7. Druge aplikacije Op-amp

UPORABA

Analizirajte naslednje vezje na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo.

1 - simulacija kroga negativnega impedance

Generator odvisnih tokov 7.2

Slika 18 - Generator odvisnih tokov

Recimo, da pustimo R_F = R_A. Enačba (47) nato kaže, da je vhodni upor k krogu op-amp (zaprt v črtkani škatli) -R. Vhodni tokokrog se lahko poenostavi, kot je prikazano na sliki 18 (b). Želimo izračunati i_obremenitev, trenutni v R_obremenitev. Čeprav je upor negativen, običajni Kirchhoffovi zakoni še vedno veljajo, saj nič v njihovih izpeljavah ne predvideva pozitivnih uporov. Vhodni tok, i_in, se potem najde z združevanjem uporov v en upor, R_in.

(48)

Nato uporabimo razmerje tokovnega delilnika na trenutno razdelitev R_obremenitev in -R do pridobi

(49)

Posledica dodatka krogotoka op-amp je, da je tok v obremenitvi sorazmeren z vhodno napetostjo. To ni odvisno od vrednosti upornosti obremenitve, R_obremenitev. Tok torej ni odvisen od sprememb obremenitve. Krog op-amp učinkovito odpravi odpornost na obremenitev. Ker je tok neodvisen od obremenitve, vendar je odvisen samo od vhodne napetosti, to imenujemo a trenutni generator (ali pretvornik napetost-tok).

Med številnimi aplikacijami tega vezja je a dc regulirani vir napetosti. Če pustimo v_in = E (konstanta), tok skozi R_obremenitev je konstantna neodvisno od variacij R_obremenitev.

UPORABA

Analizirajte naslednje vezje na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo.

2 - simulacija vezja odvisnega toka generatorja

7.3 Pretvornik toka / napetosti

Slika 19 - Pretvornik napetost-napetost

Vezje na sliki (19) proizvaja izhodno napetost, ki je sorazmerna vhodnemu toku (to lahko vidimo tudi kot a enosmerni ojačevalnik). To vezje analiziramo z uporabo lastnosti idealnih ojačevalnikov. Rešimo za iskanje napetosti na vhodnih terminalih

(50)

Zato je izhodna napetost, v_ven = -i_inR, je sorazmerna z vhodnim tokom, i_in.

UPORABA

Analizirajte naslednje vezje na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo.

3 - Simulacija toka na napetostni pretvornik

7.4 pretvornik napetosti do toka

Slika 20 - Pretvornik napetosti v tok

Sklop slike (20) je pretvornik napetost-tok. To vezje analiziramo na naslednji način:

(51)

Iz enačbe (51) najdemo,

(52)

Zato je tok toka neodvisen od obremenitvenega upora, R_obremenitevin je sorazmerna z uporabljeno napetostjo, v_in. To vezje razvija napetostno krmiljen vir toka. Praktična pomanjkljivost tega vezja pa je, da ni mogoče ozemljiti nobenega konca upora tovora.

Slika 21 - Pretvornik napetosti do toka

To vezje analiziramo tako, da napišemo enačbe vozlišč, kot sledi:

(53)

Zadnja enakost uporablja to dejstvo v₊ = v_-. V teh enačbah je pet neznank (v₊, v_in, v_ven, vin i_obremenitev). Odstranimo v₊ in v_ven pridobiti,

(54)

Tok obremenitve, i_obremenitev, je neodvisen od bremena, R_obremenitevin je samo funkcija razlike napetosti, (v_in - v).

UPORABA

Analizirajte naslednje vezje na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo.

4 napetost na tokovni pretvornik

7.5 obračalni ojačevalnik z generaliziranimi impedancami

Slika 22 - Uporaba posplošene impedance namesto upora

Razmerje enačbe (17) se lahko enostavno razširi tako, da vključuje tudi ne-uporne komponente, če R_j nadomesti z impedanco, Z_jin R_F se nadomesti z Z_F. Pri enem vnosu, kot je prikazano na sliki 22 (a), se izhod zmanjša na

(55)

Ker se ukvarjamo v frekvenčni domeni, uporabljamo velike črke za napetosti in tokove, s čimer predstavljamo kompleksne amplitude.

Eno uporabno vezje, ki temelji na enačbi (55), je Millerjev integrator, kot je prikazano na sliki 22 (b). V tej aplikaciji je povratna komponenta kondenzator, Cin vhodna komponenta je upor, RTako

(56)

V enačbi (56), s  je Laplaceov transformator operater. Za sinusne signale,  . Ko te impedance nadomestimo z enačbo (55), dobimo

(57)

V zapleteni frekvenčni domeni, 1 / s ustreza integraciji v časovni domeni. To je obračalni integrator ker izraz vsebuje negativni znak. Zato je izhodna napetost

(58)

Kje v_ven(0) je začetno stanje. Vrednost v_ven je razvita kot napetost na kondenzatorju, C, v času t = 0. Stikalo je zaprto, da kondenzator napolni do napetosti v_ven(0) in nato pri t = 0 je stikalo odprto. Uporabljamo elektronska stikala, o katerih podrobneje razpravljamo v poglavju 16. V primeru, da je začetni pogoj nič, se stikalo še vedno uporablja za ponastavitev integratorja na ničelno izhodno napetost v času t = 0.

Slika 23 - Primer obrnjenega diferenciatorja

Če je element povratne informacije upor in vhodni element je kondenzator, kot je prikazano na sliki (23), postane vhodno-izhodni odnos

(59)

V časovni domeni to postane

(60)
UPORABA

Analizirajte naslednje vezje na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo.

5- Primer preoblikovanja simulacije kroga diferenciatorja

Tokokrog deluje kot preoblikovanje. Upoštevajte, da je vhodni kondenzator, Z_a = 1 / sC, ne zagotavlja poti za dc. To ne vpliva na rezultat, ker je derivat konstante enak nič. Za enostavnost uporabimo sinusni vhodni signal. S preureditvijo enačbe (59) in zamenjavo številskih vrednosti za to vezje dobimo

(61)

Vhodna napetost je obrnjena (premik 180 °) s tem tokokrogom, nato pa se spremeni in ponovno premakne (90 ° z j- operater) po vrednosti RC Kje .

Rezultati simulacije so prikazani na sliki (24).

Slika 24 - Rezultati simulacije za obračanje diferenciatorja

Vhodna oblika signala doseže vrhove 0.5 voltov. Izhodna napetost ima neto premik (zakasnitev) 90 stopinj in izhodno napetost pri približno 0.314 voltih. To se dobro ujema z rezultatom enačbe (61).

Lahko uporabimo tudi valovne oblike, da pokažemo, da to vezje opravlja nalogo inverznega diferenciatorja. Potrjujemo, da izhodna valovna oblika predstavlja naklon vhodnega signala, ko je konstanta. Konstanta je napetostni dobiček vezja. Največja stopnja spremembe valovne oblike vhodne napetosti se pojavi na njenem prehodu na ničlo. To ustreza času, ko izhodna valovna oblika doseže svoj maksimum (ali minimum). Izbrati reprezentativno točko, recimo v času0.5 ms, in z uporabo grafičnih tehnik izračunati naklon valovne oblike vhodne napetosti kot

(62)

Prilagajanje te stopnje spremembe (tj. ) z napetostjo vezja po enačbi (60) pričakujemo najvišjo izhodno napetost

(63)

Analogne računalniške aplikacije 7.6

V tem poglavju predstavljamo uporabo med seboj povezanih krogov op-amp, kot so poletja in integratorji, za oblikovanje analognega računalnika, ki se uporablja za reševanje diferencialnih enačb. Številni fizični sistemi so opisani z linearnimi diferencialnimi enačbami, zato je sistem mogoče analizirati s pomočjo analognega računalnika.

Slika 25 - Analogna računalniška aplikacija

Rešimo za tok, i (t) v vezju na sliki 25. Vhodna napetost je vozna funkcija, začetni pogoji pa nič. Pišemo diferencialno enačbo za vezje na naslednji način:

(64)

Zdaj rešujemo za di / dt, dobimo

(65)

Vemo, da je pri t> 0,

(66)

Iz enačbe (65) vidimo, da -di / dt nastane s seštevanjem treh izrazov, ki jih najdemo na sliki 26 na vhodu prvega integriranega ojačevalnika.

Slika 26 - Analogna računalniška rešitev za sliko 25

Trije izrazi so naslednji:

1. Funkcija vožnje, -v (t) / L, se oblikuje s posredovanjem v (t) skozi obračalno poletje (poletje) z dobičkom, 1 / L.
2. Ri / L se tvori z izhodom prvega integriranega ojačevalnika (Integrator 1) in ga doda na vhod ojačevalnika na izhod seštevka ojačevalnika (Summer).
3. Izraz

(67)
je izhod drugega integratorja (Integrator 2). Ker mora biti znak spremenjen, ga povzamemo z obračanjem poletja z enotnim dobitkom (poletje).
Izhod prvega integratorja je + i, kot je razvidno iz enačbe (66). Konstante v diferencialni enačbi določimo z ustrezno izbiro uporov in kondenzatorjev analognega računalnika. Ničelni začetni pogoji se izvedejo s stikalom na kondenzatorjih, kot je prikazano na sliki 22 (b).

7.7 neinvertirajoči Millerjev integrator

Slika 27 - Neinvertirni integrator

Uporabljamo modifikacijo odvisnega generatorja toka iz prejšnjega razdelka, da bi razvili neinvertirni integrator. Tokokrog je konfiguriran, kot je prikazano na sliki 27.
To je podobno vezju na sliki 21, vendar je upornost obremenitve zamenjana z kapacitivnostjo. Zdaj najdemo trenutno, tovarniško. Inverzna napetost, V, je iz napetostne delitve med Vo in V- kot sledi:

(68)

Ker V + = V-, rešujemo in najdemo
IL = Vin / R. Upoštevajte, da

(69)

kjer je s Laplaceov transformator. Funkcija Vout / Vin je potem

(70)

Tako v časovni domeni imamo

(71)

Zato je to vezje neinvertirni integrator.

UPORABA

Analizirajte naslednje vezje na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo.

6-neinvertirni integratorski krog Simulacija

POVZETEK

Operativni ojačevalnik je zelo uporaben gradnik za elektronske sisteme. Pravi ojačevalnik deluje skoraj kot idealen ojačevalnik z zelo visokim dobitkom in skoraj neskončno vhodno impedanco. Zato jo lahko obravnavamo na enak način, kot ga obravnavamo komponente vezja. To pomeni, da lahko ojačevalnik vključimo v uporabne konfiguracije pred proučevanjem notranjega delovanja in elektronskih značilnosti. S prepoznavanjem karakteristik terminalov lahko konfiguriramo ojačevalnike in druge uporabne kroge.
To poglavje se je začelo z analizo idealnega operacijskega ojačevalnika in z razvojem ekvivalentnih modelov vezij z uporabo odvisnih virov. Odvisni viri, ki smo jih raziskali v začetku tega poglavja, tvorijo gradnike enakovrednih vezij za mnoge elektronske naprave, ki jih preučujemo v tem besedilu.
Nato smo raziskali zunanje povezave, ki so potrebne, da se op-amp vključi v obračalni ojačevalnik, neinvertirni ojačevalnik in večkratni vhodni ojačevalnik. Razvili smo priročno tehniko oblikovanja, ki odpravlja potrebo po reševanju velikih sistemov sočasnih enačb.
Končno smo videli, kako bi lahko op-amp uporabili za izgradnjo različnih bolj zapletenih vezij, vključno z vezji, ki so enakovredna negativnim impedancam (ki se lahko uporabljajo za preklic učinkov pozitivnih impedanc), integratorji in diferenciatorji.

PREJŠNJA-6. OBLIKOVANJE ORODIJ ZA OP-AMP

NEXT- 1. Idealne op-ampere