1. Idealne op-ampere

Idealne op-ampere

Ta razdelek uporablja a sistemi pristop k predstavitvi temeljev idealnih operacijskih ojačevalnikov. Kot tak, menimo, da je op-amp kot blok z vhodnimi in izhodnimi terminali. Trenutno se ne ukvarjamo s posameznimi elektronskimi napravami v op-amp.

Op-amp je ojačevalnik, ki ga pogosto napajajo pozitivne in negativne napajalne napetosti. To omogoča, da izhodna napetost niha nad in pod zemeljskim potencialom. Op-amp najde široko uporabo v številnih linearnih elektronskih sistemih.

Ime Operacijski ojačevalnik izhaja iz ene od prvotnih uporab vezij op-amp; za izvajanje matematičnih Operacije v analognih računalnikih. Ta tradicionalna uporaba je obravnavana v nadaljevanju tega poglavja. Zgodnji op-ampi so uporabili en invertni vhod. Pozitivna sprememba napetosti na vhodu je povzročila negativno spremembo na izhodu.

Da bi razumeli delovanje op-amp, je treba najprej spoznati koncept nadzorovanih (odvisnih) virov, saj so osnova op-amp modela.

Odvisni viri za 1.1

Odvisni (ali kontrolirani) viri proizvajajo napetost ali tok, katerih vrednost je določena z napetostjo ali tokom, ki obstaja na drugem mestu v tokokrogu. V nasprotju s tem pasivne naprave proizvajajo napetost ali tok, katerih vrednost je določena z napetostjo ali tokom, ki obstaja na istem mestu v tokokrogu. Neodvisni in odvisni napetostni in tokovni viri so aktivni elementi. To pomeni, da so sposobni oddajati napajanje nekateri zunanji napravi. Pasivni elementi ne morejo proizvajati energije, čeprav lahko shranijo energijo za dostavo kasneje, kot to velja za kondenzatorje in induktorje.

Spodnja slika prikazuje enakovredno konfiguracijo vezja ojačevalne naprave, ki se pogosto uporablja v analizi vezij. Najbolj desnoupor je obremenitev. Našli bomo napetostne in tokovne dobitke tega sistema. Dobitek napetosti, Av je definiran kot razmerje med izhodno napetostjo in vhodno napetostjo. Podobno je trenutni dobitek Ai razmerje med izhodnim tokom in vhodnim tokom.

Idealne op-ampere

Slika 1 - Enakovredno vezje polprevodniške ojačevalne naprave

Vhodni tok je:

Tok v drugem uporu, i1, najdemo neposredno iz Ohmovega zakona:

(2)

Izhodna napetost je nato podana z:

(3)

V enačbi (3), označuje vzporedno kombinacijo uporov. Izhodni tok najdemo neposredno iz Ohmovega zakona.

(4)

Napetostne in tokovne dobičke se nato ugotovijo z oblikovanjem razmerij:

(5)

(6)

 1.2 Enotno vezje operacijskega ojačevalnika
Idealne op-ampere

Slika 2 - Operacijski ojačevalnik in enakovredno vezje

Figro 2 (A) predstavlja simbol za operacijski ojačevalnik, slika 2 (b) pa prikazuje ekvivalentno vezje. Vhodni priključki so v+ in v-. Izhodni terminal je vven. Priključki za napajanje so na +V, -V in zemeljske terminale. Pogosto so priključki za napajanje izpuščeni iz shematskih risb. Vrednost izhodne napetosti je omejena z +V in -V ker so to najbolj pozitivne in negativne napetosti v tokokrogu.

Model vsebuje odvisen vir napetosti, katerega napetost je odvisna od razlike med vhodno napetostjo v+ in v-. Oba vhodna terminala sta znana kot neinvertiranje in obračanjem vložkov. Idealno bi bilo, da izhod ojačevalnika ni odvisen od velikosti obeh vhodnih napetosti, ampak samo od razlike med njimi. Definiramo diferenčna vhodna napetost, vd, kot razlika,

(7)

Izhodna napetost je sorazmerna z diferenčno vhodno napetostjo in določimo razmerje kot odprto zanko, G. Izhodna napetost je

(8)

Kot primer je vnos od  (E je običajno majhna amplituda), ki se uporablja za neinvertirni vhod z obrnjenim invertirnim terminalom, proizvaja  na izhodu. Ko je isti vir signala uporabljen za obračalni vhod z neinvertirnim terminalom, je izhod .

Vhodna impedanca op-amp je prikazana kot upor na sliki 2 (b).
Izhodna impedanca je na sliki predstavljena kot upor, Ro.

Idealen operacijski ojačevalnik je označen na naslednji način:

To so ponavadi dobri približki parametrom realnih op-amperjev. Tipični parametri realnih op-amperjev so:

Uporaba idealnih op-amperjev za približevanje realnih op-amperov je zato dragocena poenostavitev za analizo vezij.
Raziščimo posledice neskončnega pridobivanja odprte zanke. Če prepišemo enačbo (8)
kot sledi: 

(9)

in pustite G se približamo neskončnosti, vidimo to

(10)

Enačba (10) je rezultat opazovanja, da izhodna napetost ne more biti neskončna. Vrednost izhodne napetosti je omejena s pozitivno in negativno vrednostjo napajanja. Enačba (10) pomeni, da so napetosti na obeh terminalih enake:

(11)

Zato nas enakost enačbe (11) pove, da med vhodnimi terminali obstaja navidezni kratek stik.

Ker je vhodni upor idealne op-amp neskončen, je tok v vsak vhod, invertirni terminal in neinvertni terminal, nič.
Ko se v načinu linearnega ojačanja uporabijo realne op-ampere, je dobiček zelo velik in Equation (11) je dober približek. Vendar pa več aplikacij za realne op-ampere uporablja napravo v nelinearnem načinu. Približek enačbe (11) za ta vezja ni veljaven. 

Čeprav imajo praktične op-ampere visok napetost, se ta dobiček spreminja s frekvenco. Zaradi tega se op-amp običajno ne uporablja v obliki, prikazani na sliki 2 (a). Ta konfiguracija je znana kot odprta zanka, ker ni povratne informacije od izhoda do vhoda. Kasneje vidimo, da je konfiguracija odprte zanke uporabna za primerjalne aplikacije, bolj običajna konfiguracija za linearne aplikacije pa je tokokrog z zaprto zanko z povratno zvezo.

Zunanji elementi se uporabljajo za "povratno zvezo" dela izhodnega signala na vhod. Če so povratni elementi nameščeni med izhodom in obrnjenim vhodom, se dobiček v zaprti zanki zmanjša, ker del izhoda odšteje od vhoda. Kasneje bomo videli, da povratne informacije ne le zmanjšajo celoten dobiček, temveč tudi ta dobiček postanejo manj občutljivi na vrednost G. Pri povratnih informacijah je ojačanje zaprtega kroga bolj odvisno od elementov povratnega vezja in manj od osnovnih možnosti ojačevalnik napetosti ojačevalnika, G. Dejansko je ojačanje zaprte zanke v bistvu neodvisno od vrednosti G - odvisno je le od vrednosti elementov zunanjega vezja. 

Slika (3) prikazuje enofazno negativno povratno vezje.
Idealne op-ampere

Slika 3 - Obračanje op-amp

Zato bomo to vezje analizirali v naslednjem razdelku. Za zdaj upoštevajte, da je en upor, RF, se uporablja za priključitev izhodne napetosti, vven na invertirni vhod, v-.  

Še en upor, Ra je povezan z invertirajočim vhodom, v-, do vhodne napetosti, va. Tretji upor, R nameščen med neinvertirnim vhodom in maso.
Vezja, ki uporabljajo op-ampere, upore in kondenzatorje, se lahko konfigurirajo za izvajanje številnih uporabnih operacij, kot so seštevanje, odštevanje, integracija, diferenciacija, filtriranje, primerjanje in ojačanje.

1.3 Analizna metoda

Analiziramo vezja z uporabo dveh pomembnih idealnih op-amp lastnosti:

  • Napetost med v+ in v- je nič ali v+ = v-.
  • Tok v obeh v+ in v- terminal je nič.

Te preproste ugotovitve vodijo do postopka za analizo vsakega idealnega vezja op-amp, kot sledi:

  • Napiši enačbo Kirchhoffovega trenutnega zakona na neinvertirnem terminalu, v+.
  • Zapiši enačbo Kirchhoffovega trenutnega zakona na invertirnem terminalu, v-.
  • Kompleti v+ = v- in rešiti želene dobičke zaprte zanke.

Pri uporabi Kirchhoffovih zakonov ne pozabite, da je tok v obeh v+ in v- terminal je nič.