Litar OpAmp Musim Panas dan Penarik

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

$config[ads_text] not found
Anonim

Litar OpAmp Musim Panas dan Penarik

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

Rangkaian perintang mudah yang ditunjukkan di sini dikenali sebagai averager pasif . Huraikan maksud perkataan "pasif" dalam konteks ini, dan tulis persamaan yang menerangkan voltan keluaran (V d ) dari segi voltan input (V a, V b, dan V c ):

Petunjuk: terdapat teorem rangkaian yang secara langsung digunakan untuk bentuk litar ini, dan dikenali sebagai Teorema Millman . Penyelidikan teorem ini dan gunakannya untuk menghasilkan persamaan anda!

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

"Pasif" bermaksud litar tidak mengandungi komponen penguatan.

V d = V a + V b + V c


3

Nota:

Pelajar perlu sedar bahawa walaupun litar pasif mampu memodelkan (beberapa) fungsi matematik! Tanya pelajar anda jika mereka boleh memikirkan sebarang kaedah analisis rangkaian untuk mengira voltan output (V d ) litar ini dengan mudah, memandangkan voltan input. Terdapat satu teorem khususnya yang berfungsi dengan lancar untuk litar tertentu ini.

Soalan 3

Tambah litar op-amp ke output rangkaian averager pasif ini untuk menghasilkan litar musim panas : litar operasi menghasilkan voltan keluaran yang sama dengan jumlah empat voltan input. Kemudian, tulis persamaan yang menerangkan fungsi keseluruhan litar.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

V sum = V a + V b + V c + V d

Nota:

Persamaan untuk litar ini cukup sederhana untuk tidak memerlukan penjelasan. Bagaimana pelajar anda memperoleh persamaan ini, dari persamaan asas jaringan penentu pasif, sebaliknya, adalah perbincangan yang bernilai. Bincangkan dengan mereka keuntungan yang perlu dari litar op-amp, dan bagaimana angka keuntungan ini menukar fungsi rata-rata ke dalam fungsi penjumlahan.

Soalan 4

Tulis persamaan matematik untuk litar op-amp ini, dengan mengambil kira semua nilai resistor adalah sama:

Apakah litar ini biasanya dipanggil "# 4"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

c = - (a + b)

Litar jenis ini biasanya dipanggil musim panas terbalik .

Soalan susulan: jelaskan mengapa penambahan resistor lain dalam litar ini disyorkan untuk ketepatan optimum, seperti ditunjukkan dalam skema berikut.

Soalan cabaran: tulis persamaan yang menghuraikan nilai perintang tambahan ini.

Nota:

Tanya pelajar anda tentang nilai resistor yang sesuai untuk litar musim panas yang terbalik. Pilihan nilai resistor pastinya tidak sama untuk membalikkan litar musim panas musim panas dan tidak terbalik sama! Bincangkan mengapa nilai-nilai itu adalah litar musim panas yang terbalik (menggunakan Undang-undang Ohm untuk menganalisis fungsi litar), menekankan kefahaman mengenai hafalan.

Soalan 5

Litar opamp ini dikenali sebagai penguat perbezaan, kadang-kadang dipanggil penolak . Dengan mengandaikan bahawa semua nilai resistor adalah sama dalam litar, tulis persamaan yang menyatakan output (y) sebagai fungsi dua tegangan masukan (a dan b):

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

y = b - a

Nota:

Bekerja melalui beberapa contoh keadaan tegangan input dan nilai resistor untuk mengira voltan keluaran menggunakan Undang-undang Ohm dan prinsip umum maklum balas negatif dalam litar opamp (iaitu, pengiraan pembezaan voltan sifar pada input opamp). Matlamat di sini adalah untuk membolehkan pelajar memahami mengapa litar ini mengurangkan satu voltan daripada yang lain, dan bukan sekadar menggalakkan hafalan.

Soalan 6

Tentukan semua magnitud dan arah semasa, serta penurunan voltan, dalam litar ini:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: apa yang diperlukan untuk mendapatkan litar ini untuk menghasilkan jumlah yang tepat dari empat voltan input "nota tersembunyi"> Nota:

Persoalan ini bukan sahaja menyediakan amalan menganalisis tingkah laku litar musim panas, tetapi juga menganalisis tingkah laku litar perseorangan pasif. Sekiranya pelajar anda memerlukan sedikit penyegaran tentang cara menganalisis penanda pasif, anda mungkin ingin mengkaji semula Millman's Theorem dengan mereka.

Soalan 7

Tentukan semua magnitud dan arah semasa, serta penurunan voltan, dalam litar ini:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: apa yang diperlukan untuk mendapatkan litar ini untuk menghasilkan jumlah yang tepat dari empat voltan input "nota tersembunyi"> Nota:

Persoalan ini bukan sahaja menyediakan amalan menganalisis tingkah laku litar musim panas, tetapi juga menganalisis tingkah laku litar perseorangan pasif. Sekiranya pelajar anda memerlukan sedikit penyegaran tentang cara menganalisis penanda pasif, anda mungkin ingin mengkaji semula Millman's Theorem dengan mereka.

Soalan 8

Tentukan jumlah arus dari titik A hingga titik B dalam litar ini:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

I = 6.5 mA

Nota:

Persoalan ini, semasa menjadi aplikasi Undang-undang Semasa Kirchhoff, juga merupakan permulaan kepada litar musim panas yang terbalik, di mana opamp memakan arus 6.5 mA (jumlah) semasa dan menukarnya menjadi voltan keluaran.

Soalan 9

Tentukan jumlah arus dari titik A hingga titik B dalam litar ini, dan juga voltan keluaran penguat operasi:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

I = 6.5 mA V keluar = -6.5 V

Nota:

Persoalan ini lebih baik didahului oleh # 02516, yang meminta pelajar menyelesaikan masalah semasa antara A dan B tanpa opamp dalam litar (hanya didasarkan pada titik B ). Apabila pelajar menyedari bahawa titik B kini menjadi kawasan maya dan bukannya alasan yang sebenar, mereka melihat kesimpulan yang sama yang diperoleh oleh Undang-undang Semasa Kirchhoff dalam litar pasif masih sah di litar aktif ini dan hasilnya adalah voltan keluaran yang sepadan dengan yang semasa.

Soalan 10

Kenal pasti beberapa ciri yang membezakan litar musim panas yang terbalik dan tidak terbalik. Bagaimanakah anda mengenal pasti yang mana, dan bagaimanakah anda menentukan nilai perintang yang betul untuk membuat setiap kerja berfungsi sepertinya "# 10"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya tidak akan langsung menjawab soalan-soalan di sini, tetapi saya akan memberikan beberapa petunjuk. Litar musim panas yang tidak terbalik terdiri daripada litar voltan litar pasif yang digabungkan dengan penguat voltan bukan penyongsang dengan keuntungan voltan sama dengan bilangan input pada averager. Litar musim panas yang terbalik terdiri daripada nod musim panas pasif semasa digabungkan dengan penukar semasa ke voltan .

Nota:

Persoalan ini direka untuk merangsang perbincangan di kalangan pelajar anda, bertukar idea mengenai ciri-ciri penentu setiap litar. Mempunyai pelajar meneroka setiap jenis litar sendiri, mencapai kesimpulan mereka sendiri tentang bagaimana membezakan keduanya, adalah cara yang jauh lebih berkesan untuk menjadikan mereka memahami perbezaan daripada sekadar memberitahu mereka secara terang-terangan.

Soalan 11

Lengkapkan jadual nilai untuk litar opamp ini, mengira voltan keluaran untuk setiap kombinasi tegangan input yang ditunjukkan:


V 1V 2V keluar


0 V0 V


+1 V0 V


0 V+1 V


+2 V+1.5 V


+3.4 V+1.2 V


-2 V+4 V


+5 V+5 V


-3 V-3 V


Corak apa yang anda perhatikan dalam data "# 11"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan


V 1V 2V keluar


0 V0 V0 V


+1 V0 V-1 V


0 V+1 V+1 V


+2 V+1.5 V-0.5 V


+3.4 V+1.2 V-2.2 V


-2 V+4 V+6 V


+5 V+5 V0 V


-3 V-3 V0 V


Nota:

Pemikiran mungkin membosankan untuk mengira voltan keluaran bagi setiap set voltan input, bekerja melalui semua tetulang voltan dan arus dalam litar opamp satu demi satu, ia menunjukkan pelajar bagaimana mereka boleh membezakan fungsi litar opamp hanya dengan menggunakan undang-undang asas elektrik (Undang-undang Ohm, KVL, dan KCL) dan "andaian emas" litar negatif opamp maklum balas (tiada arus input, voltan masukan pembezaan nol).

Soalan 12

Bagaimana operasi litar penguat perbezaan ini berbanding dengan nilai resistor yang diberikan (2R = dua kali rintangan R), berbanding operasi dengan semua nilai resistor sama?

Jelaskan pendekatan atau teknik yang digunakan untuk memperoleh jawapan anda, dan juga jelaskan bagaimana kesimpulan anda untuk litar ini mungkin umum untuk semua litar penguat perbezaan.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sangat penting untuk anda mengembangkan kemahiran "menjelajah" konfigurasi litar untuk melihat apa yang akan dilakukan, dan bukannya harus diberitahu apa yang dilakukannya (sama ada oleh pengajar atau buku). Apa yang anda perlukan adalah pengetahuan yang kukuh tentang prinsip-prinsip asas elektrik (Undang-undang Ohm, Voltan Kirchhoff dan Undang-undang Semasa) dan mengetahui bagaimana opamps berkelakuan apabila dikonfigurasikan untuk maklum balas negatif.

Adapun kesimpulan umum:

Nota:

Sangat mudah untuk anda (pengajar) untuk menunjukkan bagaimana dan mengapa litar ini bertindak seperti yang berlaku. Walau bagaimanapun, perkara ini adalah untuk mendapatkan pelajar mengambil inisiatif untuk meneroka litar mereka sendiri. Ia cukup mudah bagi mana-mana pelajar untuk menubuhkan beberapa syarat ujian hipotetikal ( percubaan pemikiran ) untuk menganalisis apa yang akan dilakukan oleh litar ini, bahawa satu-satunya perkara yang menahan mereka daripada berbuat demikian adalah sikap, bukan kebolehan.

Ini adalah sesuatu yang saya perhatikan selama bertahun-tahun mengajar: begitu banyak pelajar yang lebih mampu melakukan matematik dan menerapkan peraturan elektrik yang difahami dengan baik enggan melakukannya sendiri, kerana tahun-tahun tradisi pendidikan telah mengindoktrinasi mereka untuk menunggu ketua pengajar dan bukannya menerokai konsep sendiri.

Soalan 13

Jika isyarat voltan yang lemah disampaikan dari sumber kepada penguat, penguat boleh mengesan lebih daripada sekadar isyarat yang dikehendaki. Bersama dengan isyarat yang dikehendaki, "bunyi bising" elektronik luaran boleh digabungkan dengan wayar penghantaran dari sumber AC seperti konduktor talian kuasa, gelombang radio dan sumber gangguan elektromagnet lain. Perhatikan dua waveshapes, yang mewakili voltan sepanjang wayar penghantaran yang diukur dengan merujuk kepada tanah bumi:

Perisai wayar transmisi selalu merupakan ide yang baik dalam persekitaran bising elektrik, tetapi ada solusi yang lebih elegan daripada sekadar berusaha melindungi pergerakan dari ke kabel. Daripada menggunakan penguat satu hujung untuk menerima isyarat, kita boleh menghantar isyarat sepanjang dua wayar dan menggunakan penguat perbezaan pada akhir penerimaan. Perhatikan empat bentuk gelombang yang ditunjukkan, yang mewakili tegasan pada titik tersebut diukur dengan merujuk kepada tanah:

Sekiranya kedua-dua wayar itu selari dengan satu sama lain jarak keseluruhan, supaya terdedah kepada sumber hingar yang sama di sepanjang jarak itu, voltan bunyi pada hujung dawai bawah akan menjadi voltan bunyi yang sama seperti yang ditumpangi pada Isyarat pada akhir wayar atas.

Terangkan bagaimana penguat perbezaan dapat memulihkan voltan isyarat asli (bersih) daripada dua tegasan yang dilalui noise yang dilihat pada inputnya berkenaan dengan tanah, dan juga bagaimana ungkapan voltan mod biasa digunakan untuk senario ini.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Voltan "biasa-mod" merujuk kepada voltan yang biasa digunakan oleh dua atau lebih wayar seperti diukur dengan rujukan ke titik ketiga (dalam kes ini, tanah). Penguat dalam litar kedua hanya menghasilkan perbezaan antara kedua-dua isyarat, dan oleh itu tidak menghasilkan semula voltan bunyi (biasa-mod) pada outputnya.

Soalan cabaran: lukisan asli (satu dawai ditambah tanah) skematik untuk model sumber gangguan dan galangan wayar, untuk menunjukkan dengan tepat bagaimana isyarat boleh bercampur dengan bunyi dari sumber ke penguat.

Nota:

Transmisi isyarat pembezaan adalah aplikasi penguat perbezaan yang sangat praktikal, dan membentuk asas lapisan-lapisan fizikal standard transmisi data tertentu seperti RS-422 dan RS-485.

Soalan 14

Penyanyi yang ingin berlatih bernyanyi kepada muzik popular mendapati bahawa litar elektro vokal berikut berguna:

Litar bekerja pada prinsip bahawa trek vokal biasanya direkodkan melalui mikrofon tunggal di studio rakaman, dan dengan itu diwakili sama pada setiap saluran sistem bunyi stereo. Litar ini berkesan menghapuskan lagu lantang dari lagu itu, hanya meninggalkan muzik untuk didengar melalui fon kepala atau pembesar suara.

Terangkan bagaimana penguat operasi mencapai tugas penghapusan trek vokal ini. Peranan apa yang setiap opamp dimainkan dalam litar ini "# 14"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Dua opamps pertama semata-mata "menimbulkan" input isyarat audio supaya mereka tidak menjadi dimuatkan oleh perintang. Opamp ketiga mengurangkan isyarat saluran kiri dari isyarat saluran yang betul, menghapuskan sebarang bunyi yang sama untuk kedua-dua saluran.

Soalan cabaran: malangnya, litar seperti yang ditunjukkan cenderung untuk menghilangkan nada bass serta vokal, kerana sifat akustik nada bass menjadikannya diwakili hampir sama di kedua-dua saluran. Tentukan bagaimana litar boleh diperluaskan untuk memasukkan opamp yang memperkenalkan semula nada bass ke "output suara".

Nota:

Litar seperti ini sangat bagus untuk ilustrasi, kerana ia menunjukkan penggunaan praktikal prinsip sambil menarik minat pelajar.

Salah satu daripada pelajar saya, apabila menghadapi soalan cabaran, mencadangkan meletakkan penapis lulus tinggi sebelum salah satu input subtractor, menghapus nada bass di salah satu input dan dengan itu mengeluarkan semula nada bass pada output penarik. Ini adalah idea yang bagus, dan menunjukkan apa yang boleh berlaku apabila pelajar diberi forum untuk berfikir secara kreatif dan secara bebas menyatakan idea, tetapi ada beberapa sebab praktikal yang sukar untuk dilaksanakan. Konsep ini berfungsi hebat jika kita menganggap penggunaan penapis HP yang sempurna, dengan sifar fasa peralihan fasa dan pelemahan sifar melalui seluruh pas-band. Malangnya, litar penapis sebenar sentiasa mempamerkan beberapa darjah keduanya, jadi proses penolakan tidak sepatutnya berkesan untuk menghapuskan vokal dari lagu.

Soalan 15

Litar berikut dikenali sebagai penguat instrumentasi :

Katakan suatu voltan DC akan digunakan pada terminal input bukan penyongsangan, +1 volt pada V dalam (+), dan terminal input pembalikkan yang diasaskan. Lengkapkan jadual berikut yang menunjukkan voltan keluaran litar ini untuk nilai yang berbeza m:


mV keluar


1


2


3


4


5


6


Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan


mV keluar


13 volt


22 volt


31.66 volt


41.5 volt


51.4 volt


61.33 volt


A V (perbezaan) = 2 + m


m

Soalan susulan: kenapa saya memilih untuk menetapkan voltan masukan tidak terbalik pada +1 volt dan tanahkan input "nota yang disembunyikan"> Nota:

Walaupun hubungan di antara penguat kebolehan penguatkuasa instrumentasi dan m mungkin dipandang dalam mana-mana buku teks litar opamp yang baik, itu adalah sesuatu yang pelajar anda harus belajar untuk memikirkan sendiri dari data dalam jadual.

Soalan 16

Cari datasheet untuk penguat instrumentasi sebenar (dibungkus sebagai litar bersepadu tunggal) dan bawa ke kelas untuk perbincangan dengan rakan sekelas anda. Menganalisis dan membincangkan kerja dalaman litar, dan beberapa parameter prestasi. Sekiranya anda tidak tahu di mana hendak melihat, cuba periksa model Peranti Analog AD623, sama ada dalam buku rujukan atau di internet.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya akan meninggalkan perbincangan ini kepada anda dan rakan sekelas anda. Dengan apa-apa nasib, anda sepatutnya menemui beberapa contoh litar yang menunjukkan bagaimana penguat instrumentasi boleh digunakan, atau mungkin beberapa nota aplikasi untuk melengkapi datasheet.

Nota:

Idea soalan ini adalah untuk mendapatkan pelajar menyelidik aplikasi litar bersepadu sebenar, untuk mengajar mereka bagaimana untuk melakukan kajian ini dan juga bagaimana untuk mentafsirkan apa yang mereka temukan. Oleh kerana terdapat begitu banyak penguat instrumentasi berkualiti tinggi yang telah dibina dan dibungkus sebagai unit monolitik, biasanya tidak bernilai masa juruteknik untuk mengarang satu daripada opamps individu. Walau bagaimanapun, apabila menentukan penguat instrumentasi pra-terbina, adalah penting untuk mengetahui apa yang anda perlukan dan cara menggunakannya sebaik sahaja ia tiba!

Soalan 17

Litar berikut adalah sejenis penguat perbezaan, sama seperti tingkah laku kepada penguat instrumentasi, tetapi hanya menggunakan dua penguat operasi dan bukannya tiga:

Lengkapkan jadual nilai untuk litar opamp ini, mengira voltan keluaran untuk setiap kombinasi tegangan input yang ditunjukkan. Daripada nilai voltan keluaran yang dikira, tentukan input yang mana litar ini terbalik, dan yang tidak terbalik, dan juga berapa banyak voltan pembezaan yang diperoleh litar ini. Nyatakan kesimpulan ini dalam bentuk persamaan.


V 1V 2V keluar


0 V0 V


+1 V0 V


0 V+1 V


+2 V+1.5 V


+3.4 V+1.2 V


-2 V+4 V


+5 V+5 V


-3 V-3 V


Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan


V 1V 2V keluar


0 V0 V0 V


+1 V0 V-2 V


0 V+1 V+2 V


+2 V+1.5 V-1 V


+3.4 V+1.2 V-4.4 V


-2 V+4 V+12 V


+5 V+5 V0 V


-3 V-3 V0 V


V keluar = 2 (V 2 - V 1 )

Soalan susulan: terangkan bagaimana litar ini sekaligus serupa dan berlainan daripada litar penguat ïnstrumentation yang popular.

Nota:

Walaupun ia cukup mudah hanya untuk memberitahu pelajar yang inputnya terbalik dan inputnya tidak membalikkan, mereka akan belajar lebih banyak (dan mengamalkan kemahiran analisis mereka lebih banyak) jika diminta untuk bekerja melalui jadual nilai untuk memikirkannya.

Soalan 18

Parameter yang penting bagi mana-mana penguat perbezaan - opamps terdedah dan penguat perbezaan yang diperbuat daripada opamps sama - adalah penolakan mod umum, atau CMR. Terangkan maksud parameter ini, bagaimana litar berikut menguji parameter ini, dan mengapa penting bagi kami:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

CMR mengukur sejauh mana penguat perbezaan mengabaikan isyarat mod biasa.

Soalan susulan: apa julat nilai CMR yang anda harapkan daripada penguat perbezaan yang baik, jika tertakluk kepada ujian yang ditunjukkan dalam skematik dan CMR yang dikira oleh formula "nota tersembunyi" yang diberi> Nota:

Sekiranya sesetengah pelajar tidak ingat (!), Formula logaritmik adalah tidak istimewa. Ia hanya memberikan jawapan dalam unit decibels.

Soalan 19

Jelaskan nisbah penolakan mod biasa-biasa bagi penguat perbezaan, dan beri formula untuk mengiranya.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nisbah penolakan mod biasa membandingkan perbandingan voltan pembolehubah amplifier dengan gain voltan biasa mod. Idealnya, CMRR adalah tak terhingga.

CMRR = 20 log  Diff (nisbah)


A CM (nisbah)

 

Mekanisme asas yang menyebabkan isyarat mod biasa untuk membuatnya melalui output penguat berbeza ialah perubahan dalam voltan mengimbangi input yang terhasil daripada pergeseran bias yang disebabkan oleh voltan mod biasa itu. Oleh itu, kadang-kadang anda mungkin melihat CMRR seperti berikut:

CMRR = 20 log  ΔV dalam (umum)


ΔV offset

 

Nota:

Aplikasi yang benar-benar menunjukkan nilai CMRR yang tinggi adalah penghantaran isyarat yang berbeza, seperti yang ditunjukkan dalam soalan # 02519. Bagi pelajar yang tidak memahami kepentingan CMRR, ini akan menjadi litar contoh yang baik untuk menunjukkan kepada mereka.

Soalan 20

Huraikan bagaimana operasi rangkaian averager pasif 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 :
Resistor R 2 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 2 :
Resistor R 3 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 3 :

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal terbuka: V avg menjadi purata V 2 dan V 3 sahaja.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : V avg menjadi sama dengan V 1 .
Resistor R 2 gagal terbuka: V avg menjadi purata V 1 dan V 3 sahaja.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 2 : V avg menjadi sama dengan V 2 .
Resistor R 3 gagal terbuka: V avg menjadi purata V 1 dan V 2 sahaja.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 3 : V avg menjadi sama dengan V 3 .

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 21

Ramalkan bagaimana operasi litar musim panas 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 3 :
Resistor R 4 gagal dibuka:
Resistor R 5 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 5:
Resistor R 6 gagal dibuka:

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal dibuka: V keluar menjadi sama dengan 4/3 jumlah voltan V 2, V 3, dan V 4 .
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 3 : V keluar menjadi sama dengan 4 kali V 3 .
Resistor R 4 gagal terbuka: V keluar menjadi sama dengan 4/3 jumlah voltan V 1, V 2, dan V 3 .
Resistor R 5 gagal terbuka: Litar beroperasi sebagai averager, bukan musim panas.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 5 : V keluar saturates dalam arah yang positif.
Resistor R 6 gagal dibuka: V keluar saturates dalam arah yang positif.

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 22

Ramalkan bagaimana operasi litar musim panas 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:
Resistor R 2 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 3 :
Resistor R 4 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 4 :

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal dibuka: V keluar menjadi (terbalik) jumlah V 2 dan V 3 sahaja.
Resistor R 2 gagal dibuka: V keluar menjadi (terbalik) jumlah V 1 dan V 3 sahaja.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 3 : V keluar jenuh dalam arah negatif.
Resistor R 4 gagal terbuka: V keluar saturates dalam arah negatif.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 4 : V keluar pergi ke 0 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 23

Ramalkan bagaimana operasi litar penguat perbezaan 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:
Resistor R 2 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 3 :
Resistor R 4 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 4 :

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal dibuka: V keluar menjadi sama dengan 1/2 V 2 .
Resistor R 2 gagal dibuka: V keluar saturates.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 3 : V keluar menjadi sama dengan 2 V 2 - V 1 dan bukan V 2 - V 1 .
Resistor R 4 gagal dibuka: V keluar menjadi sama dengan 2 V 2 - V 1 dan bukannya V 2 - V 1 .
Jambatan pateri (pendek) merentasi R 4 : V keluar menjadi sama dengan -V 1 .

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 24

Penguat instrumentasi adalah konfigurasi litar yang popular untuk penyesuaian isyarat analog dalam pelbagai aplikasi pengukuran elektronik. Salah satu sebab yang begitu popular ialah keuntungan berlainan mungkin ditetapkan dengan mengubah nilai perintang tunggal, nilai yang diwakili dalam skema ini oleh pemalar multiplier yang dinamakan m:

Terdapat persamaan yang menggambarkan keuntungan berlainan penguat instrumentasi, tetapi ia cukup mudah untuk penyelidikan jadi saya akan meninggalkan terperinci itu kepada anda. Apa yang saya ingin anda lakukan di sini adalah secara algebraa mendapatkan persamaan tersebut berdasarkan kepada apa yang anda tahu mengenai litar penguat kendalian operasi yang terbalik dan tidak terbalik.

Katakan kita menggunakan +1 voltan ke input bukan pengaliran dan tanahkan input pembalikkan, memberikan voltan input perbezaan 1 voltan. Apa jua voltan yang muncul pada keluaran litar penguat instrumentasi, maka secara langsung mewakili keuntungan voltan:

Petunjuk untuk membina penjelasan algebra untuk voltan keluaran litar adalah untuk melihat kedua-dua "penampan" opamp secara berasingan, sebagai pembalik dan pembalik bukan pengaliran:

Perhatikan konfigurasi (pembalikkan atau pembalikkan) setiap litar ini menyerupai, membangunkan fungsi pemindahan bagi setiap (Output =

.

Input), kemudian gabungkan dua persamaan dengan cara yang mewakili apa litar penolak akan dilakukan. Hasil akhir anda mestilah persamaan keuntungan bagi penguat instrumentasi dari segi m.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya tidak akan memperlihatkan jawapan yang lengkap, tapi inilah permulaan:

Persamaan untuk bahagian terbalik:

Output = -  R


Encik

  Input

Persamaan untuk bahagian tidak terbalik:

Output =  R


Encik

+ 1  Input

Nota:

Persoalan ini sebenarnya berasal dari salah seorang pelajar saya kerana dia cuba memikirkan penjelasan algebra untuk mendapatkan penguat instrumentasi! Saya fikir idea itu begitu baik sehingga saya memutuskan untuk memasukkannya sebagai soalan dalam projek Elektronik Socratic.

Pelajar-pelajar yang mengejutkan akan mendapati bahawa tanda negatif dalam persamaan penguat terbalik menjadi sangat penting dalam bukti ini. Sebagai pengajar, saya sering mengelakkan tanda-tanda, memilih untuk memikirkan polariti isyarat sebagai langkah akhir selepas semua aritmetik lain telah diselesaikan untuk analisis litar. Oleh itu, saya biasanya membentangkan persamaan penguat terbalik sebagai ((R f ) / (R in )) dengan kaveat polariti terbalik dari input kepada output. Di sini, tanda negatif menjadi bahagian penting penyelesaian!

Soalan 25

Hitung keuntungan voltan litar opamp berikut dengan potensiometer bertukar sepenuhnya, tepat pada kedudukan pertengahan, dan sepenuhnya ke bawah:

A V (periuk sepenuhnya) =
A V (periuk pertengahan) =
A V (periuk sepenuhnya ke bawah) =
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

A V (periuk sepenuhnya) = +1
A V (kedudukan pertengahan periuk) = 0
A V (periuk sepenuhnya turun) = -1

Soalan susulan: bolehkah anda memikirkan sebarang aplikasi yang menarik untuk litar seperti "nota yang disembunyikan" ini> Nota:

Tanya pelajar anda bagaimana mereka menghampiri masalah ini. Bagaimana, betul, adakah mereka memilih untuk menetapkannya supaya penyelesaian menjadi paling jelas?

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →