Litar OpAmp Penukar Voltan / Semasa

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

$config[ads_text] not found
Anonim

Litar OpAmp Penukar Voltan / Semasa

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

Hitung arus melalui perintang R 2 dalam litar opamp ini untuk beberapa nilai yang berbeza R 2 :


R 2I R 2


1 kΩ


2 kΩ


3 kΩ


4 kΩ


5 kΩ


6 kΩ


Untuk setiap nilai R2, apakah yang membuktikan jumlah arus melaluinya "# 2"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan


R 2I R 2


1 kΩ3 mA


2 kΩ3 mA


3 kΩ3 mA


4 kΩ3 mA


5 kΩ3 mA


6 kΩ3 mA


Litar ini bertindak seperti cermin semasa, kecuali lebih tepat.

Persoalan tindak lanjut: faktor apa yang membataskan nilai rintangan terbesar R2 yang penguat operasi dapat menampung 3 miliamps saat ini?

Nota:

Selain mengkaji tujuan litar cermin semasa, soalan ini menarik perhatian pelajar terhadap keupayaan pengatur semasa penguat operasi dengan menganalisisnya seolah-olah ia hanyalah litar penguat voltan bukan penyongsang.

Soalan 3

Terangkan bagaimana penguat operasi mengekalkan arus malar melalui beban:

Tulis penyelesaian persamaan bagi arus beban terkawal, memandangkan sebarang pembolehubah yang berkaitan yang ditunjukkan dalam gambarajah skematik (R1, V Z, V, A V (OL), dan sebagainya).

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya beban = V Z


R 2

Soalan susulan: adalah transistor sumber arus ke beban, atau tenggelam arus daripadanya "nota tersembunyi"> Nota:

Ini adalah contoh yang baik bagaimana penguat operasi boleh meningkatkan fungsi litar komponen diskret. Dalam kes ini, opamp melaksanakan fungsi litar cermin semasa, dan berbuat demikian dengan ketepatan dan kebolehpercayaan yang lebih besar daripada cermin semasa yang sedia ada.

Perlu diingat bahawa persamaan yang diberikan dalam jawapan tidak secara langsung meramalkan arus melalui beban, tetapi ia meramalkan semasa melalui perintang R 2 . Ini sama dengan beban semasa hanya jika arus pangkalan transistor adalah sifar, yang semestinya tidak boleh. Persamaan sebenar untuk meramalkan arus beban akan sedikit lebih rumit daripada apa yang diberikan dalam jawapan, dan saya biarkan untuk pelajar anda memperolehnya.

Soalan 4

Terangkan bagaimana penguat operasi mengekalkan arus malar melalui beban:

Tulis penyelesaian persamaan bagi arus beban terkawal, memandangkan sebarang pembolehubah yang berkaitan yang ditunjukkan dalam gambarajah skematik (R1, V Z, V, A V (OL), dan sebagainya). Juga, gambarkan apa yang perlu diubah dalam litar ini untuk menetapkan arus terkawal pada nilai yang berbeza.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya beban = V Z


R 1

Soalan susulan: adalah transistor sumber arus ke beban, atau tenggelam arus daripadanya "nota tersembunyi"> Nota:

Ini adalah contoh yang baik bagaimana penguat operasi boleh meningkatkan fungsi litar komponen diskret. Dalam kes ini, opamp melaksanakan fungsi litar cermin semasa, dan berbuat demikian dengan ketepatan dan kebolehpercayaan yang lebih besar daripada cermin semasa yang sedia ada.

Perlu diingat bahawa persamaan yang diberikan dalam jawapan tidak secara langsung meramalkan arus melalui beban, tetapi ia meramalkan semasa melalui perintang R 2 . Ini sama dengan beban semasa hanya jika arus pangkalan transistor adalah sifar, yang semestinya tidak boleh. Persamaan sebenar untuk meramalkan arus beban akan sedikit lebih rumit daripada apa yang diberikan dalam jawapan, dan saya biarkan untuk pelajar anda memperolehnya.

Soalan 5

Pada pandangan pertama, maklum balas kelihatan salah dalam litar semasa yang mengawal ini. Perhatikan bagaimana isyarat maklum balas pergi ke input non-inverting (+) penguat operasi, bukannya input terbalik seperti yang biasanya menjangkakan maklum balas negatif:

Jelaskan bagaimana op-amp ini benar-benar memberikan maklum balas negatif, yang semestinya perlu bagi peraturan semasa yang stabil, kerana maklum balas positif akan menjadi tidak stabil.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Jika peningkatan semasa, voltan maklum balas (seperti diukur dengan merujuk kepada tanah) akan berkurangan, memacu output op-amp dalam arah negatif. Ini cenderung untuk menghidupkan transistor, betul membetulkan keadaan semasa yang berlebihan.

Nota:

Tujuan soalan ini ialah untuk mendapatkan pelajar menyedari maklum balas negatif tidak semestinya perlu masuk ke input terbalik. Apa yang membuat maklum balas "negatif" adalah sifat pembetulannya sendiri: output op-amp memandu ke arah bertentangan dengan gangguan dalam isyarat yang diukur untuk mencapai kestabilan di titik kawalan.

