7. Diğer Op-amp Uygulamaları

BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıyı TINACloud devre simülatörü ile çevrimiçi olarak aşağıdaki bağlantıya tıklayarak analiz edin.

1- Negatif Empedans Devre Simülasyonu

7.2 Bağımlı-Akım Jeneratör

Şekil 18 - Bağımlı akım üreteci

Diyelim ki izin verdik. R_F = R_A. Denklem (47) daha sonra op-amp devresine (kesikli kutu içine alınmış) giriş direncinin olduğunu gösterir. -R. Giriş devresi daha sonra Şekil 18 (b) 'de gösterildiği gibi basitleştirilebilir. Hesaplamak istiyoruz i_yük, şu anki R_yük. Direnç negatif olsa da, türevlerindeki hiçbir şey pozitif dirençler varsaymadığı için normal Kirchhoff yasaları hala geçerlidir. Giriş akımı, i_inDaha sonra dirençler tek bir direnç içinde birleştirilerek bulunur, R_in.

(48)

Daha sonra aradaki akıma bölünmüş bir oran uygularız R_yük ve -R - elde etmek

(49)

Dolayısıyla op-amp devresinin eklenmesinin etkisi yükteki akımı giriş voltajıyla orantılı hale getirmektir. Yük direncinin değerine bağlı değildir, R_yük. Bu nedenle akım, yük direncindeki değişikliklerden bağımsızdır. Op-amp devresi, yük direncini etkili bir şekilde iptal eder. Akım yükten bağımsız olduğundan ancak yalnızca giriş voltajına bağlı olduğundan, buna a denir. akım üreteci (veya voltaj-akım dönüştürücüsü).

Bu devrenin birçok uygulamaları arasında bir dc düzenlenmiş voltaj kaynağı. İzin verirsek v_in = E (bir sabit), üzerinden geçen R_yük varyasyonlarından bağımsız olarak sabittir R_yük.

BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıyı TINACloud devre simülatörü ile çevrimiçi olarak aşağıdaki bağlantıya tıklayarak analiz edin.

2 - Bağımlı Akım Jeneratör Devresi Simülasyonu

7.3 Akım-Voltaj Dönüştürücü

Şekil 19 - Akım-Voltaj dönüştürücü

Şekil (19) 'daki devre, giriş akımıyla orantılı bir çıkış voltajı üretir (bu aynı zamanda bir birlik kazançlı tersinir yükselteç). Bu devreyi ideal op-amp'lerin özelliklerini kullanarak analiz ediyoruz. Giriş terminallerindeki voltajları bulmak için çözüyoruz

(50)

Dolayısıyla çıkış voltajı, v_dışarı = -i_inR, giriş akımıyla orantılıdır, i_in.

BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıyı TINACloud devre simülatörü ile çevrimiçi olarak aşağıdaki bağlantıya tıklayarak analiz edin.

3 - Gerilim Dönüştürücü Devre Simülasyonuna Akım

7.4 Gerilim Akım Dönüştürücü

Şekil 20 - Akım dönüştürücüye voltaj

Figürün (20) devresi, voltaj-akım dönüştürücüsüdür. Bu devreyi şu şekilde analiz ediyoruz:

(51)

Denklemden (51) bulduğumuz,

(52)

Bu nedenle, yük akımı yük direncinden bağımsızdır, R_yükve uygulanan voltajla orantılıdır, v_in. Bu devre voltaj kontrollü bir akım kaynağı geliştirir. Bununla birlikte, bu devrenin pratik bir yetersizliği, yük direncinin her iki ucunun da topraklanamamasıdır.

Şekil 21 - Gerilim-akım dönüştürücü

Bu devreyi aşağıdaki gibi düğüm denklemlerini yazarak analiz ediyoruz:

(53)

Son eşitlik gerçeği kullanır v₊ = v_-. Bu denklemlerde beş bilinmeyen var (v₊, v_in, v_dışarı, v, ve i_yük). Biz ortadan kaldırır v₊ ve v_dışarı elde etmek üzere,

(54)

Yük akımı, i_yük, yükten bağımsız, R_yükve sadece voltaj farkının bir fonksiyonudur, (v_in - v).

BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıyı TINACloud devre simülatörü ile çevrimiçi olarak aşağıdaki bağlantıya tıklayarak analiz edin.

Akım Dönüştürücü Devre Simülasyonuna 4-Gerilim

Genelleştirilmiş Empedanslara Sahip 7.5 Ters Yükselteç

Şekil 22 - Direnç yerine genelleştirilmiş empedansın kullanımı

Denklem (17) ilişkisi, eğer dirençli olmayan bileşenleri içerecek şekilde kolayca genişletilebilir. R_j empedans ile değiştirilir, Z_j, ve R_F tarafından değiştirilir Z_F. Tek bir giriş için, Şekil 22 (a) 'da gösterildiği gibi, çıkış azalır.

(55)

Frekans alanında uğraştığımız için, gerilimler ve akımlar için büyük harfler kullanırız; karmaşık genlikler.

Denklem (55) tabanlı bir faydalı devre Miller entegratörüŞekil 22 (b) 'de gösterildiği gibi. Bu uygulamada, geri bildirim bileşeni bir kapasitördür, Cve giriş bileşeni bir dirençtir, R, yani

(56)

Denklemde (56), s  Laplace dönüşüm operatörüdür. Sinüzoidal sinyaller için  . Bu empedansları Denklem (55) ile değiştirdiğimizde,

(57)

Karmaşık frekans alanında, 1 / sn zaman alanındaki entegrasyona karşılık gelir. Bu bir ters çevirici entegratör çünkü ifade negatif bir işaret içeriyor. Dolayısıyla çıkış voltajı

(58)

nerede v_dışarı(0) ilk durumdur. Değeri v_dışarı kapasitör boyunca voltaj olarak geliştirilmiştir, C, bu zamanda t = 0. Kondansatörün gerilimi şarj etmesi için anahtar kapalıdır. v_dışarı(0) ve ardından t = 0 anahtar açık. 16 Bölümünde daha detaylı olarak tartıştığımız elektronik anahtarları kullanıyoruz. İlk koşulun sıfır olması durumunda anahtar, entegratörü zaman zaman sıfır çıkış voltajına sıfırlamak için hala kullanılır. t = 0.

Şekil 23 - Ters çeviren farklılaştırıcı örneği

Geri besleme elemanı bir direnç ise ve giriş elemanı Şekil (23) 'de gösterildiği gibi bir kapasitör ise, giriş-çıkış ilişkisi olur.

(59)

Zaman alanında, bu olur

(60)
BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıyı TINACloud devre simülatörü ile çevrimiçi olarak aşağıdaki bağlantıya tıklayarak analiz edin.

5- Bir tersine farklılaştırıcı Devre Simülasyonu Örneği

Devre bir farklılaştırıcıyı ters çevirme. Giriş kapasitörünün, Z_a = 1 / sC, için bir yol sağlamaz dc. Bu, bir sabitin türevi sıfır olduğu için sonucu etkilemez. Basit olması için, sinüzoidal bir giriş sinyali kullanalım. Yeniden Düzenleme Denklemi (59) ve bu devre için sayısal değerleri değiştirerek,

(61)

Giriş voltajı bu devre tarafından ters çevrilir (180 ° kayması) ve ardından ölçeklenir ve tekrar kaydırılır (90 ° tarafından j-operator) değerine göre RC'ler nerede .

Simülasyonun sonuçları, Şekil (24) 'de gösterilmiştir.

Şekil 24 - Farklılaştırıcıyı tersine çevirmek için simülasyon sonuçları

Giriş dalga biçimi 0.5 volt değerinde tepe yapar. Çıkış voltajı, 90 derece net kayma (gecikme) değerine sahiptir ve çıkış voltajı yaklaşık 0.314 volt değerinde yükselir. Bu, Denklem (61) sonucu ile iyi bir uyum içindedir.

Dalga formlarını, bu devrenin bir tersine çevirici farklılaştırıcı görevini yerine getirdiğini göstermek için de kullanabiliriz. Çıkış dalga biçiminin, giriş sinyalinin eğrisini bir sabit olarak temsil ettiğini gösterir. Sabit, devrenin voltaj kazancıdır. Giriş voltajı dalga biçimindeki en büyük değişim oranı, sıfır geçişinde meydana gelir. Bu, çıkış dalga formunun maksimum (veya minimum) değerine ulaştığı zamana karşılık gelir. Temsili bir nokta seçmek, time0.5 ms de demek ve grafik teknikleri kullanarak, giriş gerilimi dalga biçiminin eğimini şu şekilde hesaplamaktayız

(62)

Bu değişim oranını ölçeklendirme (yani, ) Denklem (60) 'e göre devre voltaj kazancı sayesinde pik çıkış voltajının

(63)

7.6 Analog Bilgisayar Uygulamaları

Bu bölümde, diferansiyel denklemleri çözmek için kullanılan bir analog bilgisayarı oluşturmak için yazlar ve birleştiriciler gibi birbirine bağlı op-amp devrelerinin kullanımını sunuyoruz. Birçok fiziksel sistem lineer diferansiyel denklemlerle tanımlanır ve bu nedenle analog bir bilgisayar yardımıyla sistem analiz edilebilir.

Şekil 25 - Analog bilgisayar uygulaması

Şimdi akım için i (t) 'yi Şekil 25'in devresinde çözelim. Giriş gerilimi sürüş işlevidir ve başlangıç ​​koşulları sıfırdır. Devre için diferansiyel denklemi şöyle yazıyoruz:

(64)

Şimdi di / dt için çözme, elde

(65)

T> 0 için biliyoruz,

(66)

Denklem (65) 'den görüyoruz ki -di / dt, ilk bütünleştirici amplifikatörün girişinde Şekil 26'te bulunan üç terimi toplayarak oluşturuluyor.

Şekil 26 - Şekil 25 için analog bilgisayar çözümü

Üç terim aşağıdaki gibi bulunur:

1. -V (t) / L sürüş fonksiyonu, v (t) 'yi tersine çeviren bir yazdan (Yaz) 1 / L kazancıyla geçirerek oluşturulur.
2. Ri / L, ilk birleştirici yükselticinin (Integrator 1) çıktısını alarak ve toplayıcı yükselticinin (Yaz) çıktısına yükselticinin girişine ekleyerek oluşturulur.
3. Dönem

(67)
ikinci entegratörün (Integrator 2) çıktısıdır. İşaretin değiştirilmesi gerektiğinden, yazıyı tersine çeviren birlik kazancıyla yazıyoruz (Yaz).
İlk entegratörün çıktısı, Denklem (66) 'den görüldüğü gibi + i'dir. Diferansiyel denklemdeki sabitler, analog bilgisayarın dirençlerinin ve kapasitörlerinin doğru seçimi ile belirlenir. Sıfır başlangıç ​​koşulları, Şekil 22 (b) 'de gösterildiği gibi kapasitörlerdeki anahtarlarla gerçekleştirilir.

7.7 Non-Inverting Miller Tümleştirici

Şekil 27 - Ters çevirmeyen entegratör

Tersine dönmeyen bir entegratör geliştirmek için önceki bölümün bağımlı akım jeneratörünün bir modifikasyonunu kullanıyoruz. Devre, Şekil 27'te gösterildiği gibi yapılandırılmıştır.
Bu, Şekil 21'in devresine benzer, ancak yük direnci bir kapasitans ile değiştirilmiştir. Şimdi akımı bulduk, Iload. Ters voltaj, V, Vo ve V- arasındaki voltaj bölümünden aşağıdaki gibi bulunur:

(68)

V + = V- 'dan beri çözüp buluruz
IL = Vin / R. Bunu not et

(69)

Laplace dönüşüm operatörü nerede? Vout / Vin işlevi o zaman

(70)

Böylece, zaman alanında elimizde

(71)

Bu nedenle devre, ters çevirici olmayan bir entegratördür.

BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıyı TINACloud devre simülatörü ile çevrimiçi olarak aşağıdaki bağlantıya tıklayarak analiz edin.

6-İnvertör Olmayan Entegratör Devre Simülasyonu

ÖZET

İşlemsel yükselteç, elektronik sistemler için çok faydalı bir yapı taşıdır. Gerçek amplifikatör, neredeyse çok yüksek kazançlı ve neredeyse sonsuz giriş empedanslı ideal bir amplifikatör olarak çalışır. Bu sebeple devre bileşenlerini aynı şekilde ele alabiliriz. Yani, dahili operasyonu ve elektronik özellikleri incelemeden önce amplifikatörü kullanışlı konfigürasyonlara dahil edebiliyoruz. Terminal özelliklerini tanıyarak, amplifikatörleri ve diğer faydalı devreleri yapılandırabiliriz.
Bu bölüm ideal işlemsel yükselteç analizi ve bağımlı kaynaklar kullanan eşdeğer devre modellerinin geliştirilmesi ile başlamıştır. Bu bölümde daha önce okuduğumuz bağımlı kaynaklar, bu metinde incelediğimiz elektronik cihazların çoğu için eşdeğer devrelerin yapı taşlarını oluşturur.
Daha sonra op-amp'i bir ters yükselticiye, ters çevirmeyen bir yükselticiye ve bir çoklu giriş yükselticisine dönüştürmek için gereken harici bağlantıları araştırdık. Eşzamanlı denklemlerin büyük sistemlerini çözme ihtiyacını ortadan kaldıran kullanışlı bir tasarım tekniği geliştirdik.
Son olarak, op-amp'in, negatif empedanslara eşdeğer devreler (pozitif empedansların etkilerini iptal etmek için kullanılabilir), entegratörler ve farklılaştırıcılar da dahil olmak üzere çeşitli daha karmaşık devreler oluşturmak için nasıl kullanılabileceğini gördük.

ÖNCEKİ - 6. OP-AMP DEVRELERİN TASARIMI

SONRAKİ - 1. İdeal op-amper