא פרופורציונלי זרם קלט, iin.

בקשה

לנתח את המעגל הבא עם סימולטור מעגל TINACloud על ידי לחיצה על הקישור להלן.

3 - זרם ממיר מתח סימולציה מעגל

7.4 ממיר מתח לזרם
אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 20 - מתח ממיר הנוכחי

המעגל של איור (20), הוא ממיר מתח ל-הנוכחי. אנו מנתחים מעגל זה כדלקמן:


(51)

משוואה (51) אנו מוצאים,


(52)

לכן, זרם העומס אינו תלוי בנגד העומס, Rלִטעוֹן, והוא יחסי למתח המופעל, vin. מעגל זה מפתח מקור זרם בשליטת מתח. עם זאת, חסרון מעשית של מעגל זה היא כי לא קצה של הנגד העומס יכול להיות מקורקע.

כחלופה, המעגל המוצג באיור (21) מספק ממיר מתח-עדכני עם קצה אחד של התנגדות העומסים מקורקעת.
אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 21 - מתח לממיר הנוכחי

אנו מנתחים את המעגל על ​​ידי כתיבת משוואות הצומת כדלקמן:


(53)

השוויון האחרון משתמש בכך v+ v v-. ישנם חמישה ידועים במשוואות אלה (v+, vin, vהַחוּצָה, v, ו iלִטעוֹן). אנחנו מסלקים v+ ו vהַחוּצָה לרכוש,


(54)

זרם העומס, iלִטעוֹן, הוא עצמאי של העומס, Rלִטעוֹן, והוא רק פונקציה של מתח ההבדל, (vin - נ ').

בקשה

לנתח את המעגל הבא עם סימולטור מעגל TINACloud על ידי לחיצה על הקישור להלן.

4 - מתח למעגל הנוכחי סימולציה מעגל

7.5 היפוך מגבר עם עכבות כללי
אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 22 - שימוש עכבה כללית במקום התנגדות

הקשר של משוואה (17) הוא המורחב בקלות לכלול רכיבים שאינם התנגדות אם Rj מוחלפת בעכבה, Zj, ו RF מוחלף על ידי ZF. עבור קלט יחיד, כפי שמוצג באיור 22 (a), הפלט מצטמצם ל


(55)

מכיוון שאנו עוסקים בתחום התדרים, אנו משתמשים באותיות רישיות עבור המתחים והזרמים, ובכך מייצגים את האותיות אמפליטודות מורכבות.

מעגל שימושי אחד המבוסס על משוואה (55) הוא מילר אינטגרטור, כפי שמוצג באיור 22 (b). ביישום זה, רכיב המשוב הוא קבל, C, ורכיב הקלט הוא נגד, R, כך


(56)

במשוואה (56) s הוא מפעיל המרה Laplace. עבור אותות סינוסואידים, . כאשר אנו מחליפים את העכבות הללו למשוואה (55), אנו מקבלים


(57)

בתחום התדרים המורכב, 1 / s מתאים לאינטגרציה בתחום הזמן. זה אינטגרציה כי הביטוי מכיל סימן שלילי. מכאן מתח המוצא הוא


(58)

איפה vהַחוּצָה(0) הוא המצב הראשוני. הערך של vהַחוּצָה הוא פיתח את המתח על פני הקבל, C, בזמן t = 0. המתג סגור כדי לטעון את הקבל למתח vהַחוּצָה(0) ולאחר מכן ב t = 0 המתג פתוח. אנו משתמשים במתגים אלקטרוניים, אשר אנו דנים באופן מלא יותר בפרק 16. במקרה שהתנאי הראשוני הוא אפס, המתג עדיין משמש לאיפוס האינטגרטור לאפס את מתח היציאה בזמן t = 0.

אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 23 - דוגמה של הפרש הפוך

אם אלמנט המשוב הוא נגד, ואלמנט הקלט הוא קבלים, כפי שמוצג באיור (23), יחסי הקלט-פלט הופכים


(59)

בתחום הזמן, זה הופך


(60)
בקשה

לנתח את המעגל הבא עם סימולטור מעגל TINACloud על ידי לחיצה על הקישור להלן.

5 - דוגמה של סימולציה מעגל

המעגל פועל כ הפוך. שים לב כי הקלט קלט, Za = 1 / sC, אינו מספק נתיב עבור dc. זה לא משפיע על התוצאה מאז הנגזרת של קבוע הוא אפס. לשם הפשטות, נשתמש בסימן קלט סינוסי. Rearranging משוואה (59) ולהחליף את הערכים המספריים עבור מעגל זה, אנו מקבלים


(61)

מתח הקלט הוא הפוך (180 ° shift) על ידי מעגל זה ולאחר מכן scaled ו זז שוב (90 ° על ידי j-וופרטור) לפי הערך של RCs איפה .

תוצאות הסימולציה מוצגות באיור (24).

איור 24 - תוצאות סימולציה עבור הפיכת differentiator

צורת הגל של הקלט מגיעה לשיא ב- 0.5 וולט. מתח המוצא כולל מעבר נטו (עיכוב) של מעלות 90 והפסגות מתח המוצא בסביבות 0.314 וולט. זה בהסכמה טובה עם תוצאה של משוואה (61).

