7 แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ

แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ

เราได้เห็นแล้วว่า op-amp สามารถใช้เป็นแอมพลิฟายเออร์หรือเป็นวิธีการรวมอินพุตจำนวนมากในลักษณะเชิงเส้น ตอนนี้เราตรวจสอบการใช้งานที่สำคัญเพิ่มเติมของ IC เชิงเส้นที่หลากหลายนี้

7.1 วงจรความต้านทานเชิงลบ
แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 17 วงจรความต้านทานเชิงลบ

วงจรที่แสดงในรูปที่ (17) สร้างความต้านทานอินพุตเชิงลบ (ความต้านทานในกรณีทั่วไป)

วงจรนี้สามารถใช้เพื่อยกเลิกความต้านทานในเชิงบวกที่ไม่พึงประสงค์ แอปพลิเคชัน oscillator จำนวนมากขึ้นอยู่กับวงจรออปแอมป์เชิงลบ ความต้านทานอินพุต Rinคืออัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าขาเข้ากับกระแส


(43)

ความสัมพันธ์แบ่งแรงดันไฟฟ้าจะใช้ในการรับการแสดงออกสำหรับ v- เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ op-amp เป็นศูนย์


(44)

ตอนนี้เราปล่อย v+ = v- และแก้ให้ vออก ในแง่ของ vinซึ่งทำให้


(45)

เนื่องจากอินพุตอิมพิแดนซ์ไปที่ v+ เทอร์มินัลไม่มีที่สิ้นสุดกระแสใน R เท่ากับ iin และสามารถพบได้ดังนี้


(46)

ความต้านทานอินพุต Rinแล้วได้รับจาก


(47)

สมการ (47) แสดงให้เห็นว่าวงจรของรูปที่ (17) พัฒนาความต้านทานเชิงลบ ถ้า R จะถูกแทนที่ด้วยความต้านทาน Zวงจรพัฒนาความต้านทานเป็นลบ

ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้ทางออนไลน์ด้วยเครื่องจำลองวงจร TINACloud โดยคลิกที่ลิงก์ด้านล่าง

1- การจำลองวงจรความต้านทานเป็นลบ

ตัวสร้างขึ้นกับกระแส 7.2
เครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้ากระแสสลับผลิตกระแสไฟฟ้าโหลดซึ่งเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ vinและเป็นอิสระจากความต้านทานโหลด มันสามารถออกแบบโดยใช้การปรับเปลี่ยนเล็กน้อยของวงจรความต้านทานเชิงลบ วงจรจะแสดงในรูปที่ 18 (a)

รูปที่ 18 - ตัวสร้างปัจจุบันขึ้นอยู่กับ

สมมติว่าเราปล่อย RF = RA. จากนั้นสมการ (47) บ่งชี้ว่าความต้านทานอินพุตกับวงจรแอมป์ (อยู่ในกล่องประ) คือ -R. วงจรอินพุตนั้นสามารถทำให้ง่ายขึ้นดังแสดงในรูปที่ 18 (b) เราต้องการคำนวณ iโหลดปัจจุบันใน Rโหลด. แม้ว่าความต้านทานจะเป็นลบ แต่กฎหมายปกติของ Kirchhoff ยังคงมีผลบังคับใช้เนื่องจากไม่มีสิ่งใดในอนุพันธ์ถือว่าเป็นตัวต้านทานที่เป็นบวก อินพุตปัจจุบัน iinถูกค้นพบโดยการรวมความต้านทานเข้ากับตัวต้านทานเดี่ยว Rin.


(48)

จากนั้นเราจะใช้อัตราส่วนตัวแบ่งปัจจุบันกับตัวแบ่งปัจจุบันระหว่าง Rโหลด และ -R ถึง ได้รับ


(49)

ดังนั้นผลของการเพิ่มวงจร op-amp คือทำให้กระแสในโหลดเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าอินพุต มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับค่าของความต้านทานโหลด Rโหลด. กระแสจึงไม่ขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงความต้านทานโหลด วงจร op-amp จะยกเลิกการต้านทานโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไม่ขึ้นกับโหลด แต่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าเท่านั้นเราจึงเรียกสิ่งนี้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในปัจจุบัน (หรือตัวแปลงแรงดันเป็นกระแส)

ในบรรดาแอพพลิเคชั่นมากมายของวงจรนี้คือ dc แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่มีการควบคุม ถ้าเราปล่อยให้ vin = E (ค่าคงที่) กระแสผ่าน Rโหลด เป็นค่าคงที่อิสระจากการเปลี่ยนแปลงของ Rโหลด.

ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้ทางออนไลน์ด้วยเครื่องจำลองวงจร TINACloud โดยคลิกที่ลิงก์ด้านล่าง

2- จำลองวงจรกำเนิดปัจจุบันขึ้นอยู่กับ

ตัวแปลงปัจจุบันเป็นแรงดัน 7.3
แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 19 - ตัวแปลงกระแส -to-Voltage

วงจรของรูปที่ (19) สร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกที่เป็นสัดส่วนกับกระแสอินพุต (สามารถดูได้ในรูปแบบ แอมพลิฟายเออร์ที่ได้รับความเป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน). เราวิเคราะห์วงจรนี้โดยใช้คุณสมบัติของออปแอมป์ในอุดมคติ เราแก้ปัญหาสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วอินพุตเพื่อค้นหา


(50)

ดังนั้นแรงดันขาออก vออก = -iinRเป็นสัดส่วนกับอินพุตปัจจุบัน iin.

ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้ทางออนไลน์ด้วยเครื่องจำลองวงจร TINACloud โดยคลิกที่ลิงก์ด้านล่าง

3- ปัจจุบันเป็นวงจรจำลองการแปลงแรงดันไฟฟ้า

ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นแรงดัน 7.4
แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 20 - แรงดันไฟฟ้าเป็นตัวแปลงกระแสไฟ

วงจรของรูป (20) เป็นตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นกระแส เราวิเคราะห์วงจรนี้ดังนี้


(51)

จากสมการ (51) เราพบ


(52)

ดังนั้นโหลดปัจจุบันจึงไม่ขึ้นอยู่กับตัวต้านทานโหลด Rโหลดและเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ vin. วงจรนี้พัฒนาแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า อย่างไรก็ตามข้อบกพร่องที่ใช้งานได้จริงของวงจรนี้คือไม่สามารถต่อปลายโหลดตัวต้านทานได้

เป็นทางเลือกวงจรที่แสดงในรูปที่ (21) ให้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นกระแสที่มีปลายด้านหนึ่งของความต้านทานโหลดลงดิน
แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 21 - ตัวแปลงแรงดันถึงกระแส

เราวิเคราะห์วงจรนี้โดยการเขียนสมการโหนดดังนี้


(53)

ความเท่าเทียมกันครั้งสุดท้ายใช้ข้อเท็จจริงที่ว่า v+ = v-. มีห้า unknowns ในสมการเหล่านี้ (v+, vin, vออก, vและ iโหลด) เรากำจัด v+ และ vออก ที่จะได้รับ,


(54)

กระแสโหลด iโหลดเป็นอิสระจากภาระ Rโหลดและเป็นเพียงฟังก์ชั่นของความต่างศักย์ (vin - v).

ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้ทางออนไลน์ด้วยเครื่องจำลองวงจร TINACloud โดยคลิกที่ลิงก์ด้านล่าง

4- แรงดันไฟฟ้าเป็นวงจรจำลองการแปลงกระแสไฟ

แอมป์อินเวอร์เตอร์ 7.5 ที่มีความต้านทานทั่วไป
แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 22 - การใช้อิมพีแดนซ์ทั่วไปแทนที่ตำแหน่งความต้านทาน

ความสัมพันธ์ของ Equation (17) สามารถขยายได้อย่างง่ายดายเพื่อรวมส่วนประกอบที่ไม่ต้านทานหาก Rj จะถูกแทนที่ด้วยความต้านทาน Zjและ RF ถูกแทนที่ด้วย ZF. สำหรับอินพุตเดียวดังแสดงในรูปที่ 22 (a) เอาต์พุตจะลดลง


(55)

เนื่องจากเรากำลังติดต่อในโดเมนความถี่เราจึงใช้ตัวอักษรตัวพิมพ์ใหญ่สำหรับแรงดันและกระแสดังนั้นจึงเป็นตัวแทนของ แอมพลิจูดที่ซับซ้อน.

หนึ่งวงจรที่มีประโยชน์ซึ่งขึ้นอยู่กับสมการ (55) คือ ผู้รวบรวมมิลเลอร์ดังแสดงในรูปที่ 22 (b) ในแอพพลิเคชั่นนี้ส่วนผลป้อนกลับเป็นตัวเก็บประจุ Cและองค์ประกอบอินพุตเป็นตัวต้านทาน Rดังนั้น


(56)

ในสมการ (56) s  เป็นผู้ให้บริการการแปลง Laplace สำหรับสัญญาณไซน์  . เมื่อเราแทนที่อิมพีแดนซ์เหล่านี้เป็นสมการ (55) เราจะได้รับ


(57)

ในโดเมนความถี่ที่ซับซ้อน 1 / s สอดคล้องกับการรวมในโดเมนเวลา นี่คือ อินทิกรัลอินทิกรัลอินทิกรัล เนื่องจากการแสดงออกมีเครื่องหมายลบ ดังนั้นแรงดันเอาต์พุตคือ


(58)

ที่ไหน vออก(0) เป็นเงื่อนไขเริ่มต้น คุณค่าของ vออก ได้รับการพัฒนาเป็นแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุ Cในเวลา t = 0 สวิตช์ปิดเพื่อประจุตัวเก็บประจุกับแรงดันไฟฟ้า vออก(0) และจากนั้นที่ t = 0 สวิตช์เปิดอยู่ เราใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเราพูดถึงอย่างเต็มที่ในบทที่ 16 ในกรณีที่เงื่อนไขเริ่มต้นเป็นศูนย์สวิตช์จะยังคงใช้ในการรีเซ็ตตัวรวมเป็นศูนย์แรงดันเอาท์พุทในเวลา t = 0.

แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 23 - ตัวอย่างของตัวแยกความแตกต่างที่กลับด้าน

หากองค์ประกอบความคิดเห็นเป็นตัวต้านทานและองค์ประกอบอินพุตเป็นตัวเก็บประจุดังแสดงในรูปที่ (23) ความสัมพันธ์อินพุตและเอาต์พุตจะกลายเป็น


(59)

ในโดเมนเวลาสิ่งนี้จะกลายเป็น


(60)
ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้ทางออนไลน์ด้วยเครื่องจำลองวงจร TINACloud โดยคลิกที่ลิงก์ด้านล่าง

5- ตัวอย่างการจำลองวงจรที่แตกต่าง inverting

วงจรกำลังทำงานเป็น การเปลี่ยนความแตกต่าง. โปรดทราบว่าตัวเก็บประจุอินพุต Za = 1 / sC, ไม่ได้ระบุเส้นทางสำหรับ dc. สิ่งนี้ไม่ส่งผลกระทบต่อผลลัพธ์เนื่องจากอนุพันธ์ของค่าคงที่เป็นศูนย์ เพื่อความง่ายเรามาใช้สัญญาณอินพุตไซน์ การจัดเรียงสมการใหม่ (59) และการแทนที่ค่าตัวเลขสำหรับวงจรนี้เราได้รับ


(61)

แรงดันไฟฟ้าขาเข้ากลับด้าน (180 ° shift) จากวงจรนี้จากนั้นปรับขนาดและเลื่อนอีกครั้ง (90 °โดย j- ผู้ปฏิบัติงาน) โดยค่าของ RCs ที่ไหน .

ผลลัพธ์ของการจำลองจะแสดงในรูปที่ (24)

รูปที่ 24 - ผลลัพธ์การจำลองสำหรับการย้อนกลับตัวแยกความแตกต่าง

รูปแบบของคลื่นอินพุตยอดที่ 0.5 โวลต์ แรงดันไฟฟ้าขาออกมีการเลื่อนสุทธิ (หน่วงเวลา) ที่ระดับ 90 และแรงดันเอาต์พุตสูงสุดที่ระดับแรงดันไฟฟ้าประมาณ 0.314 โวลต์ นี่เป็นข้อตกลงที่ดีกับผลลัพธ์ของสมการ (61)

นอกจากนี้เรายังอาจใช้รูปคลื่นเพื่อแสดงว่าวงจรนี้ทำงานของตัวเปลี่ยนความต่าง เราจะยืนยันว่าสัญญาณรูปคลื่นขาออกแสดงถึงความลาดเอียงของสัญญาณอินพุตคูณด้วยค่าคงที่ ค่าคงที่คืออัตราขยายของแรงดันไฟฟ้าของวงจร อัตราการเปลี่ยนแปลงที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเกิดขึ้นที่จุดผ่านศูนย์ สิ่งนี้สอดคล้องกับเวลาที่สัญญาณรูปคลื่นขาออกถึงค่าสูงสุด (หรือต่ำสุด) การเลือกจุดตัวแทนพูดที่ time0.5 ms และใช้เทคนิคกราฟิกเราคำนวณความชันของรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็น


(62)

การปรับอัตราการเปลี่ยนแปลงนี้ (เช่น ) จากวงจรแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นตามสมการ (60) เราคาดว่าแรงดันเอาต์พุตสูงสุดจะเป็น


(63)

แอปพลิเคชั่นคอมพิวเตอร์อนาล็อก 7.6

ในส่วนนี้เรานำเสนอการใช้วงจร op-amp ที่เชื่อมต่อระหว่างกันเช่นฤดูร้อนและผู้รวมเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์อะนาล็อกที่ใช้ในการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ ระบบทางกายภาพหลายระบบอธิบายโดยสมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นและระบบสามารถวิเคราะห์ด้วยความช่วยเหลือของคอมพิวเตอร์อะนาล็อก

แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 25 - แอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์อนาล็อก

ขอให้เราแก้หากระแส i (t) ในวงจรของรูปที่ 25 แรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็นฟังก์ชั่นการขับขี่และเงื่อนไขเริ่มต้นเป็นศูนย์ เราเขียนสมการเชิงอนุพันธ์สำหรับวงจรดังนี้:


(64)

ตอนนี้แก้ปัญหาสำหรับ di / dt เราได้รับ

(65)

เรารู้ว่าสำหรับ t> 0

(66)

จากสมการ (65) เราจะเห็นว่า -di / dt เกิดขึ้นจากการรวมคำศัพท์สามคำซึ่งพบได้ในรูปที่ 26 ที่อินพุตไปยังแอมป์รวมตัวแรก

แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 26 - โซลูชันคอมพิวเตอร์อนาล็อกสำหรับรูปที่ 25

พบคำศัพท์สามคำดังนี้:

1 ฟังก์ชั่นการขับขี่, -v (t) / L, ถูกสร้างขึ้นโดยการส่งผ่าน v (t) ผ่านฤดูร้อนที่กลับด้าน (ฤดูร้อน) โดยได้รับ, 1 / L
2 Ri / L เกิดขึ้นจากการนำเอาแอมพลิฟายเออร์แอมป์ตัวแรก (Integrator 1) และเพิ่มที่แอมป์อินพุตไปยังเอาท์พุตของแอมพลิฟายเออร์สรุป (ฤดูร้อน)
3 ระยะเวลา

(67)
คือเอาต์พุตของ integrator ที่สอง (Integrator 2) เนื่องจากสัญญาณจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงเรารวมกับความสามัคคีได้รับฤดูร้อน (ฤดูร้อน)
เอาต์พุตของ integrator ตัวแรกคือ + i ดังที่เห็นจาก Equation (66) ค่าคงที่ในสมการเชิงอนุพันธ์นั้นกำหนดขึ้นโดยการเลือกตัวต้านทานและตัวเก็บประจุของคอมพิวเตอร์อะนาล็อกอย่างเหมาะสม สภาวะเริ่มต้นเป็นศูนย์ทำได้โดยสวิตช์ข้ามตัวเก็บประจุดังแสดงในรูปที่ 22 (b)

7.7 ผู้รวบรวมมิลเลอร์ที่ไม่ได้อินเวอร์เตอร์
แอปพลิเคชันแอมป์อื่น ๆ , การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 27 - ผู้รวมระบบที่ไม่กลับด้าน

เราใช้การดัดแปลงของตัวกำเนิดกระแสไฟฟ้าที่ขึ้นต่อกันของส่วนก่อนหน้านี้เพื่อพัฒนาตัวรวมที่ไม่แปลงกลับ มีการกำหนดค่าวงจรดังแสดงในรูปที่ 27
คล้ายกับวงจรของรูปที่ 21 แต่ความต้านทานโหลดได้ถูกแทนที่ด้วยความจุ ตอนนี้เราพบกระแส Iload แรงดันไฟฟ้ากลับหัว, V-, พบได้จากการแบ่งแรงดันไฟฟ้าระหว่าง Vo และ V- ดังนี้:

(68)

ตั้งแต่ V + = V- เราแก้ปัญหาและค้นหา
IL = Vin / R สังเกตได้ว่า

(69)

โดยที่ s คือโอเปอเรเตอร์การแปลง Laplace ฟังก์ชั่น Vout / Vin นั้น

(70)

ดังนั้นในโดเมนเวลาเรามี

(71)

ดังนั้นจึงเป็นวงจรที่ไม่รวมกลับหัว

ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้ทางออนไลน์ด้วยเครื่องจำลองวงจร TINACloud โดยคลิกที่ลิงก์ด้านล่าง

6-Non-inverting integrator วงจรการจำลอง

 

สรุป

แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานเป็นตัวต่อที่มีประโยชน์มากสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องขยายเสียงที่แท้จริงทำงานเกือบเป็นเครื่องขยายเสียงในอุดมคติที่มีอัตราขยายสูงมากและมีความต้านทานอินพุตไม่สิ้นสุด ด้วยเหตุนี้เราจึงสามารถปฏิบัติต่อมันในลักษณะเดียวกันกับที่เราปฏิบัติต่อส่วนประกอบของวงจร นั่นคือเราสามารถรวมแอมป์เข้ากับการกำหนดค่าที่มีประโยชน์ก่อนที่จะศึกษาการใช้งานภายในและลักษณะทางอิเล็กทรอนิกส์ เราสามารถกำหนดค่าแอมป์และวงจรที่มีประโยชน์อื่น ๆ ได้
บทนี้เริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์แอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติและการพัฒนาแบบจำลองวงจรเทียบเท่าโดยใช้แหล่งสัญญาณที่พึ่งพา แหล่งอ้างอิงที่เราศึกษาในตอนต้นของบทนี้เป็นส่วนประกอบของวงจรที่เท่ากันสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่เราศึกษาในข้อความนี้
จากนั้นเราสำรวจการเชื่อมต่อภายนอกที่จำเป็นในการทำให้ op-amp เป็นแอมพลิฟายเออร์ที่กลับด้าน, แอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านและแอมพลิฟายเออร์อินพุทหลายตัว เราพัฒนาเทคนิคการออกแบบที่สะดวกไม่จำเป็นต้องแก้ไขระบบขนาดใหญ่ของสมการพร้อมกัน
ในที่สุดเราก็เห็นว่า op-amp สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้นได้อย่างไรรวมถึงวงจรที่เทียบเท่ากับ impedances เชิงลบ (ซึ่งสามารถใช้เพื่อยกเลิกผลกระทบของความต้านทานในเชิงบวก) ผู้รวมระบบ