Litar OpAmp tidak linear

Digital Electronics: Logic Gates - Integrated Circuits Part 1 (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Litar OpAmp tidak linear

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

Kita tahu bahawa opamp yang disambungkan kepada pembahagi voltan dengan nisbah bahagian voltan (1/2) akan mempunyai keuntungan voltan keseluruhan sebanyak 2, dan litar yang sama dengan nisbah bahagian voltan (2/3) akan mempunyai keseluruhan keuntungan voltan 1.5, atau (3/2):

Sudah pasti pola matematik di tempat kerja dalam litar opamp yang tidak terbalik ini: kebolehan voltan keseluruhan litar adalah kebalikan matematik dari voltan maklum balas rangkaian.

Membina konsep ini, apa yang anda fikir akan menjadi fungsi keseluruhan litar opamp berikut "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02464x02.png">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Untuk litar kiri: V keluar = V dalam - 4

Untuk litar tangan kanan: V keluar =


V dalam

Hasil daripada meletakkan fungsi matematik dalam gelung umpan balik litar opamp bukan penyongsangan ialah output menjadi fungsi songsang input: ia secara literal menjadi nilai x yang diperlukan untuk menyelesaikan nilai masukan y:

Nota:

Apa yang ditunjukkan dalam soalan dan jawapan ini adalah contoh yang sangat kuat tentang kuasa maklum balas negatif dalam sistem matematik. Di sini, kita melihat keupayaan opamp untuk menyelesaikan pemboleh ubah input dalam persamaan yang kita tahu nilai output. Untuk menyatakan ini dalam istilah yang lebih mudah, opamp "melakukan algebra" untuk kita dengan "memanipulasi" persamaan rangkaian maklum balas untuk menyelesaikan untuk x diberi isyarat masukan y.

Soalan 3

Hubungan antara voltan dan arus persimpangan PN dijelaskan oleh persamaan ini, kadang-kadang disebut sebagai "persamaan diod, " atau "persamaan dioda Shockley" selepas penemuannya:

I D = I S (e ((qV D ) / NkT) - 1)

Di mana,

I D = Semasa melalui PN simpang, di amp

I S = PN tepu persimpangan semasa, di amp (biasanya 1 picoamp)

e = nombor Euler ≈ 2.718281828

q = Kuasa unit elektron, 1.6 × 10 -19 coulombs

V D = Voltan di persimpangan PN, dalam volt

N = Pekali nonideality, atau pekali pelepasan (biasanya antara 1 dan 2)

k = Boltzmann tetap, 1.38 × 10 -23

T = suhu persimpangan, darjah Kelvin

Pada mulanya persamaan ini mungkin kelihatan sangat menakutkan, sehingga anda menyadari bahawa hanya terdapat tiga pembolehubah di dalamnya: I D, V D, dan T. Semua istilah lain adalah pemalar. Oleh kerana dalam kebanyakan kes kita menganggap suhu adalah agak malar juga, kita sebenarnya hanya berurusan dengan dua pemboleh ubah: diod arus dan voltan diod. Berdasarkan kesedaran ini, tulis semula persamaan sebagai proporsional daripada persamaan, menunjukkan bagaimana dua pemboleh ubah dioda dan arus dioda berkaitan:

I D α. . .

Berdasarkan persamaan mudah ini, apakah graf I / V untuk persimpangan PN seperti "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00712x01.png">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Perkadaran mudah:

I D α e V D

Grafik yang diterangkan oleh "formula diod" adalah lengkung eksponen standard, meningkat dengan mendadak sebagai pembolehubah bebas (V D, dalam kes ini) meningkat. Grafik yang sepadan untuk perintang, tentu saja, adalah linear.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk melukis renditions mereka sendiri keluk eksponen di papan putih untuk semua untuk melihat. Jangan biarkan mereka melarikan diri dengan menafsirkan jawapannya: Ït adalah lengkung eksponen. "

Soalan 4

Lakarkan fungsi pemindahan (V versus V in ) untuk litar opamp ini, dan jelaskan bagaimana litar berfungsi:

Apakah jenis fungsi matematik yang diwakili oleh litar ini "# 4"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar ini mewakili fungsi eksponen (y α e x ):

Nota:

Arah keluk fungsi pemindahan mungkin mengejutkan sesetengah pelajar. Tanya kepada mereka mengapa kurva turun (negatif) untuk voltan input yang semakin positif.

Soalan 5

Lakarkan fungsi pemindahan (V versus V in ) untuk litar opamp ini, dan jelaskan bagaimana litar berfungsi:

Apakah jenis fungsi matematik yang diwakili oleh litar ini "# 5"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar ini mewakili fungsi logaritma (y α lnx):

Nota:

Arah keluk fungsi pemindahan mungkin mengejutkan sesetengah pelajar. Tanya kepada mereka mengapa kurva turun (negatif) untuk voltan input yang semakin positif.

Tanya pelajar anda bagaimana mereka memperoleh keluk fungsi pemindahan ini. Terdapat kaedah konseptual untuk mendapatkannya, serta kaedah algebra. Adalah menarik untuk membandingkan lebih daripada satu kaedah ini dalam perbincangan kelas, dan mempunyai pelajar memperoleh pandangan dari kaedah masing-masing.

Soalan 6

Plot fungsi pemindahan (V out versus V in ) untuk litar opamp ini:

Apakah jenis fungsi matematik yang diwakili oleh litar ini "# 6"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar ini (idealnya) mewakili fungsi linear (y α x):

Nota:

Ia harus jelas dari pemeriksaan bahawa dua litar opamp mewakili fungsi matematik songsang. Tanya pelajar anda mengapa fungsi pemindahan akhir adalah linear dan bukan linear. Lagipun, mereka harus sedar bahawa setiap litar opamp, diambil secara individu, sangat tidak linear. Kenapa kesan gabungan mereka menjadi "panel kerja panel lalai panel kerja" linier linear

Soalan 7

Kenal pasti fungsi matematik litar ini (jika anda melihat dengan teliti, anda akan perhatikan bahawa transistor disambung sedemikian rupa sehingga mereka bertindak sangat mirip dengan dioda):

Nota: kedua-dua perintang dilabel "R" adalah sama dengan nilai.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar ini mengambil akar kuadrat isyarat input (y = √x).

Soalan susulan: bagaimana kita boleh mengubah suai litar ini supaya mengambil akar kiub input isyarat "nota tersembunyi"> Nota:

Litar ini tidak begitu rumit kerana ia mungkin muncul pada mulanya, jika pelajar mengambil masa untuk mengasingkannya mengikut seksyen dan mengenal pasti fungsi matematik setiap bahagian yang dilakukan.

Soalan 8

Kenal pasti fungsi matematik litar ini (jika anda melihat dengan teliti, anda akan perhatikan bahawa transistor disambung sedemikian rupa sehingga mereka bertindak sangat mirip dengan dioda):

Nota: kedua-dua perintang dilabel "R" adalah sama dengan nilai.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar ini kuasa isyarat input (y = x 2 ).

Soalan cabaran: mengapa transistor digunakan dan bukannya diod, kerana mereka telah "dilumpuhkan" dengan berkesan untuk bertindak seperti "nota tersembunyi"> Nota:

Litar ini tidak begitu rumit kerana ia mungkin muncul pada mulanya, jika pelajar mengambil masa untuk mengasingkannya mengikut seksyen dan mengenal pasti fungsi matematik setiap bahagian yang dilakukan.

Soalan 9

Katakan bahawa semasa membina litar eksponen ini, anda menghadapi ketidaktepatan yang teruk: litar kelihatan berfungsi beberapa kali, tetapi seringkali outputnya menyimpang dengan ketara (sebanyak +/- 10%) dari apa yang sepatutnya:

Berdasarkan apa yang anda ketahui mengenai komponen-komponen dalam litar ini, apa yang boleh berubah-ubah begitu banyak menyebabkan kesalahan ini "# 9"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Penyelesaiannya adalah untuk memastikan kedua-dua transistor tepat dipadankan, dipegang pada suhu yang sama:

Soalan cabaran: adakah terdapat bahagian yang boleh kami pesan yang mengandungi dua transistor yang padan, stabil untuk aplikasi seperti "nota yang disembunyikan"> Nota:

Tanya pelajar anda untuk menjelaskan bagaimana mereka mengetahui suhu adalah faktor yang mempengaruhi ketepatan litar ini. Minta mereka menunjukkan sebarang persamaan yang menggambarkan kelakuan transistor yang menunjukkan pergantungan suhu.

Soalan ini memberi peluang untuk mengkaji makna eksponen fraksional dengan pelajar anda. Apa, betul, apakah y = x 0.5 maksud? Minta pelajar anda menulis ungkapan ini menggunakan simbol yang lebih biasa. Juga, tanyakan kepada mereka apa yang perlu diubahsuai dalam litar ini untuk mengubah nilai eksponen itu.

Bagi soalan cabaran, tanyakan kepada pelajar anda untuk menghasilkan nombor bahagian bagi pasangan transistor yang dipadankan dengan tepat. Di manakah mereka mendapatkan maklumat mengenai komponen ini?

Soalan 10

Reka bentuk litar op-amp yang membahagikan satu kuantiti (x) dengan kuantiti lain (y) menggunakan logaritma. Untuk memberi anda permulaan pada litar ini, saya akan menyediakan modul op-amp logaritmik awal dalam rajah ini:

Nota: ia akan membantu analisis anda untuk menulis ungkapan matematik pada setiap output op-amp dalam litar anda, jadi anda mungkin dapat melihat bagaimana fungsi matematik keseluruhan dibina dari langkah individu.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nota:

Litar yang ditunjukkan dalam jawapannya adalah pembinaan logaritma yang sangat biasa: litar nisbah log, berguna untuk banyak operasi selain pembahagian mudah. Persoalan ini mencabar pelajar untuk menyusun rangkaian logaritma, antilogarithm dan pembezaan op-amp dengan cara yang mencapai matlamat reka bentuk akhir. Mungkin aspek yang paling mencabar masalah ini adalah mengurus pembalikan tanda.

Soalan 11

Cari datasheet untuk AD538, litar bersepadu yang dihasilkan oleh Peranti Analog. Kemudian, baca dengan teliti dan terangkan bagaimana ia dapat melaksanakan fungsi aritmetik seperti pendaraban, pembahagian, kuasa, dan akar.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya akan meninggalkan ini untuk anda untuk penyelidikan dan kepada rakan sekelas dan pengajar anda untuk membincangkan!

Nota:

Soalan ini ditakdirkan untuk usang, sebagai satu hari AD538 tidak lagi akan dihasilkan. Sehingga itu, ia adalah satu kejuruteraan yang baik, mempamerkan kuasa logaritma sebagai bantuan komputasi dalam litar analog.

Soalan 12

Huraikan bagaimana operasi litar exponentiator ini akan terjejas akibat daripada kesilapan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Resistor R 1 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 :
Diode D 1 gagal dibuka:
Diode D 1 gagal:

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal terbuka: V keluar saturates dalam arah negatif.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : V keluar pergi ke volt sifar.
Diode D 1 gagal dibuka: V keluar pergi ke sifar volt.
Diode D 1 gagal: V menyerap ke arah negatif.

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 13

Huraikan bagaimana operasi litar pengekstrut logaritma ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Resistor R 1 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 :
Diode D 1 gagal dibuka:
Diode D 1 gagal:

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal dibuka: V keluar pergi ke sifar volt.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : V keluar jenuh dalam arah negatif.
Diode D 1 gagal dibuka: V keluar tepu dalam arah negatif.
Diode D 1 gagal: V keluar pergi ke sifar volt.

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 14

Terangkan mengapa perintang dan transistor yang dipadankan dengan teliti diperlukan dalam litar log / antilog, menggunakan kata-kata anda sendiri. Juga, jelaskan mengapa penguat operasi itu sendiri tidak perlu dipadankan dengan tepat sebagai komponen diskret.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya berkata, "kata-kata kamu sendiri, " bukan saya! Apa yang anda cari di sini untuk "nota yang disembunyikan"> Nota:

Soalan ini mencabar pelajar untuk mengenal pasti "titik lemah" litar log / antilog, menjelaskan mengapa toleransi komponen tertentu adalah kritikal dan yang lain tidak. Ini adalah ujian yang baik terhadap pemahaman pelajar mengenai litar log / antilog dan teori asas mereka.

Soalan 15

Litar pengekstrakan akar persegi digunakan untuk berfungsi dengan baik, tetapi kemudian satu hari ia berhenti mengeluarkan akar kuadrat dari isyarat masukan, dan bukannya hanya menerbitkan isyarat masukan dengan gain 1:

Apa yang mungkin salah dengan litar ini untuk menyebabkannya berhenti "mengira" akar kuadrat input "# 15"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Mungkin R 2 gagal atau R3 gagal dibuka. Saya akan memberitahu anda mengapa salah satu daripada kesalahan ini boleh menyebabkan masalah digambarkan.

Nota:

Orang mesti faham apa yang sedang berlaku dalam litar ini dan mengapa untuk berjaya mendiagnosis masalah ini. Bincangkan ini dengan teliti dengan pelajar anda.

Soalan 16

Kenal pasti sekurang-kurangnya dua kesalahan komponen bebas yang boleh menyebabkan litar pengekstrakan akar kuadrat ini sentiasa menghasilkan 0 volt bukannya akar kuantiti voltan input x sepatutnya:

Terangkan mengapa setiap kesalahan yang dicadangkan akan menyebabkan output kekal pada 0 volt.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Berikut adalah beberapa kemungkinan: resistor R 2 gagal terbuka, jambatan solder merentasi perintang R 3, Q 2 gagal dibuka.

Nota:

Pelajar mungkin akan mengenal pasti opamp U3 sebagai kesalahan yang berpotensi, tetapi ini sangat mudah. Galakkan mereka untuk mencari kemungkinan kesalahan yang lebih menarik !

Soalan 17

Pada awal tahun 1970-an, syarikat Fluke mencipta litar bersepadu "RMS sensor" yang revolusioner, yang digunakan untuk mengubah bentuk gelombang sewenang-wenang ke dalam voltan setara-DC (RMS). Peranti ini menggunakan dua perintang ketepatan untuk memanaskan sepasang transistor yang disambungkan sebagai pasangan kebezaan:

Terangkan bagaimana fungsi litar ini. Apakah prinsip fizikal yang digunakan untuk memperoleh nilai RMS untuk V dalam "# 17"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar ini mengeksploitasi sensitiviti suhu transistor untuk mengesan keseimbangan terma di antara dua resistor R1 dan R2. Dengan definisi, apa-apa voltan DC menghasilkan pelesapan haba yang sama dalam rintangan tertentu sebagai voltan AC adalah nilai RMS voltan AC itu.

Nota:

Persoalan ini memberikan peluang yang baik untuk mengkaji semula fungsi litar pasangan berbeza, dan juga konsep pengukuran ACS RMS. Tanya pelajar anda bagaimana suhu mempengaruhi kekonduksian transistor simpang bipolar, dan bagaimana sambungan opamp ke perintang R2 membentuk gelung umpan balik negatif.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →