Litar OpAmp Maklum Balas Negatif

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

$config[ads_text] not found
Anonim

Litar OpAmp Maklum Balas Negatif

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 untuk 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 terkejut melihat betapa lemahnya pelajar 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

Keuntungan voltan penguat tunggal berakhir dengan nisbah voltan keluaran ke voltan masukan:

A V = V keluar


V dalam

Selalunya keuntungan voltan ditakrifkan secara lebih khusus kerana nisbah perubahan voltan output kepada perubahan voltan input. Ini umumnya dikenali sebagai keuntungan voltan AC penguat:

A V (AC) = ΔV keluar


ΔV dalam

Walau bagaimanapun, dalam kedua-dua kes, keuntungan adalah nisbah voltan keluaran tunggal ke voltan input tunggal.

Bagaimana pula kita secara umum menentukan keuntungan voltan penguat perbezaan, di mana terdapat dua input, bukan hanya satu "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02287x02.png">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Keuntungan voltan bagi penguat perbezaan ditakrifkan sebagai nisbah voltan keluaran kepada perbezaan voltan antara kedua-dua input.

Nota:

Ini adalah konsep yang sangat penting untuk pelajar memahami, terutamanya sebelum mereka belajar untuk menguji penguat operasi, yang tidak lebih daripada penguat pembezaan dengan keuntungan voltan yang sangat tinggi.

Soalan 3

Tulis fungsi pemindahan (persamaan input / output) untuk penguat operasi dengan gain voltan gelung terbuka sebanyak 100, 000. Dengan kata lain, tulis persamaan yang menerangkan voltan keluaran op-amp ini (V keluar ) untuk sebarang gabungan voltan input (V in (+) dan V dalam (-) ):

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

V keluar = 100, 000 (V dalam (+) - V dalam (-) )

Nota:

Konsep "fungsi pemindahan" sangat berguna, dan ini mungkin pendedahan pertama pelajar anda kepada idea itu. Ia adalah frasa yang sering digunakan dalam aplikasi kejuruteraan, dan mungkin menandakan persamaan, jadual nombor, atau graf.

Dalam soalan khusus ini, adalah penting agar pelajar mengetahui bagaimana untuk mendapatkan dan menggunakan fungsi pemindahan asas untuk penguat berbeza. Cabar pelajar anda untuk menyatakan fungsi ini dalam bentuk yang lebih umum, supaya perhitungan dapat dibuat dengan keuntungan voltan gelung terbuka yang berbeza.

Soalan 4

Berapa banyak voltan harus "didail" pada potensiometer untuk menstabilkan output pada tepat 0 volt, dengan menganggap opamp tidak mempunyai voltan mengimbangi input "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com /images/quiz/00924x01.png ">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

5 volt

Nota:

Persoalan ini adalah semakan asas fungsi penguat kebezaan yang ideal. Tanya pelajar anda apa voltan mesti "didail" pada potensiometer untuk menghasilkan 0 volt pada output op-amp untuk beberapa voltan yang berbeza pada input lain. Sekiranya mereka tidak memahami pada mulanya, mereka tidak lama lagi akan membincangkan senario alternatif ini.

Soalan 5

Sebuah op-amp mempunyai +3 volt diterapkan pada input pembalik dan +3.002 volt yang digunakan untuk input bukan pembalikkan. Keuntungan voltan gelung terbuka ialah 220, 000. Kirakan voltan keluaran seperti yang diramalkan oleh formula berikut:

V keluar = A V (V dalam (+) - V dalam (-) )

Berapakah jumlah voltan (input) yang diperlukan untuk menggerakkan output op-amp kepada voltan sebanyak -4, 5 volt?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

V keluar = 440 volt

Soalan susulan: apakah angka voltan ini realistik? Bolehkah op-amp seperti model 741 untuk mengeluarkan 440 volt? Mengapa atau mengapa tidak?

Voltan input pembezaan yang diperlukan untuk menggerakkan output op-amp ini kepada -4.5 volt adalah -20.455 μV.

Soalan susulan: apakah maksudnya untuk perbezaan voltan masukan untuk negatif 20.455 microvolts? Berikan contoh dua tegangan input (V in (+) dan V dalam (-) ) yang akan menghasilkan voltan pembezaan yang banyak ini.

