Litar OpAmp Maklum Balas negatif AC

#140: Basics of an Op Amp Summing Amplifier (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Litar OpAmp Maklum Balas negatif AC

Litar Bersepadu Analog


soalan 1

Jangan hanya duduk di sana! Bina sesuatu !!

Belajar menganalisis litar memerlukan banyak kajian dan amalan. Lazimnya, pelajar mengamalkan dengan bekerja melalui banyak masalah sampel dan menyemak jawapan mereka terhadap yang disediakan oleh buku teks atau pengajar. Walaupun ini bagus, ada cara yang lebih baik.

Anda akan belajar lebih banyak dengan sebenarnya membina dan menganalisis litar sebenar, membiarkan peralatan ujian anda memberikan "jawaban" daripada buku atau orang lain. Untuk latihan pembinaan litar yang berjaya, ikuti langkah berikut:

  1. Berhati-hati mengukur dan merekod semua nilai komponen sebelum pembinaan litar.
  2. Lukis gambarajah skematik litar untuk dianalisis.
  3. Berhati-hati membina litar ini pada papan roti atau medium mudah lain.
  4. Periksa ketepatan pembinaan litar, mengikuti setiap wayar ke setiap titik sambungan, dan mengesahkan unsur-unsur ini satu demi satu pada rajah.
  5. Matematik menganalisis litar, menyelesaikan semua voltan dan nilai semasa.
  6. Berhati-hati mengukur semua voltan dan arus, untuk mengesahkan ketepatan analisis anda.
  7. Sekiranya terdapat sebarang kesilapan besar (lebih daripada beberapa peratus), semak dengan teliti memeriksa pembinaan litar anda terhadap gambarajah, kemudian berhati-hati mengira semula nilai-nilai dan mengukur semula.

Elakkan menggunakan model 741 op-amp, melainkan jika anda mahu mencabar kemahiran reka bentuk litar anda. Terdapat lebih banyak model op-amp yang biasa tersedia untuk pemula. Saya cadangkan LM324 untuk DC dan rangkaian frekuensi rendah AC, dan TL082 untuk projek AC yang melibatkan audio atau frekuensi yang lebih tinggi.

Seperti biasa, elakkan nilai resistor yang sangat tinggi dan sangat rendah, untuk mengelakkan kesilapan pengukuran yang disebabkan oleh "beban" meter. Saya cadangkan nilai resistor antara 1 kΩ dan 100 kΩ.

Salah satu cara anda boleh menjimatkan masa dan mengurangkan kemungkinan kesilapan adalah dengan memulakan litar yang sangat mudah dan menambahkan secara tambahan komponen untuk meningkatkan kerumitannya selepas setiap analisis, dan bukannya membina litar baru untuk setiap masalah amalan. Satu lagi teknik penjimatan masa adalah untuk menggunakan semula komponen yang sama dalam pelbagai konfigurasi litar yang berbeza. Dengan cara ini, anda tidak perlu mengukur sebarang nilai komponen lebih daripada satu kali.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Biarkan elektron itu sendiri memberi anda jawapan kepada "masalah praktik" anda sendiri!

Nota:

Telah menjadi pengalaman saya bahawa pelajar memerlukan banyak latihan dengan analisis litar untuk menjadi mahir. Untuk tujuan ini, para pengajar biasanya memberikan pelajar mereka dengan banyak masalah amalan untuk bekerja, dan memberi jawapan kepada pelajar untuk memeriksa kerja mereka. Walaupun pendekatan ini menjadikan pelajar mahir dalam teori litar, ia gagal mendidik mereka sepenuhnya.

Pelajar tidak hanya memerlukan amalan matematik. Mereka juga memerlukan litar bangunan amalan sebenar dan menggunakan peralatan ujian. Oleh itu, saya cadangkan pendekatan alternatif berikut: pelajar perlu membina "masalah amalan" mereka sendiri dengan komponen sebenar, dan cuba meramal secara matematik pelbagai nilai voltan dan semasa. Dengan cara ini, teori matematik "menjadi hidup, " dan pelajar memperoleh kecekapan praktikal yang tidak mereka dapat semata-mata dengan menyelesaikan persamaan.

Satu lagi sebab untuk mengikuti kaedah amalan ini adalah untuk mengajar pelajar kaedah saintifik : proses menguji hipotesis (dalam kes ini, ramalan matematik) dengan melakukan eksperimen yang sebenar. Pelajar juga akan membangunkan kemahiran penyelesaian masalah yang sebenar kerana mereka kadang-kadang membuat kesalahan pembinaan litar.

Luangkan sedikit masa bersama kelas anda untuk mengkaji semula beberapa "peraturan" untuk membina litar sebelum mereka mula. Bincangkan isu-isu ini dengan pelajar anda dengan cara Socratic yang sama yang anda biasanya akan membincangkan soalan-soalan lembaran kerja, dan bukan sekadar memberitahu mereka apa yang patut dan tidak patut dilakukan. Saya tidak pernah kagum dengan betapa pelajar yang lemah memahami arahan apabila dibentangkan dalam format kuliah tipikal (instruktur monolog)!

Nota kepada pengajar yang mungkin mengadu tentang masa "sia-sia" yang diperlukan untuk membolehkan pelajar membina litar sebenar dan bukan hanya menganalisis litar teori secara matematik:

Apakah maksud pelajar mengambil kursus "panel kerja panel panel lalai" anda?

Soalan 2

Dalam litar penguat transistor yang sama, kehadiran kapasitans antara terminal pemungut dan pangkalan - sama ada intrinsik kepada transistor atau disambungkan secara luaran - mempunyai kesan memutarkan litar penguat ke dalam penapis lulus rendah, dengan peningkatan voltan yang berkadar songsang kekerapan:

Terangkan mengapa ini. Kenapa, betul, kapasitans yang diletakkan di lokasi ini menjejaskan keuntungan voltan "# 2"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kapasiti menyediakan laluan bagi isyarat maklum balas AC untuk pergi dari pengumpul ke pangkalan. Memandangkan hubungan fasa terbalik antara voltan pemungut dan voltan asas, maklum balas ini degeneratif.

Nota:

Pelajar perlu sedar bahawa ini bukan soalan hipotesis. Kapasiti intrinsik sememangnya wujud di antara pengumpul dan pangkalan transistor junction bipolar (dipanggil kapasiti Miller ), dan ini mempunyai kesan degenerasi ke atas peningkatan voltan dengan peningkatan kekerapan. Jika masa membenarkan, anda mungkin ingin membincangkan bagaimana konfigurasi penguat umum dan pangkalan penguat umum secara semula jadi mengelakkan masalah ini.

Soalan 3

Antara litar penguat berikut, yang mana paling akan dipengaruhi oleh kapasitansi pengumpul asas (ditunjukkan di sini sebagai kapasitor 10 pF yang disambungkan secara luaran) apabila peningkatan frekuensi? Terangkan mengapa.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Penguat dengan rintangan pengumpul yang lebih besar akan lebih terjejas oleh kapasitansi maklum balas, kerana keuntungan voltan secara semulajadi yang lebih besar menghasilkan isyarat voltan yang lebih besar untuk diberi makan kembali ke pangkalan, untuk sebarang tahap isyarat input.

Nota:

Tujuan dari soalan ini adalah untuk mendapatkan pelajar melihat, pada tahap komponen yang diskret, bahawa untuk penguat pemancar biasa terdapat tradeoff antara keuntungan maksimum dan frekuensi operasi maksimum. Soalan ini menggambarkan konsep Gain-Bandwidth Product (GBW) dalam litar penguat operasi.

Soalan 4

Masalah biasa yang dihadapi dalam pembangunan litar penguat transistor adalah ayunan yang tidak diingini yang terhasil daripada kapasitans parasit dan induktans membentuk gelung umpan balik positif dari output ke input. Selalunya, parameter parasit ini agak kecil (nanohenrys dan picofarads), menyebabkan frekuensi ayunan yang sangat tinggi.

Satu lagi kesan parasit dalam litar penguat transistor ialah kapasiti Miller-effect kapasiti antara terminal transistor. Bagi litar pemancar biasa, kapasitansi pengumpul asas (C BC ) amat menyusahkan kerana ia memperkenalkan laluan maklum balas untuk isyarat AC untuk bergerak terus dari output (terminal pengumpul) ke input (terminal asas).

Adakah kapasitansi asas-ke-pengumpul parasit ini menggalakkan atau tidak menggalakkan ayunan frekuensi tinggi dalam litar penguat pemancar biasa "# 4"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kehadiran C BC dalam litar pemancar bersama mengurangkan rentetan frekuensi tinggi.

Nota:

Perhatikan bahawa saya memilih untuk menggunakan perkataan "mitigate" dan bukannya memberikan jawapan dalam bahasa Inggeris yang lebih jelas. Sebahagian daripada penalaran saya di sini adalah untuk jilid jawapan yang diberikan dari pemahaman segera supaya pelajar berfikir sedikit lebih. Satu lagi bahagian penalaran saya adalah memaksa perbendaharaan kata para pelajar untuk berkembang.

Soalan 5

Seorang pelajar menghubungkan model penguat operasi CA3130 sebagai pengikut voltan (atau penimbal voltan), yang merupakan jenis paling mudah bagi litar op-amp umpan balik negatif yang mungkin:

Dengan input bukan penyongsangan yang disambungkan ke tanah (titik tengah di pembahagi + 6 / -6 volt bekalan kuasa), pelajar menjangkakan untuk mengukur 0 volt DC pada output op-amp. Inilah yang mendaftar DC voltmeter, tetapi apabila ditetapkan ke AC, ia mencatat voltan AC yang besar!

Sekarang ini pelik. Bagaimanakah penimbal voltan mudah keluaran berselang-seli apabila arasnya diasaskan dan bekalan kuasa adalah tulen DC "# 5"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sesetengah op-amp sememangnya tidak stabil apabila dikendalikan dalam mod negatif-maklum balas, dan akan beralih pada mereka sendiri melainkan "pampasan fasa" oleh kapasitor luaran.

Soalan susulan: Adakah terdapat sebarang aplikasi op-amp seperti CA3130 di mana kapasitor pampasan tidak diperlukan, atau lebih teruk lagi akan menjadi halangan bagi operasi litar yang berjaya? Petunjuk: beberapa model op-amp (seperti model 741) mempunyai kapasitor pampasan terbina dalam!

Nota:

Pelajar anda sepatutnya meneliti lembaran data untuk op-amp CA3130 untuk mencari jawapan kepada soalan ini. Tanya kepada mereka apa yang mereka dapati! Terminal yang mana pada op-amp CA3130 adakah anda menyambung kapasitor antara? Saiz kapasitor apa yang sesuai untuk tujuan ini?

Memandangkan fakta bahawa beberapa model op-amp dilengkapi dengan kapasitor pampasan terbina dalamnya, apakah ini memberitahu kita tentang keperluan CA3130 untuk kapasitor luaran? Kenapa tidak pengeluar hanya menggabungkan kapasitor pampasan ke dalam litar CA3130 seperti yang mereka lakukan dengan 741? Atau, untuk frasa pertanyaan lebih lanjut, tanyakan kepada pelajar anda untuk menerangkan apa kelemahan yang terdapat dalam menghubungkan kapasitor pampasan kepada op-amp.

Soalan 6

Sesetengah penguat operasi dilengkapi dengan kapasitor pampasan yang dibina di dalamnya. Reka bentuk klasik 741 adalah satu opamp seperti:

Cari pampasan pampasan dalam gambarajah skematik ini, dan kenalpasti bagaimana ia memberikan maklum balas negatif yang bergantung kepada frekuensi dalam opamp untuk mengurangkan keuntungan pada frekuensi tinggi.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Mengenal pasti kapasitor adalah mudah: ia adalah satu-satunya di seluruh litar! Ia pasangan isyarat dari pengumpul Q 17, yang merupakan penguat pemancar biasa yang aktif, ke pangkalan Q 16, yang merupakan pemacu emitor pengikut Q 17 . Oleh kerana Q 17 mengalihkan isyarat yang digunakan pada asas Q 16, maklum balas itu degeneratif.

Nota:

Menjawab soalan ini memerlukan kajian semula teori penguat transistor asas, konfigurasi khusus dari penguat transistor dan hubungan fasa isyarat masing-masing.

Soalan 7

Sesetengah penguat operasi adalah pampasan dalaman, sementara yang lain adalah pampasan secara luaran . Terangkan perbezaan di antara keduanya. Petunjuk: contoh masing-masing termasuk penguat operasi LM741 dan LM101 klasik. Menyelidiki lembaran data masing-masing untuk melihat apa yang anda dapati atas pampasan!

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Perbezaannya adalah lokasi fizikal kapasitor pemampat, sama ada ia adalah sebahagian daripada litar bersepadu atau luarannya.

Soalan susulan: tunjukkan bagaimana kapasitor pampasan luar boleh disambungkan ke opamp seperti LM101.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menjelaskan mengapa kami mungkin menggunakan sama ada jenis opamp semasa membina litar. Dalam apa aplikasi yang mereka fikir opamp pampasan dalaman akan menjadi lebih baik, dan dalam apa aplikasi yang mereka fikir opamp pampasan luar akan lebih baik "panel kerja lalai panel kerja-lalai"

Soalan 8

Tentukan "Produk Jalur Gain-Bandwidth" (GBW) sebagai istilah untuk penguat operasi.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Produk GBW adalah nilai malar untuk penguat operasi yang paling, sama dengan keuntungan gelung terbuka opamp didarab dengan kekerapan isyarat pada keuntungan itu.

Nota:

Terdapat cara lain untuk menentukan Produk Gain-Bandwidth, jadi jangan terkejut jika pelajar mengemukakan definisi alternatif semasa masa perbincangan.

Soalan 9

Tentukan "Bandwidth Unity-Gain" (B 1 ) kerana istilah ini digunakan untuk penguat operasi.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Bandwidth Unity-Gain adalah kekerapan di mana gain voltan gelung terbuka penguat operasi adalah sama dengan 1.

Nota:

Ia tidak memerlukan banyak wawasan untuk mengiktiraf bahawa jalur lebar unity-gain (B1) dan gain-bandwidth product (GBW) adalah perkara yang sama. Ini akan menjadi titik yang baik untuk muncul (dalam bentuk soalan!) Untuk pelajar anda jika anda telah membincangkan GBW.

Soalan 10

Terangkan kesan bahawa kapasitan pampasan mempunyai pada produk jalur lebar penguat operasi (GBW). Adakah kapasitansi pampasan yang lebih besar menghasilkan GBW atau GBW yang lebih rendah, dan mengapa?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Semakin besar kapasitansi pampasan dalam op-amp (sama ada secara dalaman, atau berkaitan secara luaran), semakin kurang produk GBW.

Nota:

Dalam soalan ini, aspek yang sangat penting bukanlah jawapan yang diberikan. Apa yang penting di sini ialah pelajar memahami apa produk GBW, dan bagaimana ia dipengaruhi oleh perkara ini yang kita panggil "kapasitansi pampasan" (topik penyelidikan yang lain). Matlamat di sini adalah untuk mendapatkan pelajar untuk mengkaji konsep-konsep ini dan menghubungkannya bersama-sama, jadi jangan puas dengan apa jawapan pelajar yang hanya menyatakan semula jawapan yang diberikan di sini! Minta pelajar untuk menerangkan apa istilah dan konsep ini, dan untuk menjelaskan mengapa produk GBW berkurangan dengan peningkatan C comp .

Soalan 11

Parameter prestasi AC yang penting untuk penguat operasi ialah kadar lipat . Jelaskan apa yang "membunuh kadar", dan apa yang menyebabkan ia kurang daripada optimum untuk opamp.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kadar slew adalah kadar maksimum perubahan voltan keluaran dari masa ke masa ((dv / dt) | max ) yang dapat dilakukan opamp.

Persoalan susulan: apakah bentuk gelombang keluaran suatu opamp kelihatan seperti jika ia cuba untuk menguatkan isyarat gelombang persegi dengan kekerapan dan amplitud melebihi kadar pembawa penguat?

Nota:

Soalan susulan adalah sangat penting, kerana ia meminta pelajar untuk menggunakan konsep maksimum (dv / dt) ke waveshapes sebenar. Ini sering dibincangkan oleh buku teks pengantar, jadi ia tidak sepatutnya sukar bagi pelajar untuk mencari maklumat yang baik untuk membantu mereka merumuskan jawapan.

Soalan 12

Ia menyerang sesetengah pelajar sebagai ganjil bahawa opamps akan mempunyai kadar pemotongan malar. Iaitu, apabila tertakluk kepada voltan input perubahan langkah, voltan keluaran opamp akan dengan cepat melangkah secara linear dari masa ke masa, bukannya tanjakan dengan cara lain (seperti lengkung eksponen terbalik dilihat dalam litar pulse RC dan RL):

Namun, kesan ini mempunyai sebab yang pasti, dan ia didapati dalam reka bentuk litar dalaman opamp: peringkat pendaraban voltan dalam litar penguat operasi sering menggunakan beban aktif untuk meningkatkan voltan. Contoh pemuatan aktif boleh dilihat dalam rajah skematik berikut untuk opamp 741 klasik, di mana transistor Q 9 bertindak sebagai beban aktif untuk transistor Q 10, dan di mana transistor Q 13 menyediakan beban aktif bagi transistor Q 17 :

Terangkan bagaimana beban aktif menghasilkan kadar pemalar yang berterusan yang ditunjukkan oleh litar penguat operasi seperti 741. Faktor apa yang merujuk kepada voltan linear yang ramping dari masa ke masa "# 12"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Beban aktif bertindak sebagai sumber berterusan semasa yang memakan arus malar (maksimum) melalui sebarang kapasitinya dalam perjalanan mereka. Ini membawa kepada kadar malar (dv / dt) mengikut persamaan "Ohm's Law" untuk kapasitor:

i = C dv


dt

Persoalan susulan: berdasarkan apa yang anda lihat di sini, tentukan parameter apa yang boleh diubah dalam litar dalaman penguat operasi untuk meningkatkan kadar pemotongan.

Nota:

Soalan ini memberikan tinjauan yang baik terhadap tingkah laku kapasitor asas, dan juga menjelaskan mengapa opamps telah membunuh kadar seperti yang mereka lakukan.

Soalan 13

Hitung impedans (dalam bentuk nombor kompleks) "dilihat" oleh sumber isyarat AC kerana ia memacu litar penyepadu pasif di sebelah kiri, dan litar integrator aktif di sebelah kanan. Dalam kedua-dua kes, anggap tiada apa-apa yang berkaitan dengan terminal V keluar :

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nota:

Perkara yang paling penting untuk dipelajari di sini adalah bahawa opamp "mengasingkan" sumber isyarat daripada impedans apa yang ada dalam gelung umpan balik, supaya impedans input (dalam kes ini, perintang 10 kΩ) adalah satu-satunya galangan "dilihat" untuk sumber itu. Ini mempunyai kesan mendalam pada hubungan fasa antara isyarat keluaran dan isyarat masukan.

Soalan 14

Hitung sudut fasa semasa yang dikeluarkan dari sumber isyarat AC kerana ia memacu litar integrator pasif di sebelah kiri, dan litar integrator aktif di sebelah kanan. Dalam kedua-dua kes, anggap tiada apa-apa yang berkaitan dengan terminal V keluar :

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Θ = 46.7 o untuk arus penyepadu pasif, manakala Θ = 0 o untuk litar penyepadu aktif.

Nota:

Perkara yang paling penting untuk dipelajari di sini adalah bahawa opamp "mengasingkan" sumber isyarat daripada impedans apa yang ada dalam gelung umpan balik, supaya impedans input (dalam kes ini, perintang 10 kΩ) adalah satu-satunya galangan "dilihat" untuk sumber itu. Ini mempunyai kesan mendalam pada hubungan fasa antara isyarat keluaran dan isyarat masukan.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →