Circuite OpAmp de feedback negativ

Feedback (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Circuite OpAmp de feedback negativ

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 pentru circuitul 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 mă mai opresc niciodată să fiu uimită de modul în care elevii slab înțeleg instrucțiunile atunci când sunt prezentați într-un format tipic de prelegere (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

Câștigul de tensiune al unui amplificator cu un singur capăt este definit ca raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare:

A V = V out


V in

Adesea, câștigul de tensiune este definit mai specific ca raportul variației tensiunii de ieșire la schimbarea tensiunii de intrare. Aceasta este în general cunoscută sub numele de câștig de tensiune AC a unui amplificator:

A V (AC) = ΔV out


ΔV in

În orice caz, totuși, câștigul este un raport al unei singure tensiuni de ieșire la o singură tensiune de intrare.

Cum se definește, în general, câștigul de tensiune al unui amplificator diferențial, în care sunt două intrări, nu doar una "// www.beautycrew.com.au//227x02.png">

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Câștigul de tensiune pentru un amplificator diferențial este definit ca raportul dintre tensiunea de ieșire și diferența de tensiune dintre cele două intrări.

Note:

Acesta este un concept foarte important pentru studenți de a înțelege, mai ales înainte de a continua studiul amplificatoarelor operaționale, care nu sunt decât amplificatoare diferențiale cu câștiguri de tensiune extrem de ridicate.

Întrebarea 3

Scrieți funcția de transfer (ecuație de intrare / ieșire) pentru un amplificator operațional cu câștig de tensiune în buclă deschisă de 100.000. Cu alte cuvinte, scrieți o ecuație care descrie tensiunea de ieșire a acestui op-amp (V out ) pentru orice combinație de tensiuni de intrare (V în (+) și V în (-) ):

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

V out = 100000 (V în (+) - V în (-) )

Note:

Conceptul de "funcție de transfer" este foarte util și poate fi prima expunere a elevilor la idee. Este o expresie folosită destul de des în aplicațiile de inginerie și poate denota o ecuație, o tabelă de numere sau un grafic.

În această întrebare specială, este important ca studenții să știe cum să obțină și să utilizeze funcția de transfer de bază pentru un amplificator diferențial. Provocați elevilor să-și exprime această funcție într-o formă mai generală, astfel încât calculele să poată fi făcute cu câștiguri diferite de tensiune în buclă deschisă.

Întrebarea 4

Cât de multă tensiune ar trebui să fie "formată" la potențiometru pentru a stabiliza ieșirea la exact 0 volți, presupunând că opampul nu are tensiune de intrare offset "/ / www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com /images/quiz/00924x01.png ">

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

5 volți

Note:

Această întrebare este o revizuire de bază a funcției unui amplificator diferențial ideal. Întrebați-vă studenților ce tensiune trebuie să fie "formată" la potențiometru pentru a produce 0 volți la ieșirea op-amperului pentru mai multe tensiuni diferite la cealaltă intrare. Dacă nu înțeleg la început, ei vor lua în curând discuții cu privire la aceste scenarii alternative.

Întrebarea 5

Un op-amp are 3 volți aplicat la intrarea inversoare și +3.002 volți aplicat intrării non-inversoare. Câștigul de tensiune în buclă deschisă este de 220.000. Calculați tensiunea de ieșire așa cum este prevăzută de următoarea formulă:

V out = A V (V în (+) - V în (-) )

Cât de mult diferențial de tensiune (de intrare) este necesar pentru a conduce de ieșire a op-amper la o tensiune de -4, 5 volți?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

V out = 440 volți

Următoarea întrebare: este această cifră de tensiune realistă? Este posibil ca un op-amp, cum ar fi modelul 741, să dea 440 volți? De ce sau de ce nu?

Tensiunea de intrare diferențială necesară pentru a acționa ieșirea acestui op-amp la -4, 5 volți este -20, 455 μV.

Următoarea întrebare: ce înseamnă pentru diferența de tensiune de intrare să fie negativă 20.455 microvolți? Furnizați un exemplu de două tensiuni de intrare (V în (+) și V în (-) ) care ar genera această diferență de tensiune foarte mare.

Note:

Evident, există limitări ale formulei op-amper pentru calculul tensiunii de ieșire, datorită tensiunilor de intrare și câștigului de tensiune în buclă deschisă. Elevii trebuie să-și dea seama de limitele practice ale intervalului de tensiune de ieșire al unui op-amp și care stabilește aceste limite.

Întrebarea 6

Un concept foarte important în electronică este cel al feedback-ului negativ . Acesta este un concept extrem de important de înțeles, deoarece multe sisteme electronice exploatează acest principiu pentru funcționarea lor și nu pot fi înțelese în mod corespunzător fără o înțelegere a acestuia.

Cu toate acestea, un feedback negativ important ar putea fi, nu este cel mai ușor de înțeles conceptul. De fapt, este un salt destul de conceptual pentru unii. Următoarea este o listă de exemple - unele electronice, unele care nu prezintă un feedback negativ:

Un circuit de reglare a tensiunii
Un sistem auto-pilot pentru o aeronavă sau o barcă
Un sistem termostatic de control al temperaturii ("termostat")
Rezistor emițător într-un circuit amplificator BJT
Demonstrația Legii lui Lenz (amortizarea magnetică a unui obiect în mișcare)
Temperatura corporală a unui mamifer
Reglementarea naturală a prețurilor într-o economie de piață liberă ("mâna invizibilă" a lui Adam Smith)
Un om de știință care învață despre comportamentul unui sistem natural prin experimentare.

Pentru fiecare caz, răspundeți la următoarele întrebări:

Ce variabilă este stabilizată prin feedback negativ?
Cum are loc feedback-ul (pas cu pas)?
Care ar fi răspunsul sistemului dacă feedback-ul negativ nu a fost prezent?
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Voi oferi răspunsuri pentru un singur exemplu, regulatorul de tensiune:

Ce variabilă este stabilizată prin feedback negativ?
Tensiunea de ieșire.
Cum are loc feedback-ul (pas cu pas)?
Când crește tensiunea de ieșire, sistemul ia măsuri pentru a scădea mai mult tensiunea intern, lăsând mai puțin pentru ieșire.
Care ar fi răspunsul sistemului dacă feedback-ul negativ nu a fost prezent?
Fără feedback negativ, tensiunea de ieșire s-ar ridica și ar cădea direct la tensiunea de intrare și invers proporțional cu curentul de sarcină.

Note:

Este dificil să exagerez importanța aprecierii feedback-ului negativ în studiul electronicii. Atât de multe tipuri diferite de sisteme depind de funcționarea lor, încât nu poate fi omisă din orice curriculum serios de electronică. Cu toate acestea, văd că multe manuale nu reușesc să exploreze acest principiu într-o profunzime adecvată sau să le discute într-un sens matematic doar în cazul în care elevii ar putea să piardă conceptul de bază deoarece vor fi prea concentrați asupra rezolvării ecuațiilor.

Întrebarea 7

Scrieți funcția de transfer (ecuație de intrare / ieșire) pentru un amplificator operațional cu câștig de tensiune în buclă deschisă de 100.000 și intrarea inversă conectată direct la terminalul său de ieșire. Cu alte cuvinte, scrie o ecuație care descrie tensiunea de ieșire a acestui op-amp (V out ) pentru orice tensiune de intrare dată la intrarea neinversivă (V în (+) ):

Apoi, odată ce ați scris o ecuație, rezolvați pentru câștigul de tensiune total (A V = ((V out ) / (V în (+) ))) acestui circuit amplificator și calculați tensiunea de ieșire pentru un non- inversoare de tensiune de intrare de +6 volți.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

V out = 100.000 (V în (+) - V out )

(Am lăsat-o pe tine să efectuezi simplificarea algebrică aici!)

A V = 100.000


100.001

= 0, 99999

Pentru o tensiune de intrare de +6 volți, tensiunea de ieșire va fi de +5, 99994 volți.

Note:

Punctul semnificativ al acestei întrebări este că elevii văd câștigul de tensiune peste tot al opampului radical atenuat de la 100.000 la aproximativ 1. Ceea ce nu este atât de evident este cât de stabil este acest câștig de tensiune nou, care este unul din scopurile de angajare feedback negativ.

Întrebarea 8

Cât de mult se va produce o schimbare a câștigului de tensiune în buclă deschisă a op-amp-ului asupra câștigului global de tensiune al unui circuit negativ-feedback cum ar fi acesta "/ / www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images /quiz/02288x01.png ">

Dacă câștigul bucla deschisă a acestui amplificator operațional trebuia să se schimbe de la 100.000 la 200.000, de exemplu, cât de mare ar avea un efect asupra câștigului de tensiune măsurat de la intrarea neinversivă la ieșire?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Diferența în câștigul global de tensiune va fi trivială.

Următoarea întrebare: ce avantaj există în construirea circuitelor amplificatoare de tensiune în acest mod, aplicând feedback negativ la un amplificator "de bază" cu câștig intrinseci foarte mare?

Note:

Lucrați cu elevii dvs. pentru a calcula câteva exemple de scenarii, cu vechiul câștig de buclă deschisă față de noul câștig de buclă deschisă. Solicitați elevilor să-și valideze concluziile cu numere!

Răspunsul negativ este un principiu de inginerie extrem de util și unul care ne permite să construim amplificatoare foarte precise utilizând componente imprecise. Credința pentru această idee revine lui Harold Black, inginer electric, în anii 1920. Dl. Black a căutat o modalitate de a îmbunătăți liniaritatea și stabilitatea amplificatoarelor în sistemele telefonice și, după cum o legendă, ideea a venit la el într-o clipă de intuiție pe măsură ce călătorestea pe o navă de feribot.

O notă istorică interesantă este că cererea de brevet de invenție a lui Black 1928 a fost respinsă inițial pe motiv că încerca să prezinte un dispozitiv perpetuu de mișcare! Conceptul de reacție negativă într-un circuit amplificator a fost atât de contrar gândirii ingineriale stabilite la momentul respectiv, încât Black a experimentat o rezistență semnificativă la ideea din cadrul comunității de ingineri. Biroul de brevete al Statelor Unite, pe de altă parte, a fost inundat cu afirmații frauduloase "de mișcare perpetuă" și astfel a respins invenția lui Black la prima vedere.

Întrebarea 9

Completați tabelul de tensiuni pentru acest opamp "follower de tensiune":


V inV out


0 volți0 volți


+5 volți


+10 volți


+15 volți


+20 volți


-5 volți


-10 volți


-15 volți


-20 volți


Revelați răspuns Ascundeți răspunsul


V inV out


0 volți0 volți


+5 volți+5 volți


+10 volți+10 volți


+15 volți+15 volți


+20 volți+15 volți


-5 volți-5 volți


-10 volți-10 volți


-15 volți-15 volți


-20 volți-15 volți


Următoarele întrebări: valorile tensiunii de ieșire indicate în acest tabel sunt ideale. Un adevărat opamp probabil că nu ar fi capabil să realizeze nici ceea ce este arătat aici, datorită idiosincrasiilor acestor circuite de amplificare. Explicați ce ar putea fi diferit într-un circuit opamp real din ceea ce este prezentat aici.

Note:

O greșeală obișnuită pe care le văd studenții noi la opamps face este presupunând că tensiunea de ieșire va atinge magic orice valoare pe care o prezice ecuația de câștig, fără a lua în considerare limitele tensiunii de alimentare a șinei.

O altă întrebare bună de urmărire pentru a vă întreba pe elevii dvs. este următoarea: "Cât de multă tensiune există între cele două terminale de intrare în fiecare din situațiile descrise în tabelul" workheetpanel panel panel-default "itemscope>

Întrebarea 10

Acest circuit de amplificator operațional este adesea denumit tampon de tensiune, deoarece are unitate de amplificare (0 dB) și, prin urmare, reproduce pur și simplu sau "tamponează" tensiunea de intrare:

Ce posibila utilizare este un circuit cum ar fi acesta, care nu ofera nici un castig de tensiune sau orice alta forma de modificare a semnalului "/ / www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/03801x02.png">

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

În timp ce acest circuit nu oferă câștig de tensiune, acesta oferă câștig curent și transformare impedanță . La fel ca și circuitele de amplificare tranzitorie comună (sau comună-scurgere) care au și câștiguri de tensiune ale unității (aproape), circuitele tampon opamp sunt utile ori de câte ori trebuie să conduceți o sarcină relativ "grea" (cu impedanță redusă) de la o sursă "slabă" (de înaltă impedanță).

Note:

Am constatat că unii studenți au dificultăți în ceea ce privește termenii "greu" și "lumină" în ceea ce privește caracteristicile de încărcare. Că o sarcină "grea" ar avea foarte puțini ohmi ai impedanței, și o sarcină "ușoară" ar avea multe ohmuri de impedanță pare contra-intuitivă pentru unii. Totul are sens, totuși, odată ce elevii își dau seama că termenii "greu" și "lumină" se referă la cantitatea de curent trasată de sarcinile respective.

Cereți studenților dvs. să explice de ce piesa dreaptă de sârmă nu reușește să "tamponeze" semnalul de tensiune în același mod în care funcționează circuitul de follower opamp.

Întrebarea 11

În toate scopurile practice, cât de mult există tensiune între bornele de intrare inversoare și non-inversoare ale unui op-amp într-un circuit de reacție negativ-funcțional?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Zero volți

Note:

Cereți studenților dvs. să explice de ce va exista (practic) nicio tensiune între bornele de intrare ale unui amplificator operațional atunci când acesta este utilizat într-un circuit negativ de reacție.

Întrebarea 12

Așa cum se fac adesea anumite ipoteze pentru tranzistoarele bipolare pentru a simplifica analiza lor în circuite (un BJT ideal are curent de bază neglijabil, I C = I E, constant β, etc.), adesea facem presupuneri despre amplificatoarele operaționale, așa că putem analiza mai ușor a comportamentului lor în circuite cu buclă închisă. Identificați unele dintre aceste ipoteze opamp ideale pe măsură ce se referă la următorii parametri:

Amplitudinea curenților terminalului de intrare:
Impedanta de intrare:
Impedanță de ieșire:
Tensiunea de intrare:
Tensiunea de ieșire:
Tensiune diferențială (între bornele de intrare) cu feedback negativ:
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Amplitudinea curenților terminalului de intrare: infinitezimale
Impedanță de intrare: infinită
Impedanță de ieșire: infinitezimale
Tensiunea de intrare: nu depășește niciodată + V / -V
Tensiunea de ieșire: nu depășește niciodată + V / -V
Tensiune diferențială (între bornele de intrare) cu feedback negativ: infinitezimale

Note:

Doar în cazul în care elevii dvs. nu sunt familiarizați cu cuvintele infinit și infinitezimale, spuneți-le că înseamnă pur și simplu "mai mare decât mare" și "mai mic decât mic", respectiv.

Întrebarea 13

Scopul acestui circuit este de a furniza o tensiune reglabilă cu butoane. Apăsând pe un buton crește tensiunea de ieșire, în timp ce apăsați pe celălalt buton, tensiunea de ieșire scade. Când nici un buton nu este apăsat, tensiunea rămâne stabilă:

După ce funcționează foarte bine pentru o perioadă lungă de timp, circuitul eșuează brusc: acum el doar iese la zero volți DC tot timpul.

Un tehnician cu experiență verifică mai întâi tensiunea sursei de alimentare pentru a vedea dacă se află în limitele normale și este. Apoi, tehnicianul verifică tensiunea pe condensator. Explicați de ce acest lucru este un bun punct de test pentru a verifica și ce rezultate a verificării ar spune tehnicianului cu privire la natura defecțiunii.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Verificarea tensiunii peste condensator va spune tehnicianului ce tensiune se va "speta" pentru a se reproduce la ieșire.

Întrebare de provocare: de ce presupuneți că am specifica un amplificator operațional CA3130 pentru acest circuit particular "note ascunse"> Note:

Știind unde să verificăm semnalele critice într-un circuit este o abilitate importantă, deoarece înseamnă, de obicei, diferența dintre localizarea eficientă a unei defecțiuni și pierderea timpului. Cereți studenților dvs. să explice în detaliu rațiunea din spatele verificării tensiunii în condensator și (din nou, în detaliu) ce măsurători de tensiune în acel moment s-ar dovedi în legătură cu natura defecțiunii.

Întrebarea 14

Un student construiește următorul circuit regulat de alimentare AC-DC, dar este nemulțumit de performanța sa:

Reglajul de tensiune nu este la fel de bun ca studentul spera. Când este încărcată, tensiunea de ieșire "scade" mai mult decât vrea studentul. Atunci când tensiunea diodei zener este măsurată în aceleași condiții (ieșire neîncărcată, față de ieșirea încărcată), se observă că tensiunea acesteia se înmoaie puțin. Elevul realizează că o parte a problemei aici este încărcarea diodei zener prin tranzistor. Într-un efort de îmbunătățire a reglării tensiunii acestui circuit, studentul introduce un circuit opamp "follower de tensiune" între dioda zener și tranzistor:

Acum, dioda zener este efectiv izolată de efectele de încărcare ale tranzistorului și, prin extindere, de la sarcina de ieșire. Opampul pur și simplu ia tensiunea zenerului și îl reproduce la baza tranzistorului, livrând cât mai mult curent către tranzistor după cum este necesar fără a impune sarcină suplimentară asupra diodei zener.

Această modificare îmbunătățește într-adevăr capacitatea circuitului de a menține o tensiune de ieșire constantă în condiții de schimbare a încărcării, dar există încă loc pentru îmbunătățire. Un alt student se uită la circuitul modificat și sugerează o mică schimbare care îmbunătățește dramatic reglarea tensiunii:

Acum, tensiunea de ieșire rămâne constantă la tensiunea diodei zener cu aproape nici un "sag" sub sarcină! Cel de-al doilea student este mulțumit de succes, dar primul student nu înțelege de ce această versiune a circuitului funcționează mai bine decât versiunea anterioară. Cum ați explica performanța îmbunătățită a acestui circuit pentru primul student "# 14"> Răspuns dezvăluiți Ascundeți răspunsul

Cu ajutorul conexiunii de feedback relocată, opampul "simte" tensiunea de sarcină la bornele de ieșire și poate corecta orice pierdere de tensiune a tranzistorului de putere.

Următoarea întrebare: noul circuit îmbunătățit prezintă cu siguranță o reglementare mai bună a tensiunii, dar introduce și ceva despre care primul student găsește surprinzător: acum tensiunea de ieșire este cu aproximativ 0, 7 volți mai mare decât era. Explică de ce.

Note:

Aceasta este una dintre întrebările mele preferate de a cere elevilor să înceapă să afle cum funcționează feedback-ul negativ. Este un excelent "test de turnătorie" pentru înțelegerea feedback-ului negativ: acei studenți care înțeleg cum și de ce lucrează feedback negativ vor înțelege imediat semnificația conexiunii de feedback modificate; cei care nu înțeleg feedback-ul negativ nu reușesc să înțeleagă de ce acest circuit funcționează deloc. Petreceți cât timp aveți nevoie să discutați despre acest circuit, deoarece acesta deține cheia înțelegerii elevilor de un mare număr de circuite opamp!

Întrebarea 15

Prezintă modul în care funcționarea acestui circuit de alimentare cu energie reglată va fi afectată ca urmare a următoarelor defecțiuni. Luați în considerare fiecare defecțiune independent (adică unul câte unul, fără multiple defecte):

Transformatorul T 1 nu este deschis:
Rectificarea diodei D 3 nu se deschide:
Rectificarea diodei D 4 nu este scurtată:
Rezistorul R 1 nu este deschis:
Zener dioda D 5 nu se deschide:
Amplificatorul operațional U 1 nu reușește cu ieșire saturativă pozitivă:
Tranzistorul Q1 nu funcționează (colector-emițător):

Pentru fiecare dintre aceste condiții, explicați de ce se vor produce efectele rezultate.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Înfășurarea primară a transformatorului T 1 nu este deschisă: Tensiunea de ieșire scade la zero după descărcarea condensatorilor de filtrare C 1 și C 2 .
Dioda de rectificare D 3 nu este deschisă: nici un efect văzut fără sarcină, regulamentul se stinge mai devreme când încărcarea devine mai grea.
Dioda de rectificare D 4 nu este scurtcircuitată: Poate sufla siguranța, dioda D 2 poate eșua din cauza supraîncălzirii (și aruncă rapid siguranța dacă nu este de asemenea scurtcircuitată).
Rezistor R 1 nu funcționează deschis: Tensiunea de ieșire scade la zero după descărcarea condensatorului de filtru C 2 .
Dioda Zener D 5 nu este deschisă: Tensiunea de ieșire crește până la o valoare aproape nereglementată (nereglementată).
Amplificatorul operațional U 1 nu reușește cu ieșire saturată pozitivă: Tensiunea de ieșire crește până la o valoare aproape neregulată (nereglementată).
Tranzistor Q 1 nu este deschis (colector-emițător): Tensiunea de ieșire scade la zero după descărcarea condensatorului de filtru C 2 .

Note:

Scopul acestei întrebări este abordarea domeniului de depanare a circuitelor dintr-o perspectivă de a ști ce este vina, mai degrabă decât să știm doar ce sunt simptomele. Deși aceasta nu este neapărat o perspectivă realistă, aceasta îi ajută pe elevi să construiască cunoștințele fundamentale necesare pentru a diagnostica un circuit defect din datele empirice. Întrebări precum acest lucru ar trebui să fie urmate (în cele din urmă) de alte întrebări care îi cer elevilor să identifice greșelile posibile pe baza măsurătorilor.

Întrebarea 16

Acest circuit regulat de alimentare are o problemă. În loc de ieșire de 15 volți DC (exact) așa cum ar trebui, este de ieșire 0 volți DC la sarcină:

Măsurați 0, 25 volți DC între TP4 și masă și 20 de volți între TP1 și sol, utilizând voltmetrul dvs. Din aceste informații, determinați cel puțin două erori independente care ar putea cauza această problemă particulară.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Posibile defecțiuni: (rețineți că această listă nu este exhaustivă)

Opamp (U 1 ) a eșuat cu ieșire negativă saturată.
Dioda Zener (D 1 ) a eșuat.
Rezistorul R 1 a eșuat.

Note:

Cereți studenților să explice raționamentul lor, de ce au ales defectele componente pe care le-au făcut. De asemenea, cereți-i să identifice toate componentele pe care le consideră că funcționează corect (dincolo de orice îndoială).

Întrebarea 17

Întreruptoarele de tip "split" sau "dual" DC sunt esențiale pentru alimentarea mai multor tipuri de circuite electronice, în special a anumitor tipuri de circuite amplificatoare operaționale. În cazul în care nu este disponibilă doar o sursă de alimentare "cc", o sursă de alimentare "ßplit" poate fi simulată aproximativ prin utilizarea unui separator de tensiune rezistiv:

Problema cu aceasta este încărcarea: dacă se extrage un curent mai mare de la una din șinele de alimentare decât de la cealaltă, "împărțirea" tensiunii va deveni neuniformă. Singurul mod în care + V și -V va avea aceeași valoare (absolută) a tensiunii la sarcină este dacă impedanța de sarcină este echilibrată uniform între aceste șine și sol. Acest scenariu este puțin probabil. Luați, de exemplu, acest exemplu:

Un circuit simplu opamp, totuși, poate corecta această problemă și poate menține o "împărțire" a tensiunii între + V, Ground și -V:

Explicați modul în care funcționează acest circuit. Ce funcție efectuează cele două rezistoare "# 17"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Cele două rezistoare stabilesc o tensiune de referință exactă între + V și -V, care va fi tensiunea "Ground" văzută de sarcină. Opamp păstrează actualul conductor de masă la acel potențial de referință prin feedback negativ, conducând fie un tranzistor la fel de greu, cât este necesar pentru a menține potențialul Ground centrat între + V și -V.

Întrebare de întrebare: dacă intenționați să construiți un astfel de circuit, este recomandat să plasați o pereche de condensatori de bypass între ieșiri. Explică de ce:

Note:

Acest circuit nu merită doar să discutați cu elevii dvs. ca un exemplu de reacție negativă în acțiune, dar este, de asemenea, practic pentru ei să utilizeze ca un "splitter" de alimentare cu improprie atunci când este disponibilă doar o singură sursă de alimentare. Dacă decideți să construiți acest circuit, aveți grijă de disipările de putere ale tranzistorilor! Determinați curentul de dezechilibru maxim la sarcină (cât de mult curent va fi atras prin terminalul de masă) și apoi înmulțiți curentul cu + V (sau -V, absolut). Aceasta va fi valoarea maximă de disipare a puterii, fie că tranzistorul ar trebui să se ocupe în siguranță.

Ca răspuns la întrebarea provocată, înțelepciunea condensatoarelor de by-pass va fi evident dacă o încărcătură pulsatoare (cum ar fi un motor de tip DC cu perie) este plasată între "șină" și sol. Opampul trebuie să-și schimbe ieșirea înainte și înapoi foarte rapid pentru a activa fiecare tranzistor suficient de repede pentru a contracara scăderea tensiunii cauzată de sarcina pulsatoare. Condensatoarele rezistă în mod natural la schimbarea tensiunii și, prin urmare, sunt ideale pentru atenuarea unor astfel de scurgeri de tensiune, ușurând povara pusă pe opamp.

Întrebarea 18

Proiectați un circuit pasiv care va crea o sursă de alimentare "split" (+ V / -V) de la o singură sursă de tensiune:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Pentru aplicațiile cu curent scăzut, rețeaua rezistor / condensator funcționează remarcabil:

Următoarea întrebare: ce constrângeri de proiectare vor dicta dimensiunile rezistențelor și condensatoarelor "note hidden"> Note:

Acest circuit de separare a tensiunii simplu filtrat funcționează bine atunci când tragerea curentului este scăzută sau cel puțin foarte aproape de a fi egală pe șinele de încărcare + V și -V. Nu funcționează atât de bine pentru încărcări foarte asimetrice sau în cazul în care este importantă extragerea redusă a curentului în staționare (de exemplu, circuite cu baterii de joasă putere). În cazul aplicațiilor care necesită o stabilitate mai bună a tensiunii V / -V, se recomandă un circuit de oprire "follower" după separatorul de tensiune.

Întrebarea 19

Un amplificator tranzistor complementar push-pull construit exact așa cum arătat ar arăta destul de prost, arătând distorsiuni încrucișate:

Cea mai simplă modalitate de a reduce sau elimina această distorsiune este prin adăugarea unor tensiuni de polarizare la fiecare intrare a tranzistorilor, astfel încât nu va exista niciodată o perioadă de timp când cele două tranzistoare sunt simultan cutoff:

O problemă cu această soluție este că doar puțin prea multă tensiune de polarizare va duce la supraîncălzirea tranzistorilor, deoarece aceștia conduc simultan curentul în apropierea punctului de trecere a semnalului AC. O metodă mai sofisticată de atenuare a denaturării încrucișate este utilizarea unui opamp cu feedback negativ, cum ar fi:

Explicați modul în care opampul este capabil să elimine distorsiunea crossover în acest circuit amplificator push-pull fără a fi nevoie de biasing.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Prin simularea V out, opampul este capabil să "spună" dacă tensiunea de ieșire se potrivește sau nu cu tensiunea de intrare, astfel încât să poată conduce tranzistoarele la fel de tare cum trebuie să fie conduse pentru a obține tensiunea de ieșire unde ar trebui să fie.

Întrebare provocare: un design mai practic combină cele două strategii, cum ar fi:

Explicați de ce folosirea tensiunilor de bias mai mică și feedback-ul negativ cu un opamp are ca rezultat o performanță mai bună decât oricare dintre metodele folosite singure.

Note:

Multă se poate spune despre designul unui circuit de amplificator bun în această întrebare, dar punctul fundamental este ca elevii să vadă cum reacția negativă asociată cu câștigul extrem de ridicat al opampului minimizează distorsiunea încrucișată. Asigurați-vă că concentrați atenția studenților asupra acestui punct până când înțeleg bine înainte de lansarea unei discuții despre punctele mai fine ale designului amplificatorului.

Trebuie remarcat faptul că această soluție pentru distorsiunea încrucișată într-un circuit amplificator push-pull nu oferă întotdeauna cele mai bune rezultate. Pentru ca opampul să asigure o tranziție lină între jumătate de cicluri, ieșirea lui trebuie să sară instantaneu de aproximativ 1, 4 volți pentru a trece de la rotirea unui tranzistor la oprirea celuilalt tranzistor. Desigur, nici un opamp nu poate face acest lucru, pentru că toate au limitări rate rate. Deci, va exista în continuare o distorsiune crossover, dar nu la fel de mult ca și fără opamp (și cu mult mai puțin disipare puterea în liniște că soluția cu două diode!).

Întrebarea 20

Capacitatea parazită care există în mod natural în cablurile cu două fire poate provoca probleme atunci când este conectată la dispozitive electronice cu înaltă impedanță. Luați, de exemplu, anumite sonde biomedicale utilizate pentru a detecta evenimentele electrochimice în țesuturile vii. Astfel de sonde pot fi modelate ca surse de tensiune în serie cu rezistențe, acele rezistențe fiind, de obicei, destul de mari datorită suprafețelor foarte mici ale suprafeței (contactului) sondei:

Atunci când este conectat la un cablu cu capacitate parazită, se formează un circuit filtru RC cu trecere redusă:

Acest filtru trece-jos (sau integratorul pasiv, dacă doriți) este pur neintenționat. Nimeni nu a cerut ca acesta să fie acolo, dar este oricum datorită rezistenței naturale a sondei și a capacității naturale a cablului. În mod ideal, bineînțeles, am dori să trimitem tensiunea semnalului ( semnalul V) direct la amplificator fără interferențe sau filtrare de orice fel, astfel încât să putem vedea exact ceea ce încercăm să măsuram.

Un mod inteligent de eliminare practică a efectelor capacității cablului este de a încorpora cablul de semnal în propriul scut și apoi de a acționa ecranul cu exact aceeași cantitate de tensiune de la un dispozitiv de urmărire a tensiunii la celălalt capăt al cablului. Aceasta se numește pază :

O schemă echivalentă poate face această tehnică mai ușor de înțeles:

Explicați de ce păstrarea firului de semnal elimină eficient efectele capacității cablului. Desigur, capacitatea este încă prezentă, așa cum nu poate avea nici un efect asupra semnalului slab "# 20"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Opampul de protecție păstrează ecranul de protecție la același potențial ca și conductorul central, menținând 0 volți peste capacitatea parazită dintre cei doi conductori. Cu nici o tensiune peste capacitate, ar putea ca nici măcar să nu fiu acolo!

Următoarea întrebare: deși capacitatea centrală-gardă poate avea zero volți de-a lungul acesteia, datorită opului, capacitatea scutului de protecție (exterioară) încă mai are întreaga tensiune a semnalului. Explicați de ce acest lucru nu ne îngrijorează și de ce prezența sa nu formează un filtru low-pass pe măsură ce capacitatea inițială (neguardată) a cablului a făcut odată.

Note:

Paza este o tehnică folosită în mai multe scenarii de testare și măsurare și servește ca un exemplu excelent de opamps folosit ca adepți de tensiune.

Dacă elevii nu sunt convinși de seriozitatea capacității cablului într-o aplicație cum ar fi cea descrisă, sugerați aceste valori și le cereți să calculeze frecvența de cutoff a filtru trece-jos format din semnalul R și cablul C:

R semnal = 20 MΩ
Cablul C = 175 pF

Întrebarea 21

În mod ideal, terminalele de intrare ale unui amplificator operațional conduc curent zero, permițându-ne să simplificăm analiza mai multor circuite opamp. Cu toate acestea, în actualitate există o cantitate foarte mică de curent care trece prin fiecare dintre terminalele de intrare ale oricărui opamp cu circuite de intrare BJT. Acest lucru poate cauza erori de tensiune neașteptate în circuite.

Luați în considerare următorul circuit tampon de tensiune:

Am părtinire (-) nu ne provoacă nici o problemă, deoarece este complet furnizată de ieșirea opului. Celălalt curent de părtinire, totuși, cauzează probleme, deoarece trebuie să treacă prin rezistența lui Thévenin la sursă. Când se întâmplă, aceasta scade o anumită tensiune pe această sursă intrinsecă de rezistență, înclinând cantitatea de tensiune de fapt văzută la terminalul non-inverting al opampului.

O soluție comună la acest lucru este de a adăuga un alt rezistor la circuit, astfel:

Explicați de ce adăugarea unei rezistențe rezolvă problema.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Rezistența suplimentară ar trebui să scadă o cantitate egală de tensiune, anulând astfel orice tensiune de polarizare introdusă de curentul de polarizare care trece prin rezistența internă a sursei. Dimensionarea acestei rezistențe "compensatoare", egală cu rezistența Thévenin a sursei, presupune un curent de offset de intrare zero.

Note:

Un circuit tampon simplu de tensiune este cel mai simplu context în care să se înțeleagă funcția unei rezistențe de compensare a curentului de polarizare și, astfel, este prezentat aici pentru a permite studenților să-și vadă impactul.

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →