1. Ideelle op-ampere
AKTUELT - 1. Ideelle op-forsterkere
TIDLIGERE - Ideelle operasjonsforsterkere Introduksjon
Ideelle op-ampere
Denne delen bruker en systemer tilnærming til å presentere grunnleggende for ideelle operasjonsforsterkere. Som sådan ser vi op-amp som en blokk med inngangs- og utgangsterminaler. Vi er foreløpig ikke opptatt av de enkelte elektroniske enhetene i opp-amp.
En forsterker er en forsterker som ofte drives av både positive og negative forsyningsspenninger. Dette gjør at utgangsspenningen kan svinge både over og under jordpotensialet. Op-ampen finner bred applikasjon i mange lineære elektroniske systemer.
Navnet operasjonsforsterker er avledet fra en av de opprinnelige bruken av op-amp kretser; å utføre matematisk operasjoner i analoge datamaskiner. Denne tradisjonelle søknaden diskuteres senere i dette kapitlet. Tidlige op-ampere brukte en enkelt inverterende inngang. En positiv spenningsendring ved inngangen forårsaket en negativ endring på utgangen.
Derfor, for å forstå operasjonen til op amp, er det nødvendig å først bli kjent med begrepet kontrollerte (avhengige) kilder siden de danner grunnlaget for op amp-modellen.
1.1 Avhengige Kilder
Avhengige (eller kontrollerte) kilder produserer en spenning eller strøm hvis verdi bestemmes av en spenning eller strøm som finnes på et annet sted i kretsen. Tilsvarende produserer passive enheter en spenning eller strøm hvis verdi bestemmes av en spenning eller strøm som eksisterer på samme sted i kretsen. Både uavhengige og avhengige spennings- og strømkilder er aktive elementer. Det vil si at de er i stand til å levere strøm til en ekstern enhet. Passive elementer kan ikke generere strøm, selv om de kan lagre energi til levering på et senere tidspunkt, som det er tilfelle med kondensatorer og induktorer.
Figuren nedenfor illustrerer en ekvivalent kretskonfigurasjon av en forsterkningsanordning som ofte brukes i kretsanalyse. Høyst
motstanden er lasten. Vi finner spenningen og nåværende gevinst på dette systemet. Spenningsforsterkning, Av er definert som forholdet mellom utgangsspenning og inngangsspenning. På samme måte er nåværende gevinst, Ai forholdet mellom utgangsstrøm og inngangsstrøm.
Figur 1-ekvivalent krets av en solid-state forsterker
Inngangsstrømmen er:
Strømmen i den andre motstanden, i1, er funnet direkte fra Ohms lov:
(2)
Utgangsspenningen er da gitt av:
(3)
I ligning (3) ‖ indikerer en parallell kombinasjon av motstander. Utgangsstrømmen er funnet direkte fra Ohms lov.
(4)
Spenningen og nåværende gevinster blir da funnet ved å danne forholdene:
(5)
(6)
1.2 Operativ forsterker ekvivalent krets
Figur 2- Operasjonsforsterker og ekvivalent krets
Figure 2 (A) presenterer symbolet for operasjonsforsterkeren, og figur 2 (b) viser sin ekvivalente krets. Inngangsterminalene er v+ og v-. Utgangsterminalen er vut. Strømforsyningsforbindelsene er på +V, -V og bakken terminaler. Strømforsyningsforbindelsene er ofte utelatt fra skjematiske tegninger. Verdien av utgangsspenningen er avgrenset av +V og -V siden disse er de mest positive og negative spenningene i kretsen.
Modellen inneholder en avhengig spenningskilde hvis spenning avhenger av inngangsspenningsforskjellen mellom v+ og v-. De to inngangsterminalene er kjent som ikke-inverterende og invertere innganger henholdsvis. Ideelt sett er forsterkerens utgang ikke avhengig av størrelsen på de to inngangsspenningene, men bare på forskjellen mellom dem. Vi definerer differensiell inngangsspenning, vd, som forskjellen,
(7)
Utgangsspenningen er proporsjonal med differensial inngangsspenningen, og vi betegner forholdet som open-loop gain, G. Således er utgangsspenningen
(8)
Som et eksempel, en inngang på 
(E er vanligvis en liten amplitude) påført den ikke-inverterende inngangen med den inverterende terminal jordet, produserer 
på utgangen. Når det samme kildesignalet påføres på inverteringsinngangen med ikke-inverterende terminalen jordet, er utgangen 
.
Inngangsimpedansen til op-amp er vist som en motstand i figur 2 (b).
Utgangsimpedansen er representert i figuren som en motstand, Ro.
En ideell operasjonsforsterker er karakterisert som følger:
Disse er vanligvis gode tilnærminger til parametrene til ekte forsterkere. Typiske parametere for ekte forsterkere er:
Ved hjelp av ideelle op-ampere til omtrentlige ekte op ampere er det derfor en verdifull forenkling for kretsanalyse.
La oss undersøke implikasjonen av åpen-loop gevinst som uendelig. Hvis vi skriver om likning (8) 
som følger:
(9)
og la G nærme uendelig, ser vi det
(10)
Likning (10) resultater ved å observere at utgangsspenningen ikke kan være uendelig. Verdien av utgangsspenningen begrenses av de positive og negative strømforsyningsverdiene. Ligning (10) indikerer at spenningene på de to terminaler er de samme:
(11)
Derfor ligner likestilling Equation (11) oss å si at det er en virtuell kortslutning mellom inngangsterminaler.
Siden inngangsmotstanden til den ideelle op-ampen er uendelig, er strømmen til hver inngang, inverterende terminal og ikke-inverterende terminal, null.
Når ekte forsterkere brukes i en lineær forsterkningsmodus, er gevinsten svært stor, og likning (11) er en god tilnærming. Imidlertid bruker flere programmer for ekte forsterkere enheten i en ikke-lineær modus. Tilnærmingen til ligning (11) er ikke gyldig for disse kretsene.
Selv om praktiske op-ampere har høy spenningsøkning, varierer denne gevinsten med frekvens. Av denne grunn blir en op-amp normalt ikke brukt i skjemaet vist i figur 2 (a). Denne konfigurasjonen kalles åpen sløyfe fordi det ikke er tilbakemelding fra utgang til inngang. Vi ser senere at mens åpen-loop-konfigurasjonen er nyttig for komparatorapplikasjoner, er den mer vanlige konfigurasjonen for lineære applikasjoner lukket krets med tilbakemelding.
Eksterne elementer brukes til å "tilbakemelde" en del av utgangssignalet til inngangen. Hvis tilbakemeldingselementene plasseres mellom utgangen og den inverterende inngangen, reduseres forsterkningen med lukket sløyfe siden en del av utgangen trekker fra inngangen. Vi vil se senere at tilbakemelding ikke bare reduserer den totale forsterkningen, men det gjør også at gevinsten blir mindre følsom for verdien av G. Med tilbakemelding avhenger lukket sløyfeforsterkning mer av tilbakemeldingskretselementene og mindre av den grunnleggende amp spenningsforsterkning, G. Faktisk er lukket sløyfeforsterkning i det vesentlige uavhengig av verdien av G-det avhenger bare av verdiene til de eksterne kretselementene.
Figur (3) illustrerer en oppladnings-krets med en trinns negativ tilbakemelding.
Figur 3- Den inverterende op-amp
Derfor vil vi analysere denne kretsen i neste avsnitt. For nå, merk at en enkelt motstand, RF, brukes til å koble utspenningen, vut til inverteringsinngangen, v-.
En annen motstand, Ra er koblet fra inverteringsinngangen, v-, til inngangsspenningen, va. En tredje motstand, R er plassert mellom den ikke-inverterende inngangen og bakken.
Kretser som bruker op-ampere, motstander og kondensatorer kan konfigureres til å utføre mange nyttige operasjoner som summering, subtrahering, integrering, differensiering, filtrering, sammenligning og forsterkning.
1.3 Analysemetode
Vi analyserer kretser ved hjelp av de to viktige ideelle opp-amp-egenskapene:
- Spenningen mellom v+ og v- er null eller v+ = v-.
- Nåværende inn i begge v+ og v- terminal er null.
Disse enkle observasjonene fører til en prosedyre for å analysere en hvilken som helst ideell OP-amp-krets som følger:
- Skriv Kirchhoffs nåværende lovnode likning på den ikke-inverterende terminalen, v+.
- Skriv Kirchhoffs nåværende lovnoteekvasjon ved inverterterminalen, v-.
- Sett v+ = v- og løse for ønsket lukkede løpevinster.
Når du bruker Kirchhoffs lover, husk at strømmen i begge v+ og v- terminal er null.