Soalan 6

Ramalkan bagaimana operasi litar pengatur semasa 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:
Diod Zener D 1 gagal:
Resistor R 2 gagal dibuka:
Diode Zener D 1 gagal dibuka:
Beban gagal dipintas:
Wire antara output opamp dan pangkalan transistor memecah terbuka:

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal dibuka: Beban semasa jatuh ke sifar.
Dioda Zener D 1 gagal: Beban arus jatuh ke sifar.
Resistor R 2 tidak terbuka: Beban semasa jatuh ke sifar.
Diod Zener D 1 gagal dibuka: Muatkan peningkatan semasa.
Beban gagal: Beban arus tetap sama.
Wayar antara output opamp dan pangkalan transistor pecah terbuka: Beban arus jatuh ke sifar.

Soalan susulan: yang mana dari dua terminal kuasa opamp (V bekalan atau Ground) membawa lebih banyak semasa operasi normal, dan mengapa "nota tersembunyi"> 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 7

Ramalkan bagaimana operasi litar pengatur semasa 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 2 :
Diod Zener D 1 gagal:
Diode Zener D 1 gagal dibuka:
Beban gagal dipintas:
Wire antara output opamp dan pangkalan transistor memecah terbuka:

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

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal dibuka: Beban semasa jatuh ke sifar.
Resistor R 2 tidak terbuka: Beban semasa jatuh ke sifar.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 2 : Muatkan peningkatan semasa.
Dioda Zener D 1 gagal: Beban arus jatuh ke sifar.
Diod Zener D 1 gagal dibuka: Muatkan peningkatan semasa.
Beban gagal: Beban arus tetap sama.
Wayar antara output opamp dan pangkalan transistor pecah terbuka: Beban arus jatuh ke sifar.

Soalan susulan: yang mana dari dua terminal kuasa opamp (V bekalan atau Ground) membawa lebih banyak semasa operasi normal, dan mengapa "nota tersembunyi"> 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 8

Peranti elektronik yang paling mudah yang mampu menukar isyarat semasa ke isyarat voltan ialah perintang:

Resistor ketepatan biasanya berfungsi dengan baik untuk tujuan ini, terutama apabila jumlah voltan yang jatuh di dalamnya adalah akibat yang sedikit. Inilah sebabnya mengapa perintang shunt sering digunakan dalam litar kuasa untuk mengukur arus, rintangan rendah "rintangan" elemen rintangan menjatuhkan voltan dalam bahagian yang tepat kepada arus yang meneruskannya.

Walau bagaimanapun, jika kita tidak mampu untuk menggugurkan sebarang voltan merentasi rintangan dalam litar, teknik penukaran semasa ke tegangan ini tidak akan menjadi sangat praktikal. Pertimbangkan peralatan saintifik yang berikut, yang digunakan untuk mengukur kesan fotoelektrik (elektron yang dipancarkan dari permukaan pepejal akibat cahaya yang menarik):

Output semasa oleh phototube seperti itu sangat kecil, dan output voltan olehnya lebih kecil lagi. Sekiranya kita mengukur semasa melalui peranti ini, kita perlu mencari jalan lain selain daripada perintang shunt untuk melakukannya.

Masukkan penguat operasi, untuk menyelamatkan! Terangkan bagaimana litar opamp berikut dapat menukar isyarat semasa lemah fototube ke dalam isyarat voltan yang kuat, tanpa mengenakan apa-apa rintangan ketara ke dalam litar phototube:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Reka bentuk litar ini adalah rumit dengan adanya arus bias pada input opamp. Anda mungkin dapat membantu untuk menganalisis versi litar yang sama. Harap maklum bahawa litar mudah ini hanya berfungsi jika opamp tidak mempunyai arus bias input sama sekali:

Nota:

Perhatikan pelajar anda bahawa ini adalah salah satu aplikasi di mana arus bias input "kecil" boleh menjejaskan keputusan. Dalam kes ini, output phototube miniscule semasa terbaik, dan oleh itu kita mesti mengimbangi kewujudan arus bias opamp.

Soalan 9

Ditunjukkan di sini adalah litar mudah untuk membina voltmeter impedans masukan yang sangat tinggi pada papan induk tanpa wayar, menggunakan separuh daripada op-amp dual TL082:

Lukis gambarajah skematik bagi litar ini, hitung nilai perintang yang diperlukan untuk memberikan meter pengukuran voltan 0 hingga 5 volt.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

R = 5 kΩ

Persoalan susulan: tentukan impedans input anggaran voltmeter ini, dan juga voltan maksimum yang dapat diukur dengan sebarang perintang saiz dalam litar.

Nota:

Ini adalah litar yang amat praktikal bagi pelajar anda untuk membina, dan mereka mungkin mendapati ia lebih baik daripada voltmeters mereka sendiri (dibeli) dalam parameter impedans input! Pastikan anda bertanya kepada mereka di mana mereka menemui maklumat mengenai impedans input untuk op-amp TL082, dan bagaimana mereka dapat menentukan voltan masukan maksimum untuk litar seperti ini.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →