7. Andre OP-amp-programmer

SØKNAD

Analyser følgende krets online med TINACloud-kretssimulatoren ved å klikke på linken nedenfor.

1-Negativ Impedans Circuit Simulation

7.2 Avhengige Strøm Generator

Figur 18 - Avhengig strømgenerator

Anta at vi lar R_F = R_A. Ligning (47) indikerer da at inngangsbestandigheten til op-amp-kretsen (vedlagt i den stiplede boksen) er -R. Inngangskretsen kan da forenkles som vist i figur 18 (b). Vi ønsker å beregne i_laste, gjeldende i R_laste. Selv om motstanden er negativ, gjelder fortsatt de normale Kirchhoffs lovene, siden ingenting i deres avledninger forutsetter positive motstander. Inngangsstrømmen, i_in, blir da funnet ved å kombinere motstandene i en enkelt motstand, R_in.

(48)

Vi bruker deretter et gjeldende divideringsforhold til gjeldende splitt mellom R_laste og -R til få

(49)

Dermed er effekten av tilsetningen av op-amp-kretsen å gjøre strømmen i lasten proporsjonal med inngangsspenningen. Det er ikke avhengig av verdien av lastmotstanden, R_laste. Strømmen er derfor uavhengig av endringer i lastmotstanden. Op-amp-kretsen avbryter effektivt lastmotstanden. Siden strømmen er uavhengig av belastningen, men bare avhenger av inngangsspenningen, kaller vi dette a nåværende generator (eller spenning til omformer).

Blant de mange bruksområdene i denne kretsen er en dc regulert spenningskilde. Hvis vi lar v_in = E (en konstant), gjeldende gjennom R_laste er konstant uavhengig av variasjoner av R_laste.

SØKNAD

Analyser følgende krets online med TINACloud-kretssimulatoren ved å klikke på linken nedenfor.

2-avhengig gjeldende generatorsirkulasjonssimulering

7.3 Current-to-Voltage Converter

Figur 19 - Strøm-til-spenningsomformer

Kretsen i figur (19) produserer en utgangsspenning som er proporsjonal med inngangsstrømmen (dette kan også sees på som en enhetsforsterkende inverterende forsterker). Vi analyserer denne kretsen ved å bruke egenskapene til ideelle op-forsterkere. Vi løser spenningene ved inngangsterminalene for å finne

(50)

Derfor er utgangsspenningen, v_ut = -i_inR, er proporsjonal med inngangsstrømmen, i_in.

SØKNAD

Analyser følgende krets online med TINACloud-kretssimulatoren ved å klikke på linken nedenfor.

3-Strøm til spenningsomformere Circuit Simulation

7.4 Spenning-til-Strøm-omformer

Figur 20 - Spenning til nåværende omformer

Kretsen i figur (20), er en spenning-til-strøm-omformer. Vi analyserer denne kretsen som følger:

(51)

Fra likning (51) finner vi,

(52)

Derfor er laststrømmen uavhengig av lastmotstanden, R_laste, og er proporsjonal med den påførte spenningen, v_in. Denne kretsen utvikler en spenningsstyrt strømkilde. En praktisk mangel på denne kretsen er imidlertid at ingen ende av lastmotstanden kan jordes.

Figur 21 - Spenning-til-strøm-omformer

Vi analyserer denne kretsen ved å skrive node-ligninger som følger:

(53)

Den siste likestilling bruker det faktum at v₊ = v_-. Det er fem ukjente i disse ligningene (v₊, v_in, v_ut, vog i_laste). Vi eliminerer v₊ og v_ut for å oppnå,

(54)

Laststrømmen, i_laste, er uavhengig av lasten, R_laste, og er bare en funksjon av spenningsforskjellen, (v_in - v).

SØKNAD

Analyser følgende krets online med TINACloud-kretssimulatoren ved å klikke på linken nedenfor.

4-spenning til Current Converter Circuit Simulation

7.5 inverterende forsterker med generell impedans

Figur 22 - Bruk av generalisert impedans i stedet for motstand

Forholdet til ligning (17) kan enkelt utvides til å omfatte ikke-resistive komponenter hvis R_j er erstattet av en impedans, Z_jog R_F er erstattet av Z_F. For en enkelt inngang, som vist i Figur 22 (a), reduseres produksjonen til

(55)

Siden vi arbeider i frekvensdomene, bruker vi store bokstaver for spenninger og strømmer, og representerer dermed komplekse amplituder.

En nyttig krets basert på Equation (55) er Miller integrator, som vist i figur 22 (b). I denne applikasjonen er tilbakemeldingskomponenten en kondensator, C, og inngangskomponenten er en motstand, R, så

(56)

I ligning (56) s  er Laplace transform-operatøren. For sinusformede signaler,  . Når vi erstatter disse impedansene i Equation (55), oppnår vi

(57)

I det komplekse frekvensdomenet, 1 / s tilsvarer integrasjon i tidsdomene. Dette er en inverterende integrator fordi uttrykket inneholder et negativt tegn. Derfor er utgangsspenningen

(58)

hvor v_ut(0) er den opprinnelige tilstanden. Verdien av v_ut er utviklet som spenningen over kondensatoren, C, på tidspunktet t = 0. Bryteren er lukket for å lade kondensatoren til spenningen v_ut(0) og deretter på t = 0 bryteren er åpen. Vi bruker elektroniske brytere, som vi drøfter nærmere i kapittel 16. I tilfelle at den innledende tilstanden er null, er bryteren fortsatt brukt til å nullstille integratoren til null utgangsspenning til tiden t = 0.

Figur 23 - Eksempel på en inverterende differensiator

Hvis tilbakekoblingselementet er en motstand, og inngangselementet er en kondensator, som vist i figur (23), blir inngangs-utgangsforholdet

(59)

I tidsdomene blir dette

(60)
SØKNAD

Analyser følgende krets online med TINACloud-kretssimulatoren ved å klikke på linken nedenfor.

5-Eksempel på en inverterende differensiatorsirkulasjonssimulering

Kretsen fungerer som en inverterende differensiator. Merk at inngangskondensatoren, Z_a = 1 / sC, gir ikke en vei for dc. Dette påvirker ikke resultatet fordi derivatet av en konstant er null. For enkelhet, la oss bruke et sinusformet inngangssignal. Omarrangere ligning (59) og erstatte tallverdiene for denne kretsen, oppnår vi

(61)

Inngangsspenningen er omvendt (180 ° shift) ved denne kretsen og deretter skalert og forskyves igjen (90 ° ved joperatør) med verdien av RCS hvor .

Resultatene av simuleringen er vist i Figur (24).

Figur 24 - Simuleringsresultater for inverterende differensier

Inngangsbølgeformen toppes ved 0.5 volt. Utgangsspenningen har en netteskift (forsinkelse) på 90 grader og utgangsspenningen toppes ved omtrent 0.314 volt. Dette er i god avtale med resultatet av Equation (61).

Vi kan også bruke bølgeformene til å vise at denne kretsen utfører oppgaven til en inverterende differensier. Vi vil bekrefte at utgangsbølgeformen representerer hellingen til inngangssignalet ganger en konstant. Konstanten er spenningsforsterkningen av kretsen. Den største endringshastigheten for inngangsspenningsbølgeformen skjer ved nullkryssing. Dette tilsvarer tiden når utgangsbølgeformen når sitt maksimum (eller minimum). Plukker et representativt punkt, si ved time0.5 ms, og ved hjelp av grafiske teknikker beregner vi hellingen til inngangsspenningsbølgeformen som

(62)

Skalering denne endringen (dvs. ) ved kretsspenningsøkningen i henhold til ligning (60) forventer vi at toppspenningen skal være

(63)

7.6 Analog Computer Applications

I denne delen presenterer vi bruk av sammenkoblede op-amp kretser, som somre og integratorer, for å danne en analog datamaskin som brukes til å løse differensialligninger. Mange fysiske systemer er beskrevet ved lineære differensialligninger, og systemet kan derfor analyseres ved hjelp av en analog datamaskin.

Figur 25 - Analog dataprogram

La oss løse for dagens, jeg (t), i kretsen i Figur 25. Inngangsspenningen er kjørefunksjonen og de innledende forholdene er null. Vi skriver differensialligningen for kretsen som følger:

(64)

Nå løser vi for di / dt, får vi

(65)

Vi vet at for t> 0,

(66)

Fra ekvation (65) ser vi at -di / dt dannes ved å summere tre termer, som er funnet på figur 26 ved inngangen til den første integrerende forsterkeren.

Figur 26 - Analog datamaskinløsning for Figur 25

De tre begrepene er funnet som følger:

1. Drivfunksjonen, -v (t) / L, dannes ved å passere v (t) gjennom en omvendt sommer (Sommer) med gevinst, 1 / L.
2. Ri / L dannes ved å ta utgangen fra den første integrerende forsterkeren (Integrator 1) og legge den på forsterkerinngangen til utgangen av summeringsforsterkeren (sommeren).
3. Begrepet

(67)
er utgangen av den andre integratoren (Integrator 2). Siden tegnet må endres, summerer vi det med enhetsvinsten omvendt sommer (sommer).
Utgangen fra den første integratoren er + i, sett fra ligning (66). Konstantene i differensialligningen er etablert ved riktig valg av motstandene og kondensatorene til den analoge datamaskinen. Null innledende forhold oppnås ved brytere over kondensatorene, som vist i figur 22 (b).

7.7 ikke-inverterende Miller Integrator

Figur 27 - Ikke-inverterende integrator

Vi bruker en modifisering av den avhengige strømgeneratoren fra forrige seksjon for å utvikle en ikke-inverterende integrator. Kretsen er konfigurert som vist i Figur 27.
Dette ligner kretsen i figur 21, men lastmotstanden er erstattet av en kapasitans. Vi finner nå gjeldende, Iload. Inverteringsspenningen, V-, er funnet fra spenningsdivisjonen mellom Vo og V- som følger:

(68)

Siden V + = V-, løser vi og finner
IL = Vin / R. Noter det

(69)

hvor s er Laplace transform-operatøren. Vout / Vin-funksjonen er da

(70)

Dermed i tidsdomenet vi har

(71)

Kretsen er derfor en ikke-inverterende integrator.

SØKNAD

Analyser følgende krets online med TINACloud-kretssimulatoren ved å klikke på linken nedenfor.

6-ikke-inverterende integrator Circuit Simulation

SAMMENDRAG

Operasjonsforsterkeren er en svært nyttig byggestein for elektroniske systemer. Den ekte forsterkeren fungerer nesten som en ideell forsterker med svært høy forsterkning og nesten uendelig inngangsimpedans. Av denne grunn kan vi behandle det på samme måte som vi behandler kretskomponenter. Det vil si at vi er i stand til å innlemme forsterkeren i nyttige konfigurasjoner før du studerer den interne operasjonen og de elektroniske egenskapene. Ved å gjenkjenne terminalegenskapene, er vi i stand til å konfigurere forsterkere og andre nyttige kretser.
Dette kapittelet startet med en analyse av den ideelle operasjonsforsterkeren, og med utvikling av ekvivalente kretsmodeller ved hjelp av avhengige kilder. De avhengige kildene vi studerte tidlig i dette kapittelet danner byggeklossene av ekvivalente kretser for mange av de elektroniske enhetene vi studerer i denne teksten.
Vi undersøkte da de eksterne tilkoblingene som trengs for å gjøre op-amp til en inverterende forsterker, en ikke-inverterende forsterker og en multipel inngangsforsterker. Vi utviklet en praktisk designteknikk som eliminerer behovet for å løse store systemer med samtidige ligninger.
Til slutt så vi hvordan op-amp kan brukes til å bygge flere komplekse kretser, inkludert kretser som tilsvarer negative impedanser (som kan brukes til å avbryte effektene av positive impedanser), integratorer og differensier.

TIDLIGERE - 6. DESIGN OF OP-AMP CIRCUITS

NESTE-1. Ideelle op-ampere