Circuite OpAmp de feedback negativ AC

#75: Basics of Opamp circuits - a tutorial on how to understand most opamp circuits (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Circuite OpAmp de feedback negativ AC

Circuite integrate analogice


Intrebarea 1

Nu stați acolo! Construiți ceva!

Învățarea de a analiza matematic circuitele necesită mult studiu și practică. În mod obișnuit, elevii practică prin lucrul prin numeroase probleme de probă și verificând răspunsurile lor față de cele oferite de manual sau instructor. În timp ce acest lucru este bun, există o cale mult mai bună.

Veți învăța mult mai mult prin construirea și analizarea circuitelor reale, permițând echipamentul de testare să furnizeze "răspunsurile" în loc de o carte sau de o altă persoană. Pentru exerciții de construire a circuitelor de succes, urmați acești pași:

  1. Cu atenție măsurați și înregistrați toate valorile componentelor înainte de construcția circuitului.
  2. Desenați diagrama schematică a circuitului care urmează să fie analizat.
  3. Construiți cu atenție acest circuit pe un panou sau alt mediu convenabil.
  4. Verificați precizia construcției circuitului, urmărind fiecare cablu la fiecare punct de conectare și verificând elementele unu-câte unul pe diagramă.
  5. Analiza matematică a circuitului, rezolvarea tuturor valorilor tensiunii și curentului.
  6. Măsurați cu atenție toate tensiunile și curenții, pentru a verifica corectitudinea analizei.
  7. Dacă există erori substanțiale (mai mari de câteva procente), verificați cu atenție construcția circuitului în funcție de diagramă, apoi calculați cu atenție valorile și re-măsurați cu atenție.

Evitați utilizarea modelului 741 op-amp, cu excepția cazului în care doriți să contestați abilitățile de proiectare a circuitelor. Există mai multe versatil op-amp modele disponibile în mod obișnuit pentru începători. Vă recomandăm LM324 pentru circuitele de curent continuu și cu frecvență joasă și proiectele TL082 pentru AC care implică semnale audio sau frecvențe mai mari.

Ca de obicei, evitați valorile rezistenței foarte mari și foarte scăzute, pentru a evita erorile de măsurare cauzate de încărcarea contorului. Vă recomand valori rezistor între 1 kΩ și 100 kΩ.

O modalitate prin care puteți economisi timp și reduce posibilitatea de eroare este să începeți cu un circuit foarte simplu și să adăugați incremental componente pentru a crește complexitatea acestuia după fiecare analiză, mai degrabă decât să construiți un circuit complet nou pentru fiecare problemă de practică. O altă tehnică de economisire a timpului este de a reutiliza aceleași componente într-o varietate de configurații diferite de circuite. În acest fel, nu va trebui să măsurați valoarea unei componente mai mult decât o dată.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Lăsați electronii înșiși să vă dea răspunsul la propriile "probleme practice"!

Note:

Experiența mea a fost că studenții au nevoie de multă practică cu analiza circuitului pentru a deveni competenți. În acest scop, instructorii oferă de obicei studenților lor o mulțime de probleme de practică prin care să lucreze și oferă răspunsuri elevilor să-și controleze munca. În timp ce această abordare îi face pe studenți să se familiarizeze cu teoria circuitelor, nu reușește să le educe pe deplin.

Elevii nu au nevoie doar de practică matematică. Aceștia au nevoie, de asemenea, de circuite de construcție practice practice și de echipamente de testare. Deci, sugerez următoarea abordare alternativă: elevii ar trebui să- și construiască propriile "probleme de practică" cu componente reale și să încerce să prezică matematic diferitele valori de tensiune și curent. În acest fel, teoria matematică "vine în viață", iar studenții dobândesc o experiență practică pe care nu ar câștiga doar prin rezolvarea ecuațiilor.

Un alt motiv pentru a urma această metodă de practică este de a preda studenților metodă științifică : procesul de testare a unei ipoteze (în acest caz, predicții matematice) prin efectuarea unui experiment real. Elevii vor dezvolta, de asemenea, abilități reale de depanare, deoarece uneori fac erori de construcție a circuitelor.

Petreceți câteva momente de timp cu clasa dvs. pentru a revizui unele dintre "regulile" de construire a circuitelor înainte de a începe. Discutați aceste probleme cu elevii dvs. în aceeași manieră Socratică, în mod normal, ați discuta cu întrebările din foaia de lucru, în loc să le spuneți pur și simplu ce ar trebui și nu ar trebui să facă. Nu încetez niciodată să fiu uimit de modul în care elevii cu greu înțeleg instrucțiunile atunci când sunt prezentați într-un format tipic de lecție (instructor monolog)!

O notă adresată acelor instructori care se pot plânge de timpul "irosit" trebuie să-i facă pe elevi să construiască circuite reale în loc să analizeze doar matematic circuitele teoretice:

Care este scopul studenților care vă ia cursul "panoul de lucru" panoul panoului de lucru implicit?

intrebarea 2

Într-un circuit amplificator tranzistor comun, prezența capacității între bornele colectorului și bazei - indiferent dacă este intrinsecă pentru tranzistor sau conectat extern - are efectul de a transforma circuitul amplificatorului într-un filtru trece-jos, câștigul de tensiune fiind invers proporțional la frecvență:

Explicați de ce este acest lucru. De ce, exact, o capacitate plasată în această locație afectează câștigul de tensiune "# 2"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Capacitatea oferă o cale pentru ca un semnal de reacție AC să treacă de la colector la bază. Având în vedere relația de fază de inversare dintre tensiunea colectorului și tensiunea de bază, acest feedback este degenerativ.

Note:

Elevii trebuie să-și dea seama că aceasta nu este o întrebare ipotetică. Capacitatea intrinsecă există într-adevăr între colector și baza unui tranzistor de joncțiune bipolară (numit capacitatea Miller ), iar acest lucru are un efect degenerator asupra câștigului de tensiune cu frecvență în creștere. Dacă timpul permite, vă recomandăm să discutați modul în care configurațiile comune ale colectorului și ale comunicațiilor de bază ale amplificatoarelor naturale evită această problemă.

Întrebarea 3

Care dintre următoarele circuite de amplificare va fi cel mai afectată de capacitatea colectorului de bază (arătată aici ca un condensator de 10 pF conectat extern) pe măsură ce crește frecvența? Explică de ce.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Amplificatorul cu rezistența mai mare a colectorului va fi afectat mai mult de capacitatea de reacție, deoarece câștigul său de tensiune în mod natural crește un semnal de tensiune mai mare pentru a fi readus la bază pentru orice nivel de semnal de intrare dat.

Note:

Scopul acestei întrebări este de a face pe studenți să vadă, la un nivel de componentă discret, că pentru amplificatorul de emițător obișnuit există un compromis între câștigul maxim și frecvența maximă de funcționare. Această întrebare prefigurează conceptul de Gain-Bandwidth Product (GBW) în circuitele amplificatorului operațional.

Întrebarea 4

O problemă comună întâlnită în dezvoltarea circuitelor amplificatorului tranzistor este oscilația nedorită rezultată din capacitatea parazită și inductanța formând o buclă de feedback pozitiv de la ieșire la intrare. Adesea, acești parametri paraziți sunt destul de mici (nanohenrys și picofarads), rezultând frecvențe foarte mari de oscilație.

Un alt efect parazitar în circuitele amplificatoare tranzistorice este capacitatea de efect Miller între bornele tranzistorului. Pentru circuitele de emițător obișnuit, capacitatea colectorului de bază (C BC ) este deosebit de dificilă deoarece introduce o cale de reacție pentru ca semnalele AC să circule direct de la ieșire (terminalul colectorului) la intrare (terminalul de bază).

Această capacitate parazită de la bază la colector încurajează sau descurajează oscilațiile de înaltă frecvență într-un circuit amplificator comun emițător "# 4"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Prezența C BC într-un circuit emițător obișnuit atenuează oscilațiile de înaltă frecvență.

Note:

Rețineți că am ales să folosesc cuvântul "atenuați" în loc să dau răspunsul în mai multe limba engleză. O parte din raționamentul meu aici este de a acoperi răspunsul dat de la înțelegerea imediată, astfel încât elevii să se gândească puțin mai mult. O altă parte a raționamentului meu este de a forța vocabularul elevilor să se extindă.

Întrebarea 5

Un student conectează un amplificator operațional model CA3130 ca un follower de tensiune (sau tampon de tensiune), care este cel mai simplu tip de circuit op-feedback negativ posibil:

Cu intrarea neinvertitoare conectată la masă (punctul central în diviziunea + 6 / -6 volți), studentul se așteaptă să măsoare 0 volți DC la ieșirea op-amp. Acesta este ceea ce voltmetrul DC înregistrează, dar când este setat la AC, acesta înregistrează tensiune AC substanțială!

Acum este ciudat. Cum poate o tensiune alternativă de tensiune simplă de ieșire tampon atunci când intrarea sa este legată la pământ și sursa de alimentare este pur DC "# 5"> Răspuns dezvălui Ascunde răspuns

Unele op-amperi sunt instabile în mod inerent atunci când funcționează în modul de reacție negativă și vor oscila pe cont propriu dacă nu sunt "compensate de fază" de către un condensator extern.

Următoarele întrebări: Există aplicații ale unui op-amp, cum ar fi CA3130, în cazul în care nu este nevoie de un condensator de compensare sau chiar mai rău ar fi un impediment pentru funcționarea cu succes a circuitului? Sugestie: unele modele de op-amp (cum ar fi modelul 741) au condensatori de compensare încorporați!

Note:

Studenții dvs. ar fi trebuit să studieze foi de date pentru op-amp CA3130 în căutarea unui răspuns la această întrebare. Întrebați-le ce au găsit! Ce terminale pe op-amp CA3130 vă conectați între condensator? Ce dimensiune a condensatorului este adecvată în acest scop?

Având în vedere faptul că unele modele op-amp vin echipate cu propriul condensator de compensare încorporat, ce ne spune acest lucru despre necesitatea CA3130 pentru un condensator extern? De ce producătorul pur și simplu nu a integrat un condensator de compensare în circuitele CA3130 așa cum au făcut-o cu 741? Sau, pentru a formula mai direct întrebarea, întrebați-vă elevii să explice ce dezavantaj există în conectarea unui condensator de compensare la un op-amp.

Întrebarea 6

Unele amplificatoare operaționale sunt echipate cu condensatoare de compensare construite în interior. Clasicul design 741 este un astfel de opamp:

Găsiți condensatorul de compensare din această diagramă schematică și identificați cum furnizează feedback-ul negativ dependent de frecvență în cadrul opampului pentru a reduce câștigul la frecvențe înalte.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Identificarea condensatorului este ușoară: este singura în circuit! Cuplează semnalul de la colectorul Q 17, care este un amplificator activ, cu încărcătură activă, la baza Q16, care este un emițător-follower care conduce Q17. Deoarece Q 17 inversează semnalul aplicat la baza Q16, feedback-ul este degenerativ.

Note:

Răspunsul la această întrebare va necesita o revizuire a teoriei amplificatorului tranzistor de bază, în special a diferitelor configurații ale amplificatoarelor tranzistorice și a relațiilor lor de fază de semnal.

Întrebarea 7

Unele amplificatoare operaționale sunt compensate intern, în timp ce altele sunt compensate extern . Explicați diferența dintre cele două. Sugestie: exemplele fiecăruia includ amplificatoarele operaționale clasice LM741 și LM101. Căutați fișele tehnice respective pentru a vedea ce găsiți pe baza compensațiilor!

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Diferența este locația fizică a condensatorului compensator, indiferent dacă este parte a circuitului integrat sau extern.

Următoarele întrebări: arătați cum poate fi conectat un condensator extern de compensare la un opamp, cum ar fi LM101.

Note:

Cereți studenților dvs. să explice de ce am putea folosi orice tip de opamp atunci când construim un circuit. În ce aplicații cred că un opamp compensat intern ar fi mai bine și în ce aplicații crede că un opamp compensat extern ar fi de preferat "workheetpanel panel panel-default" itemscope>

Întrebarea 8

Definiți "Produsul de lărgimea de bandă" (GBW), deoarece termenul se aplică amplificatoarelor operaționale.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Produsul GBW este o valoare constantă pentru majoritatea amplificatoarelor operaționale, egală cu câștigul în buclă deschisă a opampului înmulțit cu frecvența semnalului la acel câștig.

Note:

Există și alte modalități de a defini produsul Gain-Bandwidth, astfel încât să nu vă surprindeți dacă elevii prezintă definiții alternative în timpul discuției.

Întrebarea 9

Definiți "Unitatea-Gain Bandwidth" (B 1 ), deoarece termenul se aplică amplificatoarelor operaționale.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Unitatea-Gain Bandwidth este frecvența la care câștigul de tensiune al unui amplificator operațional al amplificatorului operațional este egal cu 1.

Note:

Nu este nevoie de o mare înțelegere pentru a recunoaște că lățimea de bandă a unității de câștig (B 1 ) și produsul de lățime de bandă de câștig (GBW) sunt aproape același lucru. Acesta ar fi un punct bun de a aduce (sub forma unei întrebări!) Studenților dvs. dacă ați discutat deja despre GBW.

Întrebarea 10

Explicați efectul pe care îl are capacitatea de compensare asupra produsului amplificator operațional al amplificatorului operațional (GBW). Are o capacitate de compensare mai mare un GBW mai mare sau o GBW mai mică, și de ce?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Cu cât este mai mare capacitatea de compensare într-un op-amp (fie intern, fie extern conectat), cu atât este mai puțin produsul GBW.

Note:

În această întrebare, aspectul cu adevărat important nu este răspunsul dat. Ceea ce este important aici este că elevii înțeleg ce este produsul GBW și cum este afectat de acest lucru numit "capacitate de compensare" (un alt subiect al cercetării). Scopul este să îi atragem pe studenți să studieze aceste concepte și să le relaționeze împreună, așa că vă rog să nu fiți mulțumiți de răspunsurile studenților care doar repetă răspunsul dat aici! Cereți elevilor să explice ce înseamnă acești termeni și concepte și să explice de ce produsul GBW scade cu creșterea C comp .

Întrebarea 11

Un parametru important de performanță AC pentru amplificatoarele operaționale este rata de zgomot . Explicați ce este "rata de zgomot" și ce cauzează să fie mai puțin optimă pentru un opamp.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Rata de rată este viteza maximă de schimbare a tensiunii de ieșire în timp ((dv / dt) | max ) pe care un opamp îl poate acumula.

Următoarea întrebare: Care ar fi forma de undă de ieșire a unui opamp arată ca în cazul în care încerca să amplifice un semnal pătrat val cu o frecvență și o amplitudine care depășesc rata de zbor a amplificatorului?

Note:

Întrebarea de urmărire este foarte importantă, deoarece solicită elevilor să aplice conceptul de maxim (dv / dt) la valurile de valuri actuale. Acest lucru este adesea discutat de manualele introductive, deși, astfel încât nu ar trebui să fie dificil pentru elevi să găsească informații bune pentru a le ajuta să formuleze un răspuns.

Întrebarea 12

Ea îi lovește pe unii studenți ca fiind ciudat că opampii ar avea o rată constantă de ucis. Asta este, atunci când este supus unei tensiuni de intrare de schimbare a treptei, tensiunea de ieșire a unui opamp va deveni rampă liniară în timp, mai degrabă decât rampă într-un alt mod (cum ar fi curba exponențială inversă văzută în circuitele de puls RC și RL):

Totuși, acest efect are o cauză determinată și se găsește în proiectarea circuitelor interne ale opului: etapele de multiplicare a tensiunii în circuitele amplificatorului operațional folosesc adesea încărcare activă pentru creșterea tensiunii. Un exemplu de încărcare activă poate fi văzut în următoarea diagramă schematică pentru opampul clasic 741, unde tranzistorul Q9 acționează ca o sarcină activă pentru tranzistorul Q10 și unde tranzistorul Q 13 asigură o sarcină activă pentru tranzistorul Q 17 :

Explicați modul în care încărcarea activă creează rata constantă de zgomot expusă de circuitele amplificatorului operațional, cum ar fi cele 741. Ce factori reprezintă rampa liniară a tensiunii în timp "# 12"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Sarcini active acționează ca surse de curent constant care alimentează un curent constant (maxim) prin orice capacitate în calea lor. Aceasta conduce la rate constante (dv / dt) în conformitate cu ecuația "Ohm's Law" pentru condensatori:

i = C DV


dt

Următoarea întrebare: în funcție de ceea ce vedeți aici, determinați ce parametri ar putea fi modificați în circuitul intern al unui amplificator operațional pentru a mări rata de zgomot.

Note:

Această întrebare oferă o revizuire bună a comportamentului condensator fundamental și, de asemenea, explică de ce opamps au rate de rahat așa cum fac.

Întrebarea 13

Calculați impedanța (în forma numărului complex) "văzută" de sursa de semnal AC, deoarece acționează circuitul integrator pasiv din stânga și circuitul integrat activ în dreapta. În ambele cazuri, presupuneți că nimic nu este conectat la terminalul V out :

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Note:

Cel mai important lucru care trebuie învățat aici este că opampul "izolează" sursa de semnal din orice impedanță este în buclă de feedback, astfel încât impedanța de intrare (în acest caz, rezistorul de 10 kΩ) este singura impedanță "vizibilă" acea sursă. Acest lucru are efecte profunde asupra relației de fază dintre semnalul de ieșire și semnalul de intrare.

Întrebarea 14

Calculați unghiul de fază al curentului extras din sursa de semnal AC, deoarece conduce circuitul integratorului pasiv din stânga și circuitul integrat activ în dreapta. În ambele cazuri, presupuneți că nimic nu este conectat la terminalul V out :

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Θ = 46, 7 o pentru curentul integratorului pasiv, în timp ce Θ = 0o pentru circuitul integrat activ.

Note:

Cel mai important lucru care trebuie învățat aici este că opampul "izolează" sursa de semnal din orice impedanță este în buclă de feedback, astfel încât impedanța de intrare (în acest caz, rezistorul de 10 kΩ) este singura impedanță "vizibilă" acea sursă. Acest lucru are efecte profunde asupra relației de fază dintre semnalul de ieșire și semnalul de intrare.

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →