KHAI THÁC. Các ứng dụng Op-amp khác

ỨNG DỤNG

Phân tích mạch trực tuyến sau với trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

1- Mô phỏng mạch trở kháng âm

Máy phát điện phụ thuộc 7.2

Hình 18 - Trình tạo dòng điện phụ thuộc

Giả sử chúng ta để R_F = R_A. Phương trình (47) sau đó chỉ ra rằng điện trở đầu vào của mạch op-amp (được đặt trong hộp nét đứt) là -R. Sau đó, mạch đầu vào có thể được đơn giản hóa như trong hình 18 (b). Chúng tôi muốn tính toán i_tải, hiện tại trong R_tải. Mặc dù điện trở là âm, các định luật Kirchhoff bình thường vẫn được áp dụng vì không có gì trong các suy ra của chúng giả định điện trở dương. Dòng điện đầu vào, i_in, sau đó được tìm thấy bằng cách kết hợp các điện trở thành một điện trở duy nhất, R_in.

(48)

Sau đó, chúng tôi áp dụng tỷ lệ chia hiện tại cho phân chia hiện tại giữa R_tải và -R để được

(49)

Do đó, tác dụng của việc bổ sung mạch op-amp là làm cho dòng điện trong tải tỷ lệ với điện áp đầu vào. Nó không phụ thuộc vào giá trị của điện trở tải, R_tải. Do đó, hiện tại là độc lập với những thay đổi trong điện trở tải. Mạch op-amp có hiệu quả hủy bỏ điện trở tải. Vì dòng điện không phụ thuộc vào tải nhưng chỉ phụ thuộc vào điện áp đầu vào, chúng tôi gọi đây là máy phát điện hiện tại (hoặc bộ chuyển đổi điện áp-hiện tại).

Trong số nhiều ứng dụng của mạch này là một dc quy định nguồn điện áp. Nếu chúng ta để v_in = E (một hằng số), dòng điện qua R_tải là hằng số độc lập với các biến thể của R_tải.

ỨNG DỤNG

Phân tích mạch trực tuyến sau với trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

2- Mô phỏng mạch tạo dòng phụ thuộc

Bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp 7.3

Hình 19 - Bộ chuyển đổi dòng điện thành điện áp

Mạch hình (19) tạo ra điện áp đầu ra tỷ lệ với dòng điện đầu vào (đây cũng có thể được xem như bộ khuếch đại đảo ngược đạt được). Chúng tôi phân tích mạch này bằng cách sử dụng các đặc tính của op-amps lý tưởng. Chúng tôi giải quyết các điện áp ở các thiết bị đầu cuối đầu vào để tìm

(50)

Do đó, điện áp đầu ra, v_ra = -i_inR, tỷ lệ thuận với dòng điện đầu vào, i_in.

ỨNG DỤNG

Phân tích mạch trực tuyến sau với trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

3- Mô phỏng mạch chuyển đổi dòng điện sang điện áp

Bộ chuyển đổi điện áp-hiện tại 7.4

Hình 20 - Bộ chuyển đổi điện áp sang dòng điện

Mạch của hình (20), là một bộ chuyển đổi điện áp thành dòng. Chúng tôi phân tích mạch này như sau:

(51)

Từ phương trình (51), chúng tôi tìm thấy,

(52)

Do đó, dòng tải độc lập với điện trở tải, R_tảivà tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào v_in. Mạch này phát triển một nguồn hiện tại kiểm soát điện áp. Tuy nhiên, một thiếu sót thực tế của mạch này là không có đầu nối nào của điện trở tải có thể được nối đất.

Hình 21 - Bộ chuyển đổi điện áp thành dòng

Chúng tôi phân tích mạch này bằng cách viết phương trình nút như sau:

(53)

Bình đẳng cuối cùng sử dụng thực tế là v₊ = v_–. Có năm ẩn số trong các phương trình này (v₊, v_in, v_ra, vvà i_tải). Chúng tôi loại bỏ v₊ và v_ra để có được,

(54)

Dòng tải, i_tải, không phụ thuộc vào tải R_tảivà chỉ là một hàm của chênh lệch điện áp, (v_in - v).

ỨNG DỤNG

Phân tích mạch trực tuyến sau với trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

4-Điện áp mô phỏng mạch chuyển đổi hiện tại

Bộ khuếch đại đảo ngược 7.5 với các trở kháng tổng quát

Hình 22 - Sử dụng trở kháng tổng quát thay cho điện trở

Mối quan hệ của phương trình (17) dễ dàng được mở rộng để bao gồm các thành phần không điện trở nếu R_j được thay thế bằng một trở kháng, Z_jvà R_F được thay thế bởi Z_F. Đối với một đầu vào, như trong Hình 22 (a), đầu ra giảm xuống còn

(55)

Vì chúng ta đang kinh doanh trong miền tần số, chúng ta sử dụng các chữ cái viết hoa cho các điện áp và dòng điện, do đó đại diện cho biên độ phức tạp.

Một mạch hữu ích dựa trên phương trình (55) là Nhà tích hợp Miller, như trong hình 22 (b). Trong ứng dụng này, thành phần phản hồi là một tụ điện, Cvà thành phần đầu vào là một điện trở, R, Vì vậy

(56)

Trong phương trình (56), s  là toán tử biến đổi Laplace. Đối với tín hiệu hình sin,  . Khi chúng ta thay thế các trở kháng này thành phương trình (55), chúng ta có được

(57)

Trong miền tần số phức tạp, 1 / s tương ứng với tích hợp trong miền thời gian. Đây là tích hợp đảo ngược bởi vì biểu thức chứa một dấu âm. Do đó điện áp đầu ra là

(58)

Ở đâu v_ra(0) là điều kiện ban đầu. Giá trị của v_ra được phát triển như điện áp trên tụ điện, C, tại thời điểm t = KHAI THÁC. Công tắc được đóng để sạc tụ điện với điện áp v_ra(0) và sau đó tại t = 0 công tắc đang mở. Chúng tôi sử dụng các công tắc điện tử, mà chúng tôi thảo luận đầy đủ hơn trong Chương 16. Trong trường hợp điều kiện ban đầu bằng 0, công tắc vẫn được sử dụng để đặt lại bộ tích phân về điện áp đầu ra bằng 0 tại thời điểm t = 0.

Hình 23 - Ví dụ về bộ phân biệt đảo ngược

Nếu phần tử phản hồi là một điện trở và phần tử đầu vào là một tụ điện, như trong Hình (23), mối quan hệ đầu vào-đầu ra trở thành

(59)

Trong miền thời gian, điều này trở thành

(60)
ỨNG DỤNG

Phân tích mạch trực tuyến sau với trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

5- Ví dụ về mô phỏng mạch phân biệt ngược

Mạch đang hoạt động như một đảo ngược sự khác biệt. Lưu ý rằng các tụ điện đầu vào, Z_a = 1 / sC, không cung cấp một đường dẫn cho dc. Điều này không ảnh hưởng đến kết quả vì đạo hàm của hằng số bằng không. Để đơn giản, hãy sử dụng tín hiệu đầu vào hình sin. Sắp xếp lại phương trình (59) và thay thế các giá trị số cho mạch này, chúng tôi thu được

(61)

Điện áp đầu vào được đảo ngược (180 ° shift) bởi mạch này và sau đó được thu nhỏ lại và dịch chuyển lại (90 ° bởi j-operator) theo giá trị của RC Ở đâu .

Kết quả mô phỏng được hiển thị trong Hình (24).

Hình 24 - Kết quả mô phỏng để đảo ngược bộ phân biệt

Các đỉnh dạng sóng đầu vào ở mức 0.5. Điện áp đầu ra có độ dịch chuyển ròng (độ trễ) là 90 độ và đỉnh điện áp đầu ra ở mức xấp xỉ 0.314. Điều này phù hợp với kết quả của phương trình (61).

Chúng tôi cũng có thể sử dụng các dạng sóng để chỉ ra rằng mạch này thực hiện nhiệm vụ của một bộ phân biệt đảo ngược. Chúng tôi sẽ xác nhận rằng dạng sóng đầu ra biểu thị độ dốc của tín hiệu đầu vào nhân với hằng số. Hằng số là mức tăng điện áp của mạch. Tốc độ thay đổi lớn nhất của dạng sóng điện áp đầu vào xảy ra ở giao thoa 0 của nó. Điều này tương ứng với thời gian mà dạng sóng đầu ra đạt đến mức tối đa (hoặc tối thiểu). Chọn một điểm đại diện, giả sử tại time0.5 ms và sử dụng các kỹ thuật đồ họa, chúng tôi tính độ dốc của dạng sóng điện áp đầu vào là

(62)

Mở rộng tỷ lệ thay đổi này (nghĩa là ) bằng cách tăng điện áp mạch theo phương trình (60), chúng tôi hy vọng điện áp đầu ra cực đại sẽ là

(63)

Ứng dụng máy tính tương tự 7.6

Trong phần này chúng tôi trình bày việc sử dụng các mạch op-amp được kết nối với nhau, chẳng hạn như bộ tổng hợp và bộ tích hợp, để tạo thành một máy tính tương tự được sử dụng để giải các phương trình vi phân. Nhiều hệ thống vật lý được mô tả bằng các phương trình vi phân tuyến tính và do đó hệ thống có thể được phân tích với sự trợ giúp của một máy tính tương tự.

Hình 25 - Ứng dụng máy tính tương tự

Hãy để chúng tôi giải quyết cho hiện tại, i (t), trong mạch của Hình 25. Điện áp đầu vào là chức năng lái xe và các điều kiện ban đầu bằng không. Chúng ta viết phương trình vi phân cho mạch như sau:

(64)

Bây giờ giải quyết cho di / dt, chúng tôi có được

(65)

Chúng tôi biết rằng với t> 0,

(66)

Từ phương trình (65), chúng ta thấy rằng -di / dt được hình thành bằng cách tính tổng ba thuật ngữ, được tìm thấy trên Hình 26 ở đầu vào cho bộ khuếch đại tích hợp đầu tiên.

Hình 26 - Giải pháp máy tính tương tự cho Hình 25

Ba thuật ngữ được tìm thấy như sau:

KHAI THÁC. Hàm lái xe, -v (t) / L, được hình thành bằng cách chuyển v (t) qua một mùa hè đảo ngược (Mùa hè) với mức tăng, 1 / L.
KHAI THÁC. Ri / L được hình thành bằng cách lấy đầu ra của bộ khuếch đại tích hợp đầu tiên (Integrator 2) và thêm nó ở đầu vào bộ khuếch đại vào đầu ra của bộ khuếch đại tổng hợp (Mùa hè).
KHAI THÁC. Thuật ngữ

(67)
là đầu ra của bộ tích phân thứ hai (Integrator 2). Vì dấu hiệu phải được thay đổi, chúng tôi tổng hợp nó với lợi ích thống nhất đảo ngược mùa hè (Mùa hè).
Đầu ra của bộ tích phân đầu tiên là + i, như được thấy từ phương trình (66). Các hằng số trong phương trình vi phân được thiết lập bằng cách lựa chọn đúng các điện trở và tụ điện của máy tính tương tự. Không có điều kiện ban đầu nào được thực hiện bằng các công tắc trên các tụ điện, như trong hình 22 (b).

Công cụ tích hợp Miller không đảo ngược

Hình 27 - Bộ tích hợp không đảo

Chúng tôi sử dụng một sửa đổi của trình tạo hiện tại phụ thuộc của phần trước để phát triển một bộ tích hợp không đảo. Mạch được cấu hình như trong hình 27.
Điều này tương tự như mạch của Hình 21, nhưng điện trở tải đã được thay thế bằng điện dung. Bây giờ chúng ta tìm thấy hiện tại, Iload. Điện áp nghịch đảo, V-, được tìm thấy từ sự phân chia điện áp giữa Vo và V- như sau:

(68)

Vì V + = V-, chúng tôi giải quyết và tìm
IL = Vin / R. Lưu ý rằng

(69)

Trong đó s là toán tử biến đổi Laplace. Chức năng Vout / Vin là sau đó

(70)

Như vậy, trong miền thời gian chúng ta có

(71)

Do đó, mạch là một tích hợp không đảo.

ỨNG DỤNG

Phân tích mạch trực tuyến sau với trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

6 - Mô phỏng mạch tích hợp không đảo

TÓM TẮT

Bộ khuếch đại hoạt động là một khối xây dựng rất hữu ích cho các hệ thống điện tử. Bộ khuếch đại thực sự hoạt động gần như một bộ khuếch đại lý tưởng với mức tăng rất cao và trở kháng đầu vào gần như vô hạn. Vì lý do này, chúng ta có thể xử lý nó giống như cách chúng ta xử lý các thành phần mạch. Đó là, chúng tôi có thể kết hợp bộ khuếch đại vào các cấu hình hữu ích trước khi nghiên cứu hoạt động bên trong và các đặc tính điện tử. Bằng cách nhận ra các đặc điểm của thiết bị đầu cuối, chúng tôi có thể định cấu hình bộ khuếch đại và các mạch hữu ích khác.
Chương này bắt đầu với một phân tích về bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng và với sự phát triển của các mô hình mạch tương đương sử dụng các nguồn phụ thuộc. Các nguồn phụ thuộc mà chúng tôi đã nghiên cứu sớm trong chương này tạo thành các khối xây dựng của các mạch tương đương cho nhiều thiết bị điện tử mà chúng tôi nghiên cứu trong văn bản này.
Sau đó, chúng tôi đã khám phá các kết nối bên ngoài cần thiết để biến op-amp thành bộ khuếch đại đảo ngược, bộ khuếch đại không đảo và bộ khuếch đại nhiều đầu vào. Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật thiết kế thuận tiện loại bỏ nhu cầu giải các hệ phương trình lớn đồng thời.
Cuối cùng, chúng ta đã thấy cách op-amp có thể được sử dụng để xây dựng nhiều loại mạch phức tạp hơn, bao gồm cả các mạch tương đương với trở kháng âm (có thể được sử dụng để loại bỏ các tác động của trở kháng dương), bộ tích hợp và bộ phân biệt.

TRƯỚC-6. THIẾT KẾ MẠCH OP-AMP

TIẾP THEO- 1. Op-amps lý tưởng