Obwody Opampy AC Negatywnej Sprzężenia

DIY Soldering Station (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Obwody Opampy AC Negatywnej Sprzężenia

Analogowe układy scalone


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zapisz wszystkie wartości składników przed budową obwodu.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Unikaj używania modelu 741 op-amp, chyba że chcesz rzucić wyzwanie swoim umiejętnościom projektowania obwodów. Dostępne są bardziej uniwersalne modele wzmacniacza operacyjnego powszechnie dostępne dla początkujących. Polecam LM324 dla DC i obwodów prądu przemiennego niskiej częstotliwości, a TL082 dla projektów AC z dźwiękiem lub wyższymi częstotliwościami.

Jak zwykle należy unikać bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystora, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" miernika. Zalecam wartości rezystorów od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

W obwodzie wzmacniacza tranzystorowego wspólnego nadajnika obecność pojemności między kolektorem a zaciskami podstawy - niezależnie od tego, czy jest ona wewnętrzna dla tranzystora czy podłączona zewnętrznie - ma wpływ na obrócenie obwodu wzmacniacza w filtr dolnoprzepustowy, przy czym wzmocnienie napięcia jest odwrotnie proporcjonalne do częstotliwości:

Wyjaśnij, dlaczego tak jest. Dlaczego, dokładnie, pojemność umieszczona w tym miejscu wpływa na wzmocnienie napięcia "# 2"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pojemność zapewnia ścieżkę dla sygnału sprzężenia zwrotnego AC, który przechodzi od kolektora do bazy. Biorąc pod uwagę zależność fazy odwracania między napięciem kolektora a napięciem bazowym, ta informacja zwrotna jest zwyrodnieniowa.

Uwagi:

Uczniowie powinni zdawać sobie sprawę, że nie jest to hipotetyczne pytanie. Pojemność wewnętrzna rzeczywiście istnieje między kolektorem a bazą dwubiegunowego tranzystora złącza (zwanego pojemnością Millera ), a to ma degenerujący wpływ na wzmocnienie napięcia z rosnącą częstotliwością. Jeśli czas na to pozwala, możesz chcieć omówić, w jaki sposób konfiguracje wzmacniacza wspólnego i wspólnej bazy w naturalny sposób unikają tego problemu.

pytanie 3

Który z poniższych obwodów wzmacniacza będzie najbardziej dotknięty przez pojemność podstawową kolektora (pokazaną tutaj jako połączony zewnętrznie kondensator 10 pF) w miarę wzrostu częstotliwości? Wyjaśnij dlaczego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wzmacniacz o większej rezystancji kolektora będzie miał większy wpływ na pojemność sprzężenia zwrotnego, ponieważ jego naturalnie większe wzmocnienie napięciowe wytwarza większy sygnał napięcia, który ma być dostarczany z powrotem do bazy, dla dowolnego określonego poziomu sygnału wejściowego.

Uwagi:

Celem tego pytania jest umożliwienie uczniom zobaczenia na dyskretnym poziomie komponentu, że dla wzmacniacza wspólnego emiterów istnieje kompromis między maksymalnym wzmocnieniem i maksymalną częstotliwością pracy. To pytanie zapowiada koncepcję produktu Gain-Bandwidth (GBW) w obwodach wzmacniaczy operacyjnych.

Pytanie 4

Powszechnym problemem napotykanym w rozwoju układów wzmacniaczy tranzystorowych jest niepożądana oscylacja wynikająca z pasożytniczej pojemności i indukcyjności, tworząc pętlę sprzężenia zwrotnego od wyjścia do wejścia. Często te pasożytnicze parametry są dość małe (nanohenry i pikofarady), co powoduje bardzo wysokie częstotliwości oscylacji.

Innym pasożytniczym efektem w obwodach wzmacniaczy tranzystorowych jest pojemność efektu Millera pomiędzy zaciskami tranzystora. W przypadku obwodów wspólnych emiterów pojemność podstawowa kolektora (C BC ) jest szczególnie kłopotliwa, ponieważ wprowadza ścieżkę sprzężenia zwrotnego dla sygnałów prądu przemiennego, aby przejść bezpośrednio z wyjścia (zacisk kolektora) do wejścia (zacisk bazowy).

Czy ta pasożytnicza pojemność od podstawy do kolektora zachęca lub zniechęca do oscylacji wysokich częstotliwości w obwodzie wzmacniacza wspólnego emitera "# 4"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Obecność C BC w obwodzie wspólnego emiteru łagodzi oscylacje o wysokiej częstotliwości.

Uwagi:

Zauważ, że zdecydowałem się użyć słowa "łagodzić", zamiast udzielać odpowiedzi w prostszym języku angielskim. Częścią mojego rozumowania tutaj jest zasłonięcie danej odpowiedzi natychmiastowym zrozumieniem, aby uczniowie musieli myśleć nieco więcej. Inną częścią mojego rozumowania jest zmuszenie uczniów do poszerzenia słownictwa.

Pytanie 5

Uczeń łączy modelowy wzmacniacz operacyjny CA3130 jako popychacz napięcia (lub bufor napięciowy), który jest najprostszym rodzajem ujemnego sprzężenia zwrotnego:

Przy nieodwracającym wejściu podłączonym do ziemi (punkt środkowy w zasilaniu split + 6 / -6 volt), uczeń oczekuje pomiaru 0 V DC na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. To właśnie rejestruje woltomierz DC, ale po ustawieniu na AC rejestruje znaczne napięcie AC!

To dziwne. W jaki sposób prosty bufor napięciowy może wyprowadzać prąd przemienny, gdy jego wejście jest uziemione, a zasilanie jest czyste DC "# 5"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Niektóre wzmacniacze operacyjne są z natury niestabilne, gdy działają w trybie ujemnego sprzężenia zwrotnego i będą oscylować same, chyba że "skompensowane fazowo" przez zewnętrzny kondensator.

Pytanie uzupełniające: Czy są jakieś zastosowania wzmacniacza operacyjnego, takiego jak CA3130, w którym kondensator kompensacyjny nie jest potrzebny, czy gorzej, co byłoby przeszkodą w pomyślnym działaniu obwodu? Wskazówka: niektóre modele wzmacniacza operacyjnego (np. Model 741) mają wbudowane kondensatory kompensacyjne!

Uwagi:

Twoi uczniowie powinni sprawdzić arkusze danych dotyczące wzmacniacza CA3130 w poszukiwaniu odpowiedzi na to pytanie. Zapytaj ich, co znaleźli! Które zaciski wzmacniacza CA3130 łączą kondensator? Jaki rozmiar kondensatora jest odpowiedni do tego celu?

Biorąc pod uwagę fakt, że niektóre modele wzmacniaczy operacyjnych są wyposażone we własny wbudowany kondensator kompensacyjny, co to mówi nam o zapotrzebowaniu CA3130 na zewnętrzny kondensator? Dlaczego producent po prostu nie włączył kondensatora kompensacyjnego do obwodów CA3130, tak jak to było w przypadku modelu 741? Lub, aby sformułować pytanie bardziej bezpośrednio, poproś uczniów, aby wyjaśnili, jaka jest wada polegająca na podłączeniu kondensatora kompensacyjnego do wzmacniacza operacyjnego.

Pytanie 6

Niektóre wzmacniacze operacyjne są wyposażone we wbudowane kondensatory kompensacyjne. Klasyczny model 741 jest jednym z takich opampów:

Znajdź kondensator kompensacji na tym schemacie i określ, w jaki sposób zapewnia on zależne od częstotliwości ujemne sprzężenie zwrotne w opampie w celu zmniejszenia wzmocnienia przy wysokich częstotliwościach.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rozpoznanie kondensatora jest łatwe: jest jedynym w całym obwodzie! To sprzęga sygnał z kolektora Q 17, który jest aktywnym wzmacniaczem common-emitter, do podstawy Q 16, która jest popychaczem-emulatorem napędzającym Q 17 . Ponieważ Q 17 odwraca sygnał zastosowany do podstawy Q 16, sprzężenie zwrotne jest zwyrodnieniowe.

Uwagi:

Odpowiedź na to pytanie będzie wymagać przeglądu podstawowej teorii wzmacniaczy tranzystorowych, w szczególności różnych konfiguracji wzmacniaczy tranzystorowych i ich odpowiednich zależności fazowych.

Pytanie 7

Niektóre wzmacniacze operacyjne są wewnętrznie kompensowane, podczas gdy inne są kompensowane zewnętrznie . Wyjaśnij różnicę między tymi dwoma. Podpowiedź: przykłady każdego z nich obejmują klasyczne wzmacniacze operacyjne LM741 i LM101. Sprawdź ich arkusze danych, aby zobaczyć, co można znaleźć na rekompensacie!

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Różnica polega na fizycznej lokalizacji kondensatora kompensacyjnego, niezależnie od tego, czy jest on częścią układu scalonego, czy też jest na zewnątrz.

Pytanie uzupełniające: pokaż, jak zewnętrzny kondensator kompensacyjny może być podłączony do opampa, takiego jak LM101.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, dlaczego możemy chcieć użyć dowolnego typu opampa podczas budowania obwodu. W jakich zastosowaniach uważają, że opamp z kompensacją wewnętrzną byłaby lepsza, i w jakich zastosowaniach uważają, że preferowany jest opamp z kompensacją zewnętrzną "itemscetpanel panel-default" itemscope>

Pytanie 8

Zdefiniuj "Gain-Bandwidth Product" (GBW) jako termin odnoszący się do wzmacniaczy operacyjnych.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Produkt GBW jest stałą wartością dla większości wzmacniaczy operacyjnych, równą przyrostowi otwartej pętli opampa pomnożonej przez częstotliwość sygnału przy tym wzmocnieniu.

Uwagi:

Istnieją inne sposoby definiowania produktu Gain-Bandwidth, więc nie zdziw się, jeśli uczniowie przedstawią alternatywne definicje w czasie dyskusji.

Pytanie 9

Zdefiniuj "Przepustowość zysku" (B 1 ), ponieważ termin ten dotyczy wzmacniaczy operacyjnych.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Unity-Gain Bandwidth to częstotliwość, przy której wzmocnienie napięcia w otwartej pętli wzmacniacza operacyjnego jest równe 1.

Uwagi:

Nie wymaga wielkiego wglądu, aby rozpoznać, że przepustowość zysku jedności (B 1 ) i przepustowość łącza (GBW) to prawie to samo. Byłby to dobry punkt wyjścia (w formie pytania!) Dla swoich uczniów, jeśli omówili już Państwo GBW.

Pytanie 10

Wyjaśnij, jaki wpływ ma pojemność kompensacyjna na produkt wzmacniający przepustowość wzmacniacza operacyjnego (GBW). Czy większa pojemność kompensacyjna daje większą GBW lub mniejszą GBW i dlaczego?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Im większa pojemność kompensacji w wzmacniaczu operacyjnym (wewnętrznym lub zewnętrznym), tym mniejszy jest produkt GBW.

Uwagi:

W tym pytaniu naprawdę ważnym aspektem nie jest udzielona odpowiedź. Ważne jest, aby uczniowie rozumieli, czym jest produkt GBW i jak wpływa na to coś, co nazywamy "kompensacyjną pojemnością" (inny temat badań). Celem jest zachęcenie uczniów do zbadania tych koncepcji i powiązania ich ze sobą, dlatego nie zadowalajcie się żadnymi odpowiedziami studentów, które jedynie potwierdzają odpowiedź tutaj podaną! Poproś uczniów o wyjaśnienie znaczenia tych terminów i pojęć oraz wyjaśnienie, dlaczego produkt GBW zmniejsza się wraz ze wzrostem komp .

Pytanie 11

Ważnym parametrem wydajności AC dla wzmacniaczy operacyjnych jest szybkość zmian . Wyjaśnij, czym jest "stopa zabijania" i co powoduje, że jest mniej niż optymalna dla opamp.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Szybkość narastania to maksymalna szybkość zmiany napięcia wyjściowego w czasie ((dv / dt) | max ), z jaką może się zmagać opamp.

Pytanie uzupełniające: jak wyglądałby przebieg wyjściowy opampa, gdyby próbował wzmocnić sygnał prostokątny z częstotliwością i amplitudą przekraczającą szybkość zabijania wzmacniacza?

Uwagi:

Kolejne pytanie jest bardzo ważne, ponieważ prosi uczniów o zastosowanie pojęcia maksimum (dv / dt) do rzeczywistych kształtów fal. Często jest to omawiane przez podręczniki wprowadzające, więc nie powinno być dla uczniów trudnych znalezienie odpowiednich informacji, które pomogą im sformułować odpowiedź.

Pytanie 12

Niektórzy uczniowie uważają za dziwne, że opampy miałyby stały współczynnik zabijania. Oznacza to, że gdy poddane zostanie skokowemu napięciu wejściowemu, napięcie wyjściowe opampu szybko naruszyłoby się liniowo w czasie, a nie pochylenie w inny sposób (na przykład odwrotna krzywa wykładnicza widoczna w obwodach impulsów RC i RL):

Efekt ten ma jednak określoną przyczynę i znajduje się w konstrukcji wewnętrznego obwodu opamp: etapy zwielokrotnienia napięcia w obwodach wzmacniaczy operacyjnych często wykorzystują obciążenie aktywne w celu zwiększenia wzmocnienia napięcia. Przykład aktywnego obciążenia można zobaczyć na poniższym schemacie dla klasycznego opamp 741, w którym tranzystor Q 9 działa jako obciążenie aktywne dla tranzystora Q 10, i gdzie tranzystor Q 13 zapewnia aktywne obciążenie dla tranzystora Q 17 :

Wyjaśnij, w jaki sposób ładowanie aktywne tworzy stałą szybkość zmian pokazywaną przez obwody wzmacniacza operacyjnego, takie jak 741. Jakie czynniki powodują liniowe narastanie napięcia w czasie "# 12"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Aktywne obciążenia działają jako stałe źródła prądowe zasilające stały (maksymalny) prąd przez dowolne pojemności na swój sposób. Prowadzi to do stałych (dv / dt) szybkości zgodnie z równaniem "Prawa Ohma" dla kondensatorów:

i = C dv


dt

Pytanie uzupełniające: w oparciu o to, co tu widzisz, ustal, jakie parametry można zmienić w wewnętrznym obwodzie wzmacniacza operacyjnego, aby zwiększyć szybkość narastania.

Uwagi:

To pytanie zapewnia dobry przegląd fundamentalnych zachowań kondensatorów, a także wyjaśnia, dlaczego opampy zmieniały stawki tak jak one.

Pytanie 13

Oblicz impedancję (w postaci liczby zespolonej) "widzianą" przez źródło sygnału prądu zmiennego, gdy napędza obwód pasywnego integratora po lewej stronie, a aktywny obwód integratora po prawej. W obu przypadkach załóżmy, że nic nie jest podłączone do terminalu V- out :

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Najważniejszą rzeczą, której należy się nauczyć, jest to, że opamp "izoluje" źródło sygnału od dowolnej impedancji w pętli sprzężenia zwrotnego, tak że impedancja wejściowa (w tym przypadku rezystor 10 kΩ) jest jedyną impedancją "widoczną" dla to źródło. Ma to głęboki wpływ na zależność fazową pomiędzy sygnałem wyjściowym a sygnałem wejściowym.

Pytanie 14

Oblicz kąt fazowy prądu pobieranego ze źródła sygnału prądu zmiennego, gdy napędza pasywny obwód integratora po lewej stronie, a aktywny obwód integratora po prawej. W obu przypadkach załóżmy, że nic nie jest podłączone do terminalu V- out :

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Θ = 46, 7 o dla pasywnego prądu integratora, natomiast Θ = 0 o dla aktywnego obwodu integratora.

Uwagi:

Najważniejszą rzeczą, której należy się nauczyć, jest to, że opamp "izoluje" źródło sygnału od dowolnej impedancji w pętli sprzężenia zwrotnego, tak że impedancja wejściowa (w tym przypadku rezystor 10 kΩ) jest jedyną impedancją "widoczną" dla to źródło. Ma to głęboki wpływ na zależność fazową pomiędzy sygnałem wyjściowym a sygnałem wejściowym.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →