Idealiska förstärkare (Ideal ampere) -TINA och TINACloud

Perfekt op-amp

Det här avsnittet använder en system tillvägagångssätt för att presentera grunden för idealiska förstärkare. Som sådan betraktar vi op-amp som ett block med ingångs- och utgångsterminaler. Vi är för närvarande inte berörda med de enskilda elektroniska enheterna inom op-amp.

En op-amp är en förstärkare som ofta drivs av både positiva och negativa matningsspänningar. Detta möjliggör att utgångsspänningen svänger både över och under markpotentialen. Op-ampen hittar bred applikation i många linjära elektroniska system.

Namnet operationsförstärkare härrör från en av de ursprungliga användningarna av op-amp kretsar; att utföra matematiska verksamhet i analoga datorer. Denna traditionella applikation diskuteras senare i detta kapitel. Tidiga op-ampar använde en enda inverterande ingång. En positiv spänningsbyte vid ingången medförde en negativ förändring vid utgången.

För att förstå driften av op ampet måste man först känna till begreppet kontrollerade (beroende) källor eftersom de utgör grunden för op amp-modellen.

1.1 Beroende källor

Beroende (eller kontrollerade) källor ger en spänning eller ström vars värde bestäms av en spänning eller ström som finns på en annan plats i kretsen. Däremot producerar passiva enheter en spänning eller ström vars värde bestämmes av en spänning eller ström som existerar på samma plats i kretsen. Både oberoende och beroende spännings- och strömkällor är aktiva element. Det vill säga att de kan leverera ström till någon extern enhet. Passiva element kan inte generera ström, även om de kan lagra energi för leverans vid en senare tidpunkt, som det är fallet med kondensatorer och induktorer.

Figuren nedan illustrerar en ekvivalent kretskonfiguration av en förstärkningsanordning som ofta används vid kretsanalys. Det högstamotståndet är lasten. Vi hittar spänningen och strömförstärkningen av detta system. Spänningsförstärkning, Av definieras som förhållandet mellan utspänning och ingångsspänning. På liknande sätt är nuvarande förstärkning Ai förhållandet mellan utgångsströmmen och ingångsströmmen.

Figur 1-ekvivalent krets av en förstärkningsanordning i fast tillstånd

Ingångsströmmen är:

Strömmen i det andra motståndet, i₁, finns direkt från Ohms lag:

(2)

Utspänningen ges sedan av:

(3)

I ekvation (3) ‖ indikerar en parallell kombination av motstånd. Utgångsströmmen hittas direkt från Ohms lag.

(4)

Spännings- och strömvinsterna hittas sedan genom att bilda förhållandena:

(5)

(6)

1.2 Operativ förstärkare ekvivalent krets

Figur 2-Operationsförstärkare och ekvivalent krets

Figure 2 (A) presenterar symbolen för operationsförstärkaren, och Figur 2 (b) visar dess ekvivalenta krets. Ingångsterminalerna är v₊ och v_-. Utgångsterminalen är v_ut. Strömförsörjningsanslutningarna är vid +V, -V och jordterminaler. Strömförsörjningsanslutningarna är ofta utelämnad från schematiska ritningar. Värdet på utgångsspänningen begränsas av +V och -V eftersom dessa är de mest positiva och negativa spänningarna i kretsen.

Modellen innehåller en beroende spänningskälla vars spänning beror på ingångsspänningsskillnaden mellan v₊ och v_-. De två ingångsterminalerna är kända som icke-inverterande och inverterande ingångar respektive. Helst beror förstärkarens utgång inte på storlekarna hos de två ingångsspänningarna, utan endast på skillnaden mellan dem. Vi definierar differentialinspänning, v_d, som skillnaden,

(7)

Utgångsspänningen är proportionell mot differentialinmatningsspänningen, och vi betecknar förhållandet som den öppna slingans förstärkning, G. Således är utgångsspänningen

(8)

Som ett exempel, en inmatning av (E är vanligtvis en liten amplitud) som appliceras på den inverterande ingången med den inverterande terminalen jordad, producerar vid utgången. När samma källsignal appliceras på inverteringsingången med den inverterade terminalen jordad, är utsignalen .

In-impedansen hos op-amp visas som ett motstånd i figur 2 (b).
Utgångsimpedansen representeras i figuren som ett motstånd, Ro.

En ideell operationsförstärkare karakteriseras enligt följande:

Dessa är vanligtvis bra approximationer till parametrarna för verkliga op-amps. Typiska parametrar för reala ampere är:

Att använda ideala op-ampare för att approximera verkliga op-ampar är därför en värdefull förenkling för kretsanalys.
Låt oss undersöka implikationen av den öppna loop-vinsten som är oändlig. Om vi skriver om ekvation (8) enligt följande:

(9)

och låt G närma sig oändligheten, så ser vi det

(10)

Ekvation (10) resultat genom att observera att utspänningen inte kan vara oändlig. Värdet på utgångsspänningen begränsas av de positiva och negativa strömförsörjningsvärdena. Ekvation (10) indikerar att spänningarna vid de två terminalerna är desamma:

(11)

Därför leder likvärdigheten av ekvation (11) oss till att det finns en virtuell kortslutning mellan ingångsterminalerna.

Eftersom ingångsmotståndet hos den ideala op-amparen är oändlig är strömmen i varje ingång, inverterande terminal och icke-inverterande terminal noll.
När reella förstärkare används i ett linjärt amplifieringsläge är förstärkningen mycket stor, och ekvation (11) är en bra approximation. Men flera applikationer för verkliga op-ampar använder enheten i ett olinjärt läge. Tillnärmningen av ekvation (11) är inte giltig för dessa kretsar.
Även om praktiska op-ampar har högspänningsförstärkning varierar denna förstärkning med frekvens. Av denna anledning brukar en op-amp normalt inte användas i den form som visas i Figur 2 (a). Denna konfiguration är känd som öppen slinga eftersom det inte finns någon återkoppling från utgång till ingång. Vi ser senare att, medan öppen-loop-konfigurationen är användbar för komparatorprogram, är den mer vanliga konfigurationen för linjära applikationer den slutna kretsen med återkoppling.

Externa element används för att "återkoppla" en del av utsignalen till ingången. Om återkopplingselementen placeras mellan utgången och den inverterande ingången minskas förstärkningen med sluten slinga eftersom en del av utgången subtraherar från ingången. Vi kommer att se senare att återkoppling inte bara minskar den totala förstärkningen, men det gör också att den blir mindre känslig för värdet på G. Med återkoppling beror sluten slingförstärkning mer på återkopplingskretselementen och mindre på grundvalet förstärkarspänningsförstärkning, G. I själva verket är förstärkningen med sluten slinga väsentligen oberoende av värdet på G-det beror bara på värdena för de externa kretselementen.

Figur (3) illustrerar en enstegs negativ återkopplingsop-amp-krets.

Figur 3- Den inverterande op-amp

Därför analyserar vi den här kretsen i nästa avsnitt. För nu notera att ett enda motstånd, R_F, används för att ansluta utspänningen, v_ut till den inverterande ingången, v_-.

Ett annat motstånd, R_a är ansluten från inverteringsingången, v_-, till ingångsspänningen, v_a. Ett tredje motstånd, R placeras mellan den inverterande ingången och marken.
Kretsar som använder op-amp, motstånd och kondensatorer kan konfigureras för att utföra många användbara operationer som summering, subtrahering, integrering, differentiering, filtrering, jämförelse och förstärkning.

1.3 Analysmetod

Vi analyserar kretsar med de två viktiga ideala op-amp-egenskaperna:

Spänningen mellan v₊ och v_- är noll eller v₊ = v_-.
Nuvarande i båda v₊ och v_- terminal är noll.

Dessa enkla observationer leder till ett förfarande för att analysera vilken ideell upp-amp-krets som helst:

Skriv Kirchhoffs nuvarande lagkodsekvation vid den icke-inverterande terminalen, v₊.
Skriv Kirchhoffs nuvarande lagkodsekvation vid inverterterminalen, v_-.
uppsättning v₊ = v_- och lösa för önskade slutna loop-vinster.

När du tillämpar Kirchhoffs lagar, kom ihåg att strömmen till båda v₊ och v_- terminal är noll.

TIDIGARE - Idealiska förstärkare Introduktion

NEXT-2. Den inverterande förstärkaren