אנו עשויים גם להשתמש גל כדי להראות כי מעגל זה מבצע את המשימה של ההפך differentiator. אנו נאשר כי צורת הגל של הפלט מייצגת את השיפוע של אות הכניסה פעמים קבועות. הקבוע הוא רווח המתח של המעגל. השיעור הגדול ביותר של השינוי של גל מתח מתח מתרחשת במעבר אפס שלה. זה מתאים עם הזמן שבו waveform פלט מגיע מקסימום (או המינימום). בחירת נקודה מייצגת, נניח ב- timeXNXx ms, ובשימוש בטכניקות גרפיות, אנו מחשבים את השיפוע של צורת הגל של מתח הקלט כ


(62)

שינוי זה בשיעור השינוי (כלומר, ) על ידי מעגל מתח חשמלי על פי משוואה (60) אנו מצפים מתח המוצא שיא להיות


(63)

7.6 יישומי מחשב אנלוגי

בחלק זה אנו מציגים את השימוש במעגלים אופייניים, כגון קיצים ואינטגרטורים, ליצירת מחשב אנלוגי המשמש לפתרון משוואות דיפרנציאליות. מערכות פיזיות רבות מתוארות על ידי משוואות דיפרנציאליות לינאריות, ולכן המערכת ניתנת לניתוח בעזרת מחשב אנלוגי.

אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 25 - יישום מחשב אנלוגי

תנו לנו לפתור עבור הנוכחי, אני (t), במעגל של איור 25. מתח הקלט הוא פונקציית הנהיגה והתנאים ההתחלתיים הם אפס. אנו כותבים את משוואת הדיפרנציאלי עבור המעגל כדלקמן:


(64)

עכשיו פתרון עבור di / dt, אנו להשיג

(65)

אנו יודעים כי עבור t> 0,

(66)

מ משוואה (65) אנו רואים כי -di / dt נוצר על ידי סיכום שלושה מונחים, אשר נמצאים על איור 26 ב קלט למגבר שילוב הראשון.

אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 26 - פתרון מחשב אנלוגי עבור איור 25

שלושת המונחים נמצאים כדלקמן:

1. הפונקציה נהיגה, -V (t) / L, נוצר על ידי עובר v (t) דרך קיץ הפוכה (קיץ) עם רווח, 1 / L.
2. רי / L נוצר על ידי לקיחת הפלט של המגבר שילוב הראשון (אינטגרטור 1) והוספת אותו על מגבר קלט את הפלט של מגבר סיכום (קיץ).
3. התנאי

(67)
הוא הפלט של האינטגרטור השני (אינטגרטור 2). מאז יש לשנות את השלט, אנו מסכמים אותו עם רווח האחדות הפוך הקיץ (קיץ).
הפלט של האינטגרטור הראשון הוא + i, כפי שנראה משוואה (66). הקבועים במשוואה הדיפרנציאלית נקבעים על ידי בחירה נכונה של הנגדים והקבלים של המחשב האנלוגי. אפס התנאים הראשוניים מתבצעים על ידי בוררים על פני קבלים, כפי שמוצג באיור 22 (ב).

7.7 ללא היפוך מילר אינטגרטור
אחרים op-amp יישומים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים

איור 27 - אינטגרטור שאינו הפוך

אנו משתמשים בשינוי של גנרטור הנוכחי תלוי של החלק הקודם לפתח אינטגרטור שאינו הפוך. המעגל מוגדר כפי שמוצג באיור 27.
זה דומה למעגל של איור 21, אבל ההתנגדות עומס הוחלף על ידי קיבול. כעת אנו מוצאים את הזרם, Iload. המתח היפוך, V-, נמצא מתח חלוקת המתח בין Vo ל- V כדלקמן:

(68)

מאז V + = V, אנו לפתור ולמצוא
IL = Vin / R. שים לב ש

(69)

שם s הוא מפעיל המרה Laplace. הפונקציה Vout / Vin היא אז

(70)

לכן, בתחום הזמן יש לנו

(71)

המעגל הוא לפיכך אינטגרטור שאינו הפוך.

בקשה

לנתח את המעגל הבא עם סימולטור מעגל TINACloud על ידי לחיצה על הקישור להלן.

6- ללא אינטגרציה אינטגרטור סימולציה מעגל

סיכום

מגבר תפעולי הוא בלוק שימושי מאוד עבור מערכות אלקטרוניות. המגבר האמיתי פועל כמעט כמגבר אידיאלי עם רווח גבוה מאוד וכמעט אינסופי קלט עכבה. מסיבה זו, אנו יכולים לטפל בו באותו אופן שבו אנו מתייחסים רכיבי המעגל. כלומר, אנחנו יכולים לשלב את המגבר לתוך תצורות שימושיות לפני לימוד הפעולה הפנימית ואת המאפיינים האלקטרוניים. על ידי זיהוי המאפיינים המסופים, אנו מסוגלים להגדיר מגברים ומעגלים שימושיים אחרים.
פרק זה החל בניתוח המגבר המבצעי האידיאלי, ועם פיתוח של מודלים מעגלים מקבילים באמצעות מקורות תלויים. המקורות התלויים שלמדנו בתחילת הפרק מהווים את אבני הבניין של מעגלים שווים עבור רבים מהמכשירים האלקטרוניים שאנו לומדים בטקסט זה.
לאחר מכן בחנו את הקשרים החיצוניים הדרושים כדי להפוך את המגבר האופטי למגבר הפוך, מגבר שאינו ממריץ, ומגבר קלט מרובה. פיתחנו טכניקת עיצוב נוחה המבטלת את הצורך בפתרון מערכות גדולות של משוואות סימולטניות.
לבסוף, ראינו כיצד ניתן להשתמש במגבר אופציה לבניית מגוון מעגלים מורכבים יותר, כולל מעגלים שווים לעכבות שליליות (אשר ניתן להשתמש בהם כדי לבטל את ההשפעות של עכבות חיוביות), אינטגרטורים והבדלים.