Nota:

Jelas, terdapat batasan untuk formula op-amp untuk mengira voltan output, diberi voltan input dan gain voltan gelung terbuka. Pelajar perlu menyedari had amalan voltan keluaran op-amp, dan apa yang menetapkan had tersebut.

Soalan 6

Konsep yang sangat penting dalam elektronik adalah maklum balas negatif . Ini adalah konsep yang sangat penting untuk dipahami, kerana banyak sistem elektronik mengeksploitasikan prinsip ini untuk operasi mereka dan tidak dapat dipahami dengan sempurna tanpa pemahaman tentangnya.

Bagaimanapun, maklum balas negatif yang penting mungkin bukan konsep yang paling mudah difahami. Malah, ia adalah satu lompatan konseptual untuk sesetengah orang. Berikut adalah senarai contoh - beberapa elektronik, ada yang tidak - menunjukkan maklum balas negatif:

Litar pengawalan voltan
Sistem perintis automatik untuk pesawat atau bot
Sistem kawalan suhu termostatik ("termostat")
Perintang pemancar dalam litar penguat BJT
Demonstrasi Undang-undang Lenz (redaman magnet objek bergerak)
Suhu badan mamalia
Peraturan semulajadi harga dalam ekonomi pasaran bebas ("tangan tidak dapat dilihat" Adam Smith)
Seorang saintis belajar tentang tingkah laku sistem semulajadi melalui eksperimen.

Untuk setiap kes, jawab soalan berikut:

Pembolehubah apa yang sedang stabil oleh maklum balas negatif?
Bagaimana maklum balas berlaku (langkah demi langkah)?
Apakah tindak balas sistem akan menjadi seperti jika maklum balas negatif tidak hadir?
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya akan memberikan jawapan hanya satu contoh, pengatur voltan:

Pembolehubah apa yang sedang stabil oleh maklum balas negatif?
Voltan keluaran.
Bagaimana maklum balas berlaku (langkah demi langkah)?
Apabila voltan keluaran meningkat, sistem mengambil tindakan untuk menjatuhkan lebih banyak voltan secara dalaman, meninggalkan kurang untuk output.
Apakah tindak balas sistem akan menjadi seperti jika maklum balas negatif tidak hadir?
Tanpa maklum balas negatif, voltan output akan naik dan jatuh secara langsung dengan voltan masukan, dan terbalik dengan arus beban.

Nota:

Adalah sukar untuk menegaskan kepentingan memupuk maklum balas negatif dalam kajian elektronik. Begitu banyak jenis sistem yang bergantung padanya untuk operasi mereka, ia tidak boleh diabaikan dari mana-mana kurikulum elektronik yang serius. Namun, saya melihat banyak buku teks gagal meneroka prinsip ini dengan mendalam, atau membincangkannya dalam pengertian matematik hanya di mana pelajar mungkin terlepas konsep asas kerana mereka akan terlalu tertumpu pada menyelesaikan persamaan.

Soalan 7

Tuliskan fungsi pemindahan (persamaan input / output) untuk penguat operasi dengan gain voltan gelung terbuka sebanyak 100, 000, dan input pembalikkan disambungkan terus ke terminal keluarannya. Dalam erti kata lain, tulis persamaan yang menerangkan voltan keluaran op-amp ini (V keluar ) untuk sebarang voltan input yang diberikan pada input bukan penyongsangan (V in (+) ):

Kemudian, apabila anda mempunyai persamaan yang ditulis, selesaikan untuk mendapatkan semua voltan keuntungan (A V = ((V out ) / (V in (+) ))) litar penguat ini, membalikkan voltan input +6 volt.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

V keluar = 100, 000 (V dalam (+) - V keluar )

(Saya telah membiarkannya untuk melakukan penyederhanaan algebra di sini!)

A V = 100, 000


100, 001

= 0.99999

Untuk voltan input +6 volt, voltan output akan menjadi +5.99994 volt.

Nota:

Titik penting dalam soalan ini ialah pelajar melihat keupayaan voltan over-semua opamp secara radikal dilemahkan dari 100, 000 kepada kira-kira 1. Apa yang tidak begitu jelas adalah betapa stabilnya keuntungan voltan baru ini, yang merupakan salah satu tujuan untuk menggaji maklumbalas negatif.

Soalan 8

Berapakah kesan yang akan berlaku dalam keuntungan voltan gelung terbuka op-amp mempunyai keupayaan voltan keseluruhan litar umpan balik negatif seperti "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images /quiz/02288x01.png ">

Jika kelebihan gelung terbuka penguat operasi ini berubah dari 100, 000 hingga 200, 000, contohnya, berapa besar kesannya terhadap keuntungan voltan seperti yang diukur dari input tidak berpindah ke output?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Yang berbeza dalam keuntungan voltan keseluruhan akan menjadi remeh.

Persoalan susulan: apakah kelebihannya ada dalam membina litar penguat voltan dengan cara ini, menggunakan maklum balas negatif kepada penguat "teras" dengan keuntungan intrinsik yang sangat tinggi?

Nota:

Bekerjasama dengan pelajar anda untuk mengira beberapa senario contoh, dengan keuntungan gelung terbuka yang lama berbanding keuntungan gelung terbuka yang baru. Sediakan pelajar mengesahkan kesimpulan mereka dengan nombor!

Maklum balas negatif adalah prinsip kejuruteraan yang sangat berguna, dan satu yang membolehkan kami membina penguat yang sangat tepat menggunakan komponen yang tidak tepat. Kredit untuk idea ini pergi kepada Harold Black, jurutera elektrik, pada tahun 1920-an. Encik Black sedang mencari jalan untuk memperbaiki garis lurus dan kestabilan amplifiers dalam sistem telefon, dan (sebagai legenda memilikinya) idea itu datang kepadanya dalam kilauan wawasan ketika dia sedang berulang-alik di atas kapal feri.

Satu nota sampingan yang menarik adalah bahawa permohonan paten Black 1928 pada mulanya ditolak dengan alasan bahawa dia cuba menghantar peranti pergerakan kekal! Konsep maklum balas negatif dalam litar penguat adalah begitu bertentangan dengan pemikiran kejuruteraan yang ditubuhkan pada masa itu, bahawa Black mengalami rintangan yang signifikan terhadap idea dalam komuniti kejuruteraan. Pejabat paten Amerika Syarikat, sebaliknya, telah dibanjiri dengan tuntutan "perpetual motion" yang palsu, dan demikian menolak ciptaan Black pada pandangan pertama.

Soalan 9

Lengkapkan jadual tegangan untuk litar opamp "pengikut voltan" ini:


V dalamV keluar


0 volt0 volt


+5 volt


+10 volt


+15 volt


+20 volt


-5 volt


-10 volt


-15 volt


-20 volt


Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan


V dalamV keluar


0 volt0 volt


+5 volt+5 volt


+10 volt+10 volt


+15 volt+15 volt


+20 volt+15 volt


-5 volt-5 volt


-10 volt-10 volt


-15 volt-15 volt


-20 volt-15 volt


Soalan susulan: nilai voltan keluaran yang diberikan dalam jadual ini adalah ideal. Opamp sebenar mungkin tidak akan dapat mencapai apa yang ditunjukkan di sini, disebabkan oleh idiosyncrasies litar penguat ini. Terangkan apa yang mungkin berbeza dalam litar opamp sebenar dari apa yang ditunjukkan di sini.

Nota:

Kesilapan yang biasa saya lihat pelajar yang baru untuk membuat opamps adalah mengandaikan bahawa voltan keluaran akan secara ajaib mencapai apa yang nilai persamaan keuntungan meramalkan, tanpa mengambil kira had kuasa voltan bekalan kuasa.

Satu lagi soalan susulan yang baik untuk bertanya kepada pelajar anda ialah: "Berapa banyak voltan di antara kedua terminal input dalam setiap situasi yang diterangkan dalam jadual" panel kerja panel panel lalai "

Soalan 10

Litar penguat operasi ini sering dirujuk sebagai penimbal voltan, kerana ia mempunyai keuntungan perpaduan (0 dB) dan dengan itu hanya menghasilkan semula, atau "buffer, " voltan input:

Penggunaan apa yang mungkin adalah litar seperti ini, yang tidak menawarkan pengubah voltan atau sebarang bentuk pengubahsuaian isyarat yang lain "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/03801x02.png">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Walaupun litar ini tidak menawarkan keuntungan voltan, ia menawarkan keuntungan semasa dan transformasi impedans . Sama seperti litar penguat tunggal transistor (atau biasa-longkang) tunggal yang juga mempunyai keuntungan voltan (berhampiran) perpaduan, litar penampan opamp berguna bila-bila masa mesti memandu beban yang agak "berat" (rendah impedans) dengan isyarat yang akan datang dari sumber "lemah" (impedans tinggi).

Nota:

Saya telah mendapati bahawa sesetengah pelajar mengalami kesukaran dengan istilah "berat" dan "cahaya" merujuk kepada ciri beban. Bahawa beban "berat" akan mempunyai sedikit ohm impedans, dan beban "ringan" akan mempunyai banyak ohm impedans seolah-olah counter-intuitif kepada beberapa. Semuanya masuk akal, sekalipun apabila pelajar menyedari istilah "berat" dan "cahaya" merujuk kepada jumlah semasa yang dikeluarkan oleh beban masing-masing.

Tanyakan pelajar anda untuk menjelaskan mengapa sekeping lurus wayar gagal untuk "menampar" isyarat voltan dengan cara yang sama litar pengikut opamp tidak.

Soalan 11

Untuk semua tujuan praktikal, berapa voltan wujud antara terminal input pembalikkan dan bukan pembalik op-amp dalam litar umpan balik negatif yang berfungsi?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Voltan sifar

Nota:

Tanya pelajar anda untuk menjelaskan mengapa terdapat (praktikal) tiada voltan antara terminal masukan penguat operasi apabila ia digunakan dalam litar umpan balik negatif.

Soalan 12

Sama seperti andaian tertentu sering dibuat untuk transistor bipolar untuk memudahkan analisis mereka dalam litar (BJT yang ideal mempunyai arus pangkalan yang sangat kecil, I C = I E, β tetap, dll.), Kami sering membuat andaian mengenai penguat operasi supaya kami boleh lebih mudah menganalisis tingkah laku mereka dalam litar gelung tertutup. Kenal pasti beberapa andaian opamp ideal kerana ia berkaitan dengan parameter berikut:

Magnitud arus terminal input:
Impedans input:
Impedans Keluaran:
Julat voltan input:
Julat voltan output:
Voltan berbeza (antara terminal input) dengan maklum balas negatif:
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Magnitud arus terminal masukan: infinitesimal
Impedans input: tak terhingga
Output impedans: infinitesimal
Julat voltan input: tidak melebihi V / -V
Julat voltan output: tidak melebihi V / -V
Voltan berbeza (antara terminal input) dengan maklum balas negatif: infinitesimal

Nota:

Sekiranya pelajar anda tidak dikenali dengan kata-kata yang tidak terhingga dan tidak berkesudahan, beritahu mereka mereka hanya bermaksud "lebih besar daripada besar" dan "lebih kecil daripada kecil", masing-masing.

Soalan 13

Tujuan litar ini adalah untuk menyediakan voltan bebanan boleh laras. Menekan satu butang menyebabkan voltan keluaran meningkat, sementara menekan butang lain menyebabkan voltan keluaran menurun. Apabila tiada butang ditekan, voltan kekal stabil:

Selepas bekerja dengan baik selama agak lama, litar tiba-tiba gagal: sekarang ia hanya menghasilkan sifar volt DC sepanjang masa.

Juruteknik berpengalaman terlebih dahulu memeriksa voltan bekalan kuasa untuk melihat sama ada ia berada dalam had biasa, dan ia adalah. Kemudian, juruteknik memeriksa voltan merentasi kapasitor. Jelaskan mengapa ini adalah titik ujian yang baik untuk memeriksa, dan apakah hasil pemeriksaan itu akan memberitahu juruteknik tentang sifat kesalahan itu.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Memeriksa voltan merentasi kapasitor akan memberitahu juruteknik apa voltan pengikut op-amp sedang "diberitahu" untuk menghasilkan semula pada output.

Soalan cabaran: kenapa saya katakan saya menentukan penguat operasi CA3130 untuk litar tertentu ini "nota tersembunyi"> Nota:

Mengetahui di mana untuk memeriksa isyarat kritikal dalam litar adalah kemahiran penting, kerana ia biasanya bermaksud perbezaan antara cekap mencari kesalahan dan membuang masa. Tanyakan kepada pelajar anda untuk menerangkan secara terperinci rasional di belakang memeriksa voltan merentasi kapasitor, dan (sekali lagi, secara terperinci) apakah pengukuran voltan tertentu pada ketika itu akan membuktikan sifat kesalahan itu.

Soalan 14

Seorang pelajar membina litar bekalan kuasa AC-DC yang terkawal, tetapi tidak puas dengan prestasinya:

Peraturan voltan tidak sebaik yang diharapkan oleh pelajar. Apabila dimuatkan, voltan keluaran "goyah" lebih daripada yang diinginkan oleh pelajar. Apabila voltan diod zener diukur di bawah keadaan yang sama (output yang dipunggah, berbanding output yang dimuatkan), voltannya diperhatikan untuk menghantam sedikit juga. Pelajar menyedari bahawa sebahagian daripada masalah di sini adalah memuatkan diod zener melalui transistor. Dalam usaha untuk meningkatkan peraturan voltan litar ini, pelajar memasukkan litar "pengikut pengikut" opamp antara zener diode dan transistor:

Sekarang diod zener berkesan diasingkan dari kesan muatan transistor, dan dengan sambungan dari beban output juga. Opamp hanya mengambil voltan zener dan mengeluarkannya di pangkalan transistor, menyampaikan arus yang banyak ke transistor seperti yang diperlukan tanpa mengenakan apa-apa beban tambahan pada diod zener.

Pengubahsuaian ini sebenarnya meningkatkan keupayaan litar untuk memegang voltan keluaran tetap di bawah keadaan beban yang berubah-ubah, tetapi masih ada ruang untuk penambahbaikan. Seorang pelajar lain melihat litar yang diubah suai, dan mencadangkan satu perubahan kecil yang secara dramatik meningkatkan peraturan voltan:

Sekarang voltan keluaran memegang teguh pada voltan diod zener dengan hampir tidak ada "sag" di bawah beban! Pelajar kedua berpuas hati dengan kejayaan, tetapi pelajar pertama tidak memahami mengapa versi litar ini berfungsi lebih baik daripada versi terdahulu. Bagaimana anda akan menerangkan prestasi litar ini kepada pelajar pertama "# 14"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Dengan sambungan maklum balas yang dipindahkan, opamp kini "merasakan" voltan beban pada terminal keluaran, dan dapat membetulkan sebarang kerugian voltan dalam transistor kuasa.

Persoalan lanjutan: litar yang baru dan lebih baik pastinya mempamerkan peraturan voltan yang lebih baik, tetapi ia juga memperkenalkan sesuatu yang pelajar pertama dapat mengejutkan: kini voltan keluaran adalah kira-kira 0.7 volt lebih besar daripada yang pernah digunakan. Terangkan mengapa.

Nota:

Ini adalah salah satu soalan kegemaran saya untuk bertanya kepada pelajar kerana mereka mula belajar bagaimana maklum balas negatif berfungsi. Ia adalah "ujian litmus" yang sangat baik untuk memahami maklum balas negatif: pelajar yang memahami bagaimana dan mengapa kerja maklum balas negatif akan segera memahami kepentingan sambungan maklum balas yang diubahsuai; mereka yang tidak memahami maklum balas negatif akan gagal memahami mengapa litar ini berfungsi sama sekali. Luangkan banyak masa yang anda perlukan untuk membincangkan litar ini, kerana ia memegang kunci kepada pemahaman pelajar tentang banyak litar opamp!

Soalan 15

Anggarkan bagaimana pengendalian litar bekalan kuasa terkawal ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Transformer T 1 penggulungan utama gagal dibuka:
Pembetulan diod D 3 gagal dibuka:
Membetulkan diod D 4 gagal dipintas:
Resistor R 1 gagal dibuka:
Diod Zener D 5 gagal dibuka:
Penguat operasi U 1 gagal dengan output tepu positif:
Transistor Q 1 gagal dibuka (pemungut kepada pemancar):

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Transformer T 1 penggulungan utama gagal dibuka: Voltan keluaran jatuh ke sifar selepas pelepasan penapis C 1 dan C 2 .
Membetulkan dioda D 3 gagal dibuka: Tiada kesan yang dilihat tanpa beban, peraturan semakin cepat apabila beban semakin berat.
Membetulkan diod D 4 gagal dipasangkan: Fuse boleh meniup, diod D 2 mungkin gagal kerana terlalu panas (dan dengan cepat meniup sekering jika ia juga gagal).
Resistor R 1 gagal dibuka: Voltan keluaran jatuh ke sifar selepas pelepasan kapasitor C 2 .
Dioda Zener D 5 gagal dibuka: Voltan Output naik ke nilai hampir penuh (tidak terkawal).
Penguat operasi U 1 gagal dengan output tepu positif: Voltan keluaran meningkat kepada hampir penuh (tidak terkawal) nilai.
Transistor Q 1 gagal terbuka (pengumpul-pemancar): Voltan keluaran jatuh ke sifar selepas pelepasan kapasitor C 2 .

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 16

Litar bekalan kuasa yang dikawal ini mempunyai masalah. Daripada mengeluarkan 15 volt DC (betul-betul) sebagaimana mestinya, ia mengeluarkan 0 volt DC ke beban:

Anda mengukur 0.25 volt DC antara TP4 dan tanah, dan 20 volt antara TP1 dan tanah, menggunakan voltmeter anda. Dari maklumat ini, tentukan sekurang-kurangnya dua kesalahan bebas yang boleh menyebabkan masalah ini.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kesalahan yang mungkin: (ambil perhatian bahawa senarai ini tidak lengkap)

Opamp (U 1 ) gagal dengan output tepu negatif.
Zener diode (D 1 ) gagal dipendekkan.
Resistor R 1 gagal dibuka.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menjelaskan alasan mereka, mengapa mereka memilih kesalahan komponen yang mereka lakukan. Juga, minta mereka untuk mengenal pasti mana-mana komponen yang mereka fikirkan berfungsi dengan betul (di luar keraguan).

Soalan 17

Pembekalan kuasa "Split" atau "dual" DC adalah penting untuk menjanakan banyak jenis litar elektronik, terutamanya beberapa jenis litar penguat operasi. Sekiranya hanya "bekalan kuasa DC tidak tersedia, bekalan elektrik" boleh disimpulkan secara kasar melalui penggunaan pembahagi voltan rintangan:

Masalah dengan melakukan ini adalah memuat: jika arus lebih banyak diambil dari salah satu rel bekalan kuasa daripada yang lain, "pecahan" voltan akan menjadi tidak sekata. Satu-satunya cara bahawa + V dan -V akan mempunyai nilai voltan yang sama (mutlak) pada beban adalah jika impedans beban seimbang sama rata antara rel dan tanah. Senario ini tidak mungkin. Ambil contoh contoh ini:

Litar opamp mudah, bagaimanapun, boleh membetulkan masalah ini dan mengekalkan "split" voltan antara + V, Ground, dan -V:

Terangkan bagaimana litar ini berfungsi. Fungsi apa yang dilakukan oleh dua perintang "# 17"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kedua-dua perintang mewujudkan voltan rujukan tepat di antara + V dan -V, yang akan menjadi voltan "Ground" dilihat oleh beban. Opamp menyimpan konduktor Ground sebenar pada potensi rujukan tersebut melalui maklum balas negatif, memacu sama ada transistor seperlunya untuk mengekalkan potensi Ground berpusat di antara + V dan -V.

Soalan cabaran: jika anda bercadang untuk membina litar jenis ini, meletakkan sepasang kapasitor pintasan di seluruh output sangat disyorkan. Terangkan mengapa:

Nota:

Litar ini tidak hanya berbaloi untuk membincangkan dengan pelajar anda sebagai contoh maklum balas negatif dalam tindakan, tetapi juga praktikal bagi mereka untuk digunakan sebagai pembahagi "bekalan kuasa" yang dahsyat apabila hanya ada bekalan tunggal. Jika anda membuat keputusan untuk membina litar ini, berhati-hati dengan penyingkiran kuasa transistor! Tentukan arus ketidakseimbangan maksimum ke beban (berapa banyak arus akan ditarik melalui terminal Ground), dan kemudian darab arus itu dengan + V (atau -V, mutlak). Ini akan menjadi nilai kehilangan kuasa maksimum sama ada transistor mungkin perlu mengendalikan dengan selamat.

Sebagai tindak balas kepada soalan cabaran, kebolehan kapasitor pemintas akan terbukti jika beban berdenyut (seperti motor berus jenis DC) diletakkan di antara sama ada "rel" dan Ground. Opamp mesti mengayunkan outputnya ke belakang dan sebagainya dengan sangat pantas untuk menghidupkan setiap transistor yang cukup cepat untuk mengatasi tekanan dalam voltan yang disebabkan oleh beban berdenyut. Kapasitor secara semula jadi menentang perubahan dalam voltan, dan begitu ideal untuk mengurangkan voltan voltan sedemikian, mengurangkan beban yang diletakkan pada opamp.

Soalan 18

Reka bentuk litar pasif yang akan mencipta bekalan kuasa "split" (+ V / -V) dari satu sumber voltan:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Untuk aplikasi rendah semasa, rangkaian perintang / kapasitor berikut berfungsi dengan baik:

Soalan susulan: kekangan reka bentuk apa yang akan menentukan saiz perintang dan kapasitor "nota tersembunyi"> Nota:

Litar divider voltan mudah ditapis ini berfungsi dengan baik apabila tarikan semasa adalah rendah, atau sekurang-kurangnya sangat hampir sama, pada rel + V dan -V beban. Ia tidak berfungsi dengan baik untuk beban yang tidak simetris, atau di mana cabutan semasa yang lemah adalah penting (contohnya, litar bateri berkuasa rendah). Dalam aplikasi yang memerlukan kestabilan voltan + V / -V yang lebih baik, litar opamp "pengikut" disyorkan selepas pembahagi voltan.

Soalan 19

Sebuah penguat transistor tarik-tarik pelengkap yang dibina dengan tepat seperti yang ditunjukkan akan menunjukkan agak kurang, mempamerkan penyelewengan crossover:

Cara paling mudah untuk mengurangkan atau menghapuskan penyelewakan ini ialah dengan menambahkan beberapa voltan bias kepada setiap input transistor, jadi tidak akan ada tempoh masa apabila kedua-dua transistor pada masa yang sama berakhir:

Satu masalah dengan penyelesaian ini adalah bahawa hanya sedikit terlalu banyak voltan bias akan menyebabkan terlalu panas transistor, kerana mereka pada masa yang sama menjalankan semasa berhampiran titik sifar titik isyarat AC. Kaedah yang lebih canggih untuk mengurangkan penyelewengan crossover adalah menggunakan opamp dengan maklum balas negatif, seperti ini:

Terangkan bagaimana opamp mampu menghapuskan penyelewengan crossover dalam litar penguat tolak tarik ini tanpa memerlukan biasing.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Dengan mengesan V keluar, opamp dapat "memberitahu" sama ada voltan output atau voltan output sepadan dengan voltan masukan, jadi ia boleh memacu transistor seseras mereka perlu didorong untuk mendapatkan voltan output di mana ia sepatutnya.

Soalan cabaran: reka bentuk yang lebih praktikal menggabungkan dua strategi seperti ini:

Jelaskan mengapa menggunakan voltan bias kurang dan maklum balas negatif dengan keputusan opamp dalam prestasi yang lebih baik daripada sama ada kaedah yang digunakan bersendirian.

Nota:

Banyak yang boleh dikatakan mengenai reka bentuk litar penguat yang baik dalam soalan ini, tetapi titik asas adalah untuk pelajar melihat bagaimana maklum balas negatif ditambah dengan keuntungan yang sangat tinggi opamp meminimumkan penyelewengan crossover. Pastikan untuk memberi tumpuan kepada perhatian pelajar pada ketika itu sehingga mereka memahami dengan baik sebelum melancarkan perbincangan mengenai titik-titik yang lebih halus dari reka bentuk penguat.

Harus diperhatikan bahawa penyelesaian ini untuk penyelewengan crossover dalam litar penguat tekan-tarik tidak selalu menghasilkan hasil yang terbaik. Untuk mendapatkan opamp untuk memastikan peralihan yang lancar antara separuh kitaran, outputnya mesti melompat kira-kira 1.4 volt dengan serta-merta untuk pergi dari menghidupkan satu transistor untuk mengubah transistor yang lain. Sudah tentu, opamp tidak boleh melakukan ini, kerana semua telah membatasi had laju. Oleh itu, masih terdapat beberapa penyelewengan crossover, tetapi tidak hampir sama tanpa opamp (dan dengan kelesuan kuasa yang jauh lebih rendah daripada penyelesaian dua-diod!).

Soalan 20

Kapasit parasit secara semulajadi yang wujud dalam kabel dua dawai boleh menyebabkan masalah apabila disambungkan ke peranti elektronik tinggi impedans. Ambil contoh pemeriksaan biomedik tertentu yang digunakan untuk mengesan kejadian elektrokimia dalam tisu hidup. Pemeriksaan sedemikian boleh dimodelkan sebagai sumber voltan secara siri dengan rintangan, rintangan ini biasanya agak besar disebabkan oleh kawasan-kawasan permukaan yang sangat kecil (kenalan) kuar:

Apabila disambungkan ke kabel dengan kapasitans parasit, litar penapis RC lulus rendah terbentuk:

Penapis pasir rendah (atau penyepadu pasif, jika anda mahu) adalah semata-mata tidak disengajakan. Tiada siapa yang meminta ia untuk berada di sana, tetapi ia tetap ada disebabkan oleh rintangan semulajadi siasatan dan kapasitansian semula jadi kabel. Sudah tentu, sudah tentu, kami ingin menghantar voltan isyarat ( isyarat V) terus ke penguat tanpa gangguan atau penapisan apa-apa jenis supaya kita dapat melihat dengan tepat apa yang kita sedang cuba untuk mengukur.

Cara bijak untuk menghapuskan kesan kapasitans kabel adalah membungkus wayar isyarat dalam perisai sendiri, dan kemudian memacu perisai itu dengan jumlah voltan yang sama tepat dari pengikut voltan di hujung kabel yang lain. Ini dipanggil menjaga :

Skema setaraf mungkin membuat teknik ini lebih mudah difahami:

Jelaskan mengapa mengawal wayar isyarat berkesan menghapuskan kesan kapasitans kabel. Sudah pasti kapasitansinya masih hadir, jadi bagaimana ia tidak mempunyai sebarang kesan pada isyarat lemah lagi "# 20"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Pengawal opamp memegang perisai pengawal pada potensi yang sama sebagai konduktor pusat, mengekalkan 0 volt di kapasitans parasit antara kedua konduktor tersebut. Tanpa voltan merentas kapasitansinya, ia mungkin juga tidak ada di sana!

Persoalan susulan: walaupun kapasitans pusat-penjaga mungkin mempunyai sifar voltan di sepanjang masa terima kasih kepada opamp, kapasiti perisai pengawal-ke- (luar) masih mempunyai voltan isyarat penuh di seluruhnya. Jelaskan mengapa ini tidak menimbulkan kebimbangan kepada kami, dan mengapa kehadirannya tidak membentuk penapis lulus rendah kerana kapasitans kabel asal (tidak dibalas) yang pernah dilakukan.

Nota:

Menjaga adalah teknik yang digunakan dalam banyak senario pengujian dan pengukuran, dan ia berfungsi sebagai contoh hebat opamp yang digunakan sebagai pengikut voltan.

Sekiranya pelajar tidak yakin tentang kesungguhan kapasiti kabel dalam aplikasi seperti yang diterangkan, cadangkan nilai-nilai ini kepada mereka dan minta mereka mengira kekerapan potongan penapis pasir rendah yang dibentuk oleh isyarat R dan kabel C:

R isyarat = 20 MΩ
C kabel = 175 pF

Soalan 21

Sebaik-baiknya, terminal masukan penguat operasi mengendalikan sifar semasa, membolehkan kita memudahkan analisis banyak litar opamp. Walau bagaimanapun, pada hakikatnya terdapat jumlah yang sangat kecil semasa mengalir setiap terminal input mana-mana opamp dengan litar input BJT. Ini boleh menyebabkan ralat voltan yang tidak dijangka dalam litar.

Pertimbangkan litar penyangga voltan berikut:

Saya bias (-) tidak menimbulkan masalah bagi kami, kerana ia dibekalkan sepenuhnya oleh output opamp. Walau bagaimanapun, arus bias yang lain menimbulkan masalah, kerana ia mesti melalui rintangan Thévenin sumber. Apabila ia berlaku, ia menjatuhkan beberapa voltan merentasi rintangan sumber intrinsiknya, menyimpang jumlah voltan yang sebenarnya dilihat pada terminal bukan pembalikkan opamp tersebut.

Penyelesaian biasa untuk ini adalah untuk menambahkan satu lagi perintang ke litar, seperti ini:

Terangkan mengapa penambahan perintang membetulkan masalah.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Perintang tambahan harus menurunkan voltan yang sama, dengan itu membatalkan sebarang voltan bias yang diperkenalkan oleh arus bias melalui rintangan dalaman sumber. Sizing ini "mengimbangi" perintang sama dengan sumber Thévenin rintangan menganggap input sifar offset semasa.

Nota:

Litar penimbal voltan mudah adalah konteks paling mudah untuk memahami fungsi perintang pemasangkan semasa bias, dan oleh itu ia dibentangkan di sini untuk membolehkan pelajar melihat impaknya.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →