1 op-amps ในอุดมคติ

op-amps ในอุดมคติ

ส่วนนี้ใช้ ระบบ วิธีการนำเสนอพื้นฐานของเครื่องขยายสัญญาณการดำเนินงานในอุดมคติ ด้วยเหตุนี้เราจึงพิจารณา op-amp เป็นบล็อกที่มีขั้วอินพุตและเอาต์พุต ขณะนี้เราไม่ได้เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แต่ละตัวภายใน op-amp

op-amp เป็นแอมป์ที่มักขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าทั้งบวกและลบ สิ่งนี้จะช่วยให้แรงดันไฟฟ้าขาออกสามารถแกว่งได้ทั้งด้านบนและด้านล่างของศักย์ไฟฟ้าของพื้นดิน op-amp ค้นหาแอพพลิเคชั่นที่กว้างในระบบอิเล็กทรอนิกส์เชิงเส้นจำนวนมาก

ชื่อ เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน มาจากหนึ่งในการใช้งานเดิมของวงจรแอมป์สหกรณ์ เพื่อดำเนินการทางคณิตศาสตร์ การดำเนินงาน ในคอมพิวเตอร์อะนาล็อก แอปพลิเคชั่นแบบดั้งเดิมนี้จะกล่าวถึงต่อไปในบทนี้ op-amps ก่อนหน้าใช้อินพุต inverting เดียว การเปลี่ยนแปลงแรงดันบวกที่อินพุตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงลบที่เอาต์พุต

ดังนั้นเพื่อให้เข้าใจการทำงานของ op-amp จำเป็นที่จะต้องทำความคุ้นเคยกับแนวคิดของแหล่งที่มาที่ถูกควบคุม (ขึ้นอยู่กับ) เนื่องจากมันเป็นพื้นฐานของโมเดล op-amp

1.1 ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มา

แหล่งที่มา (หรือควบคุม) ขึ้นอยู่กับการผลิตแรงดันหรือกระแสที่มีค่าจะถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าหรือปัจจุบันที่มีอยู่ในสถานที่อื่นในวงจร ในทางกลับกันอุปกรณ์พาสซีฟจะสร้างแรงดันหรือกระแสซึ่งค่าจะถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสที่มีอยู่ ณ ตำแหน่งเดียวกันในวงจร ทั้งแรงดันไฟฟ้าอิสระและแหล่งจ่ายกระแสและขึ้นอยู่กับองค์ประกอบการใช้งาน นั่นคือพวกเขาสามารถส่งพลังงานไปยังอุปกรณ์ภายนอกบางอย่าง องค์ประกอบแบบพาสซีฟจะไม่สามารถผลิตพลังงานได้แม้ว่าจะสามารถเก็บพลังงานไว้สำหรับการจัดส่งได้ในภายหลังเช่นเดียวกับตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ

รูปด้านล่างแสดงให้เห็นถึงการกำหนดค่าวงจรเทียบเท่าของอุปกรณ์ขยายสัญญาณมักจะใช้ในการวิเคราะห์วงจร ถูกที่สุดตัวต้านทานคือโหลด เราจะหาแรงดันและกระแสที่ได้รับของระบบนี้ แรงดันไฟฟ้า, Av หมายถึงอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าขาออกต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ในทำนองเดียวกันการได้รับกระแสไฟฟ้า Ai คืออัตราส่วนของกระแสไฟฟ้าขาออกต่อกระแสไฟฟ้าขาเข้า

op-amps ในอุดมคติ

รูปที่ 1- วงจรสมมูลของอุปกรณ์ขยายสัญญาณโซลิดสเตต

กระแสอินพุตคือ:

กระแสในตัวต้านทานที่สอง i1พบได้โดยตรงจากกฎของโอห์ม:

(2)

แรงดันขาออกจะได้รับจาก:

(3)

ในสมการ (3) แสดงถึงการรวมกันของตัวต้านทานแบบขนาน พบกระแสเอาต์พุตโดยตรงจากกฎของโอห์ม

(4)

แรงดันและกระแสกำไรจะถูกพบโดยการสร้างอัตราส่วน:

(5)

(6)

 1.2 วงจรเครื่องขยายการดำเนินงานเทียบเท่า
op-amps ในอุดมคติ

รูปที่ 2- วงจรขยายและวงจรสมมูล

Figure 2 (ก) แสดงสัญลักษณ์สำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานและรูปที่ 2 (b) แสดงวงจรที่เท่ากัน ขั้วอินพุทคือ v+ และ v-. ขั้วเอาท์พุทคือ vออก. การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟอยู่ที่ +V, -V และสถานีภาคพื้นดิน การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟมักจะ ละเว้นจากภาพวาดแผนผัง ค่าของแรงดันไฟฟ้าขาออกถูก จำกัด ด้วย +V และ -V เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เป็นแรงดันไฟฟ้าบวกและลบมากที่สุดในวงจร

แบบจำลองนี้ประกอบด้วยแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าแบบพึ่งพาซึ่งแรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความต่างของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าระหว่าง v+ และ v-. ช่องรับสัญญาณทั้งสองเป็นที่รู้จักกันในนาม ไม่ใช่กลับหัว และ inverting อินพุตตามลำดับ ตามหลักการแล้วเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันไฟฟ้าอินพุตสองตัว แต่ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างพวกเขาเท่านั้น เรากำหนด แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่แตกต่าง, vdเป็นความแตกต่าง

(7)

แรงดันเอาท์พุทเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟาดิฟเฟอเรนเชียลและเรากําหนดอัตราส่วนเป็นเกนแบบ open-loop, G ดังนั้นแรงดันเอาต์พุต

(8)

ตัวอย่างเช่นอินพุตของ  (E มักจะเป็นแอมพลิจูดขนาดเล็ก) นำไปใช้กับอินพุตที่ไม่มีการแปลงกลับที่มีเทอร์มินัลการกลับขั้วที่มีสายดิน  ที่เอาท์พุท เมื่อสัญญาณแหล่งที่มาเดียวกันถูกนำไปใช้กับอินพุตที่กลับหัวกลับหางโดยที่เทอร์มินัลที่ไม่กลับด้านมีการกราวด์เอาต์พุตจะเป็น .

ความต้านทานอินพุตของ op-amp แสดงเป็นความต้านทานในรูปที่ 2 (b)
ความต้านทานเอาต์พุตถูกแสดงในรูปเป็นความต้านทาน, Ro

แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานในอุดมคติมีลักษณะดังนี้:

สิ่งเหล่านี้มักจะประมาณค่าพารามิเตอร์ของ op-amps ได้ดี พารามิเตอร์ทั่วไปของ op-amps ที่แท้จริงคือ:

การใช้ op-amps ในอุดมคติเพื่อประมาณ op-amps ที่แท้จริงจึงเป็นเรื่องง่ายสำหรับการวิเคราะห์วงจร
ให้เราสำรวจความหมายของการได้รับวงเปิดที่ไม่มีที่สิ้นสุด ถ้าเราเขียนสมการใหม่ (8)
ดังต่อไปนี้: 

(9)

และปล่อยให้ G วิธีอินฟินิตี้เราจะเห็นว่า

(10)

ผลลัพธ์สมการ (10) โดยการสังเกตว่าแรงดันเอาต์พุตไม่สามารถไม่มีที่สิ้นสุด ค่าของแรงดันไฟฟ้าขาออกถูก จำกัด ด้วยค่าแหล่งจ่ายไฟบวกและลบ สมการ (10) บ่งชี้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วทั้งสองเหมือนกัน:

(11)

ดังนั้นความเท่าเทียมกันของสมการ (11) ทำให้เราพูดได้ว่ามีการลัดวงจรเสมือนจริงระหว่างขั้วอินพุต

เนื่องจากความต้านทานอินพุตของ op-amp ในอุดมคตินั้นไม่มีที่สิ้นสุดกระแสในแต่ละอินพุตคือเทอร์มินัลกลับหัวและเทอร์มินัลที่ไม่กลับด้านเป็นศูนย์
เมื่อใช้ op-amps จริงในโหมดการขยายแบบเชิงเส้นอัตราขยายจะมีขนาดใหญ่มากและสมการ (11) เป็นการประมาณที่ดี อย่างไรก็ตามแอพพลิเคชั่นหลายตัวสำหรับ op-amps จริงใช้อุปกรณ์ในโหมดไม่เชิงเส้น การประมาณสมการ (11) ไม่ถูกต้องสำหรับวงจรเหล่านี้ 

ถึงแม้ว่า op-amps ที่ใช้งานได้จริงจะมีอัตราขยายของแรงดันไฟฟ้าสูง แต่อัตราขยายนี้จะแตกต่างกันไปตามความถี่ ด้วยเหตุผลนี้ op-amp จะไม่ถูกใช้ในแบบฟอร์มที่แสดงในรูปที่ 2 (a) การกำหนดค่านี้เป็นที่รู้จักกันในนามวงเปิดเนื่องจากไม่มีการตอบรับจากเอาต์พุตไปยังอินพุต เราจะเห็นในภายหลังว่าในขณะที่การกำหนดค่าแบบเปิดลูปมีประโยชน์สำหรับแอพพลิเคชั่นตัวเปรียบเทียบ

องค์ประกอบภายนอกใช้ในการ "ป้อนกลับ" ส่วนหนึ่งของสัญญาณเอาต์พุตไปยังอินพุต หากองค์ประกอบข้อเสนอแนะถูกวางไว้ระหว่างเอาต์พุตและอินพุตที่กลับด้านค่ากำไรวงปิดจะลดลงเนื่องจากส่วนหนึ่งของเอาต์พุตลบออกจากอินพุต เราจะเห็นในภายหลังว่าข้อเสนอแนะไม่เพียง แต่ลดผลกำไรโดยรวมเท่านั้น แต่ยังทำให้การเพิ่มความไวต่อค่าของ G น้อยลงด้วยข้อเสนอแนะการเพิ่มวงปิดขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวงจรป้อนกลับมากขึ้นและน้อยกว่าในการดำเนินการพื้นฐาน การเพิ่มแรงดันแอมป์, G. ในความเป็นจริงอัตราขยายวงปิดนั้นโดยพื้นฐานแล้วไม่ขึ้นอยู่กับค่าของ G - มันขึ้นอยู่กับค่าขององค์ประกอบวงจรภายนอกเท่านั้น 

รูปที่ (3) แสดงวงจรออพแอมป์ตอบกลับเชิงลบแบบขั้นตอนเดียว
op-amps ในอุดมคติ

รูปที่ 3- การสลับ op-amp

ดังนั้นเราจะวิเคราะห์วงจรนี้ในส่วนถัดไป สำหรับตอนนี้โปรดทราบว่าตัวต้านทานเดียว RFใช้สำหรับเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าขาออก vออก ไปที่อินพุตอินเวอร์เตอร์ v-.  

ตัวต้านทานอื่น Ra เชื่อมต่อจากอินพุตกลับหัว v-, กับแรงดันไฟฟ้าอินพุต, va. ตัวต้านทานตัวที่สาม R ถูกวางไว้ระหว่างอินพุตที่ไม่แปลงกลับและกราวด์
วงจรที่ใช้ op-amps ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุสามารถกำหนดค่าให้ดำเนินการที่เป็นประโยชน์มากมายเช่นการรวมการลบการรวมการแยกความแตกต่างการกรองการเปรียบเทียบและการขยาย

1.3 วิธีการวิเคราะห์

เราวิเคราะห์วงจรโดยใช้คุณสมบัติ op-amp อุดมคติที่สำคัญสองประการ:

  • แรงดันไฟฟ้าระหว่าง v+ และ v- เป็นศูนย์หรือ v+ = v-.
  • กระแสไฟฟ้าเข้าสู่ทั้ง v+ และ v- เทอร์มินัลเป็นศูนย์

การสังเกตง่าย ๆ เหล่านี้นำไปสู่กระบวนการในการวิเคราะห์วงจร op-amp อุดมคติใด ๆ ดังต่อไปนี้:

  • เขียนสมการกฎโหนดปัจจุบันของ Kirchhoff ที่เทอร์มินัลที่ไม่กลับด้าน v+.
  • เขียนสมการโหนดกฎหมายปัจจุบันของ Kirchhoff ที่เทอร์มินัล inverting v-.
  • ชุด v+ = v- และแก้ปัญหาสำหรับผลกำไรวงปิดที่ต้องการ

เมื่อใช้กฎหมายของ Kirchhoff โปรดจำไว้ว่ากระแสในทั้ง v+ และ v- เทอร์มินัลเป็นศูนย์