Obwody opamp negatywnej opinii

DIY Soldering Station (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Obwody opamp negatywnej opinii

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

Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza single-ended określa się jako stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego:

A V = V na zewnątrz


V w

Często wzmocnienie napięcia definiowane jest bardziej szczegółowo jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany napięcia wejściowego. Jest to ogólnie znane jako wzmocnienie napięcia przemiennego wzmacniacza:

A V (AC) = ΔV na zewnątrz


ΔV w

W obu przypadkach wzmocnienie jest jednak stosunkiem pojedynczego napięcia wyjściowego do pojedynczego napięcia wejściowego.

Jak więc ogólnie definiujemy wzmocnienie napięciowe wzmacniacza różnicowego, w którym występują dwa wejścia, a nie tylko jedno "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02287x02.png">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza różnicowego definiuje się jako stosunek napięcia wyjściowego do różnicy napięć między dwoma wejściami.

Uwagi:

Jest to bardzo ważna koncepcja dla studentów, szczególnie zanim przystąpią oni do badania wzmacniaczy operacyjnych, które są niczym więcej, jak różnicowymi wzmacniaczami o skrajnie wysokich zyskach napięcia.

pytanie 3

Napisz funkcję przesyłania (równanie wejścia / wyjścia) dla wzmacniacza operacyjnego z przyrostem napięcia w pętli otwartej wynoszącym 100 000. Innymi słowy, napisz równanie opisujące napięcie wyjściowe tego wzmacniacza operacyjnego (V out ) dla dowolnej kombinacji napięć wejściowych (V in (+) i V in (-) ):

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V out = 100 000 (V in (+) - V in (-) )

Uwagi:

Pojęcie "funkcji transferu" jest bardzo przydatne i może to być pierwsza ekspozycja ucznia na ten pomysł. Jest to wyrażenie używane często w aplikacjach inżynierskich i może oznaczać równanie, tabelę liczb lub wykres.

W tym konkretnym pytaniu ważne jest, aby uczniowie wiedzieli, jak czerpać i wykorzystywać podstawową funkcję transferu dla wzmacniacza różnicowego. Rzuć wyzwanie swoim uczniom, aby wyrazili tę funkcję w bardziej ogólnej formie, aby można było wykonywać obliczenia z różnymi przyrostami napięcia w otwartej pętli.

Pytanie 4

Ile napięcia musiałoby zostać "wybrane" na potencjometrze, aby ustabilizować moc wyjściową dokładnie na 0 woltów, zakładając, że opamp nie ma napięcia wejściowego offsetu "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com /images/quiz/00924x01.png ">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

5 woltów

Uwagi:

To pytanie jest podstawowym przeglądem idealnej funkcji wzmacniacza różnicowego. Zapytaj swoich uczniów, jakie napięcie należy "wybrać" przy potencjometrze, aby uzyskać 0 woltów na wyjściu wzmacniacza operacyjnego dla kilku różnych napięć na drugim wejściu. Jeśli początkowo nie zrozumieją, wkrótce po omówieniu alternatywnych scenariuszy.

Pytanie 5

Wzmacniacz operacyjny ma +3 V przyłożone do wejścia odwracającego i + 3, 002 V przyłożone do wejścia nieodwracającego. Wzrost napięcia w pętli otwartej wynosi 220 000. Oblicz napięcie wyjściowe zgodnie z przewidywaniami według następującego wzoru:

V out = A V (V in (+) - V in (-) )

Ile napięcia różnicowego (wejściowego) jest niezbędne do napędzania mocy wyjściowej wzmacniacza operacyjnego przy napięciu -4, 5 V?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V out = 440 woltów

Pytanie uzupełniające: czy ta wartość napięcia jest realistyczna? Czy wzmacniacz operacyjny, taki jak model 741, może wyprowadzać 440 woltów? Dlaczego lub dlaczego nie?

Różnica napięcia wejściowego niezbędnego do napędzania mocy wyjściowej tego wzmacniacza operacyjnego do -4, 5 V wynosi -20, 455 μV.

Pytanie uzupełniające: co to znaczy, że różnica napięcia wejściowego ma wartość ujemną 20, 455 mikrowoltów? Podaj przykład dwóch napięć wejściowych (V in (+) i V in (-) ), które generują tak dużo napięcia różnicowego.

Uwagi:

Oczywiście, istnieją ograniczenia dotyczące formuły wzmacniacza operacyjnego do obliczania napięcia wyjściowego, danych napięć wejściowych i przyrostu napięcia w otwartej pętli. Uczniowie muszą zdać sobie sprawę z praktycznych ograniczeń zakresu napięcia wyjściowego op-amp i co określa te ograniczenia.

Pytanie 6

Bardzo ważną koncepcją w elektronice jest sprzężenie zwrotne . Jest to niezwykle ważna koncepcja, ponieważ wiele systemów elektronicznych wykorzystuje tę zasadę do ich działania i nie można jej właściwie zrozumieć bez jej zrozumienia.

Jakkolwiek ważne mogą być negatywne opinie, nie jest to najłatwiejsza do zrozumienia koncepcja. W rzeczywistości dla niektórych jest to dość konceptualny skok. Poniżej znajduje się lista przykładów - niektóre elektroniczne, niektóre nie - wykazujące negatywne opinie:

Obwód regulujący napięcie
System autopilota dla samolotu lub łodzi
Termostatyczny system kontroli temperatury ("termostat")
Rezystor emitera w obwodzie wzmacniacza BJT
Demonstracja Lenza (magnetyczne tłumienie poruszającego się obiektu)
Temperatura ciała ssaka
Naturalna regulacja cen w gospodarce wolnorynkowej ("niewidzialna ręka Adama Smitha")
Naukowiec uczący się zachowania naturalnego systemu poprzez eksperymenty.

Dla każdego przypadku odpowiedz na następujące pytania:

Jaka zmienna jest stabilizowana przez negatywne sprzężenie zwrotne?
W jaki sposób odbywa się informacja zwrotna (krok po kroku)?
Jaka byłaby reakcja systemu, gdyby nie było negatywnego sprzężenia zwrotnego?
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Będę udzielał odpowiedzi tylko dla jednego z przykładów, regulator napięcia:

Jaka zmienna jest stabilizowana przez negatywne sprzężenie zwrotne?
Napięcie wyjściowe.
W jaki sposób odbywa się informacja zwrotna (krok po kroku)?
Kiedy wzrasta napięcie wyjściowe, system podejmuje działania, aby zmniejszyć wewnętrzne napięcie, pozostawiając mniej dla wyjścia.
Jaka byłaby reakcja systemu, gdyby nie było negatywnego sprzężenia zwrotnego?
Bez ujemnego sprzężenia zwrotnego napięcie wyjściowe wzrastałoby i opadało bezpośrednio z napięciem wejściowym i odwrotnie z prądem obciążenia.

Uwagi:

Trudno jest przecenić znaczenie uchwycenia negatywnego sprzężenia zwrotnego w badaniu elektroniki. Tak wiele różnych rodzajów systemów zależy od tego, aby nie można było pominąć żadnego poważnego programu elektronicznego. Jednak widzę, że wiele podręczników nie bada tej zasady w dostatecznej głębi, lub omawia ją w sensie matematycznym tylko wtedy, gdy uczniowie mogą nie zauważyć podstawowej koncepcji, ponieważ będą zbyt skupieni na rozwiązywaniu równań.

Pytanie 7

Napisz funkcję przesyłania (równanie wejściowe / wyjściowe) dla wzmacniacza operacyjnego ze wzrostem napięcia na otwartej pętli wynoszącym 100 000, a wejście odwracające podłączone bezpośrednio do jego zacisku wyjściowego. Innymi słowy, napisz równanie opisujące napięcie wyjściowe tego wzmacniacza operacyjnego (V out ) dla dowolnego napięcia wejściowego na wejściu nieodwracającym (V in (+) ):

Następnie, gdy masz już zapisane równanie, rozwiąż dla całkowitego wzmocnienia napięcia (A V = ((V out ) / (V in (+) ))) obwodu wzmacniacza i obliczyć napięcie wyjściowe dla odwracanie napięcia wejściowego o wartości +6 woltów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V out = 100 000 (V in (+) - V out )

(Pozostawiam to wam, aby dokonać uproszczenia algebraicznego tutaj!)

A V = 100 000


100, 001

= 0, 99999

Dla napięcia wejściowego o wartości +6 woltów napięcie wyjściowe wyniesie +5.99994 woltów.

Uwagi:

Istotną kwestią tego pytania jest to, że studenci widzą, że całkowity przyrost napięcia w opampie radykalnie zmniejszył się z 100 000 do około 1. Nie jest tak oczywiste, jak stabilne jest to nowe wzmocnienie napięcia, co jest jednym z celów negatywna opinia.

Pytanie 8

Jaki wpływ będzie miała zmiana wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego na całkowite wzmocnienie napięcia w układzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, takiego jak ten "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images /quiz/02288x01.png ">

Jeśli zysk z otwartej pętli tego wzmacniacza operacyjnego miałby się zmienić z 100 000 na 200 000, na przykład, jaki byłby duży wpływ na wzmocnienie napięciowe mierzone od nieodwracającego sygnału wejściowego do wyjścia?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Różny ogólny wzrost napięcia będzie banalny.

Pytanie uzupełniające: jaka jest zaleta w budowaniu obwodów wzmacniacza napięcia w ten sposób, przy zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego do wzmacniacza "rdzenia" z bardzo wysokim wewnętrznym wzmocnieniem?

Uwagi:

Popracuj ze swoimi uczniami, aby obliczyć kilka przykładowych scenariuszy, ze starym zyskiem w otwartej pętli w stosunku do nowego zysku w otwartej pętli. Poproś uczniów, aby potwierdzili swoje wnioski za pomocą numerów!

Negatywne sprzężenie zwrotne jest niezwykle użyteczną zasadą inżynierii i pozwala nam budować bardzo precyzyjne wzmacniacze przy użyciu niedokładnych komponentów. Kredyt dla tego pomysłu trafia do Harolda Blacka, inżyniera elektryka, w 1920 roku. Pan Black szukał sposobu na poprawę liniowości i stabilności wzmacniaczy w systemach telefonicznych i (jak głosi legenda) pomysł przyszedł mu do głowy w mgnieniu oka, gdy dojeżdżał do pracy na promie.

Ciekawą historyczną nutą jest to, że zgłoszenie patentowe Czarnego z 1928 roku zostało początkowo odrzucone z powodu tego, że próbował przesłać urządzenie perpetum mobile! Koncepcja negatywnego sprzężenia zwrotnego w obwodzie wzmacniacza była tak sprzeczna z uznaną w tamtym czasie myślą inżynieryjną, że Black doświadczył znacznego oporu wobec idei wewnątrz społeczności inżynieryjnej. Z drugiej strony, amerykański urząd patentowy został zalany oszukańczymi roszczeniami "wieczystego ruchu", a więc odrzucił wynalazek Black na pierwszy rzut oka.

Pytanie 9

Wypełnij tabelę napięć dla tego obwodu "popychacza napięcia":


V wV na zewnątrz


0 woltów0 woltów


+5 woltów


+10 woltów


+15 woltów


+20 woltów


-5 woltów


-10 woltów


-15 woltów


-20 woltów


Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź


V wV na zewnątrz


0 woltów0 woltów


+5 woltów+5 woltów


+10 woltów+10 woltów


+15 woltów+15 woltów


+20 woltów+15 woltów


-5 woltów-5 woltów


-10 woltów-10 woltów


-15 woltów-15 woltów


-20 woltów-15 woltów


Pytanie uzupełniające: wartości napięcia wyjściowego podane w tej tabeli są idealne. Prawdziwy opamp prawdopodobnie nie byłby w stanie osiągnąć nawet tego, co tu pokazano, ze względu na specyfikę tych obwodów wzmacniacza. Wyjaśnij, co prawdopodobnie różni się w prawdziwym obwodzie opamp od tego, co pokazano tutaj.

Uwagi:

Powszechnym błędem, który widzę, że uczniowie są nowi w opampach, jest założenie, że napięcie wyjściowe osiągnie magicznie dowolną wartość przewidzianą przez równanie wzmocnienia, bez uwzględnienia ograniczeń napięcia szyny zasilającej.

Kolejnym dobrym pytaniem, które należy zadać uczniom, jest: "Ile napięcia występuje pomiędzy dwoma wejściowymi zaciskami w każdej z sytuacji opisanych w tabeli" panel panelu roboczego - domyślnie "itemscope>

Pytanie 10

Ten obwód wzmacniacza operacyjnego jest często określany jako bufor napięciowy, ponieważ ma on wzmocnienie jedności (0 dB), a zatem po prostu reprodukuje, lub "bufory", napięcie wejściowe:

Możliwym zastosowaniem jest taki obwód, który nie zapewnia żadnego wzmocnienia napięcia ani żadnej innej formy modyfikacji sygnału "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/03801x02.png">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Chociaż obwód ten nie zapewnia wzmocnienia napięcia, oferuje on bieżące wzmocnienie i transformację impedancji . Podobnie jak wspólne obwody wzmacniaczy tranzystorowych (lub wspólne drenowanie), które również mają zyski napięcia (prawie) jedności, obwody bufora opamp są użyteczne, gdy trzeba doprowadzić stosunkowo "ciężki" ładunek (o niskiej impedancji) z sygnałem nadchodzącym ze źródła "słabego" (o wysokiej impedancji).

Uwagi:

Odkryłem, że niektórzy uczniowie mają trudności z określeniem "ciężki" i "lekki" w odniesieniu do charakterystyki obciążenia. To, że "ciężkie" obciążenie miałoby bardzo niewiele omów impedancji, a "lekkie" obciążenie miałoby wiele omów impedancji, wydaje się dla niektórych nielogiczne. Wszystko to ma sens, gdy uczniowie zrozumieją, że terminy "ciężki" i "lekki" odnoszą się do ilości prądu pobieranego przez odpowiednie obciążenia.

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, dlaczego prosty kawałek drutu nie "buforuje" sygnału napięciowego w ten sam sposób, w jaki działa obwód popychacza.

Pytanie 11

Dla wszystkich praktycznych zastosowań, jakie jest napięcie pomiędzy odwracającymi i nieodwracającymi zaciskami wejściowymi wzmacniacza operacyjnego w funkcjonującym obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zero woltów

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, dlaczego pomiędzy zaciskami wejściowymi wzmacniacza operacyjnego (praktycznie) nie będzie napięcia, gdy jest on używany w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Pytanie 12

Podobnie jak pewne założenia są często dokonywane dla tranzystorów bipolarnych w celu uproszczenia ich analizy w obwodach (idealny BJT ma pomijalny prąd bazowy, I C = IE, stały β, itp.), Często przyjmujemy założenia dotyczące wzmacniaczy operacyjnych, więc możemy łatwiej analizować ich zachowanie w obwodach zamkniętych. Zidentyfikuj niektóre z tych idealnych założeń opamp, ponieważ odnoszą się one do następujących parametrów:

Wielkość wejściowych prądów zacisków:
Impedancja wejściowa:
Impedancja wyjściowa:
Zakres napięcia wejściowego:
Zakres napięcia wyjściowego:
Napięcie różnicowe (między zaciskami wejściowymi) z ujemnym sprzężeniem zwrotnym:
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wielkość wejściowych prądów zacisków: nieskończenie mała
Impedancja wejściowa: nieskończona
Impedancja wyjściowa: nieskończenie mała
Zakres napięcia wejściowego: nigdy nie przekracza + V / -V
Zakres napięcia wyjściowego: nigdy nie przekracza + V / -V
Napięcie różnicowe (między zaciskami wejściowymi) z ujemnym sprzężeniem zwrotnym: nieskończenie małe

Uwagi:

Na wypadek, gdyby twoi uczniowie nie znali słów nieskończonych i nieskończenie małych, powiedz im, że oznaczają po prostu odpowiednio "większy niż duży" i "mniejszy niż mały".

Pytanie 13

Zadaniem tego obwodu jest zapewnienie napięcia regulowanego przyciskiem. Naciśnięcie jednego przycisku powoduje zwiększenie napięcia wyjściowego, natomiast naciśnięcie drugiego przycisku powoduje zmniejszenie napięcia wyjściowego. Kiedy żaden z przycisków nie jest wciśnięty, napięcie pozostaje stabilne:

Po dość długiej pracy, obwód nagle zawiedzie: teraz tylko wyprowadza zero woltów DC przez cały czas.

Doświadczony technik najpierw sprawdza napięcie zasilania, aby sprawdzić, czy znajduje się w normalnych granicach i tak właśnie jest. Następnie technik sprawdza napięcie na kondensatorze. Wyjaśnij, dlaczego jest to dobry punkt testowy do sprawdzenia, a jakie wyniki tego sprawdzenia podpowiedzą technikowi o naturze usterki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Sprawdzenie napięcia na kondensatorze powie specjaliście, jakie napięcie jest przekazywane "wzmacniaczowi wzmacniacza", aby odtworzyć go na wyjściu.

Pytanie dotyczące zadania: dlaczego sądzisz, że określam wzmacniacz operacyjny CA3130 dla tego konkretnego obwodu "uwagi ukryte"> Uwagi:

Wiedza o tym, gdzie sprawdzić krytyczne sygnały w obwodzie, jest ważną umiejętnością, ponieważ zwykle oznacza różnicę między skutecznym lokalizowaniem błędu a traceniem czasu. Poproś uczniów, aby szczegółowo wyjaśnili powody sprawdzania napięcia na kondensatorze i (ponownie, szczegółowo), jakie określone pomiary napięcia w tym miejscu udowodnią naturę błędu.

Pytanie 14

Student buduje następujący regulowany obwód zasilania AC-DC, ale jest niezadowolony z jego działania:

Regulacja napięcia nie jest tak dobra, jak oczekiwał uczeń. Po załadowaniu napięcie wyjściowe "zwisa" bardziej, niż chce uczeń. Kiedy mierzone jest napięcie diody Zenera w tych samych warunkach (nieobciążone wyjście, w porównaniu z obciążonym wyjściem), jego napięcie również się zmniejsza. Student zdaje sobie sprawę, że część problemu polega na ładowaniu diody Zenera przez tranzystor. W celu poprawy regulacji napięcia w tym obwodzie, uczeń wprowadza obwód "popychacza napięcia" między diodą Zenera a tranzystorem:

Teraz dioda Zenera jest skutecznie izolowana od efektów ładowania tranzystora, a także od obciążenia wyjściowego. Opamp po prostu pobiera napięcie Zenera i odtwarza je na bazie tranzystora, dostarczając tak dużo prądu do tranzystora, ile potrzeba, bez nakładania dodatkowego obciążenia na diodę Zenera.

Ta modyfikacja rzeczywiście poprawia zdolność obwodu do utrzymania stałego napięcia wyjściowego w zmieniających się warunkach obciążenia, ale wciąż jest miejsce na poprawę. Inny uczeń patrzy na zmodyfikowany obwód i sugeruje jedną niewielką zmianę, która radykalnie poprawia regulację napięcia:

Teraz napięcie wyjściowe utrzymuje się na stałym poziomie napięcia diody Zenera, prawie bez "ugięcia" pod obciążeniem! Drugi student jest zadowolony z sukcesu, ale pierwszy student nie rozumie, dlaczego ta wersja obwodu działa lepiej niż poprzednia wersja. Jak wytłumaczysz poprawę wydajności tego układu pierwszemu uczniowi "# 14"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Po przeniesieniu sprzężenia zwrotnego, opamp "wyczuwa" napięcie obciążenia na zaciskach wyjściowych i jest w stanie skorygować wszelkie straty napięcia w tranzystorze mocy.

Pytanie uzupełniające: nowy, ulepszony obwód z pewnością wykazuje lepszą regulację napięcia, ale wprowadza również coś, co pierwszy uczeń znajduje zaskakujące: teraz napięcie wyjściowe jest około 0, 7 wolta większe niż kiedyś. Wyjaśnij dlaczego.

Uwagi:

To jedno z moich ulubionych pytań do studentów, którzy zaczynają się uczyć, jak działają negatywne opinie. Jest to doskonały "test lakmusowy" dla zrozumienia negatywnego sprzężenia zwrotnego: uczniowie, którzy rozumieją, jak i dlaczego działa negatywne sprzężenie zwrotne, natychmiast zrozumieją znaczenie zmodyfikowanego sprzężenia zwrotnego; ci, którzy nie rozumieją negatywnego sprzężenia zwrotnego, nie będą w stanie zrozumieć, dlaczego obwód ten działa w ogóle. Poświęć tyle czasu, ile potrzebujesz na omawianie tego obwodu, ponieważ ma on kluczowe znaczenie dla zrozumienia przez studenta wielu obwodów opamp!

Pytanie 15

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tego regulowanego obwodu zasilającego zostanie zakłócone w wyniku następujących błędów. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Uzwojenie pierwotne transformatora T 1 nie działa poprawnie:
Dioda prostująca D 3 nie otwiera się:
Dioda prostująca D 4 nie zwiera się:
Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Dioda Zenera D 5 nie działa poprawnie:
Wzmacniacz operacyjny U 1 nie działa z wyjściem nasyconym dodatnim:
Tranzystor Q 1 nie działa otwarty (odbiornik-emiter):

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zerwanie uzwojenia pierwotnego transformatora T 1 nie powiodło się: Napięcie wyjściowe spada do zera po rozładowaniu kondensatorów filtru C 1 i C 2 .
Dioda prostująca D 3 nie otwiera się: brak efektu przy braku obciążenia, regulacja zawodzi szybciej, gdy ładunek staje się cięższy.
Dioda prostująca D 4 nie jest zwarta: bezpiecznik może przepalić się, dioda D2 może przestać działać z powodu przegrzania (i szybko przepalić bezpiecznik, jeśli również nie ma zwarcia).
Rezystor R1 jest uszkodzony: Napięcie wyjściowe spada do zera po rozładowaniu kondensatora C2.
Dioda Zenera D 5 nie otwiera się: Napięcie wyjściowe wzrasta do prawie pełnej (nieregulowanej) wartości.
Wzmacniacz operacyjny U 1 nie działa z wyjściem dodatnim nasyconym: Napięcie wyjściowe wzrasta do prawie pełnej (nieregulowanej) wartości.
Tranzystor Q 1 ulega awarii (kolektor-emiter): Napięcie wyjściowe spada do zera po rozładowaniu kondensatora C2.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 16

Ten regulowany obwód zasilający ma problem. Zamiast wyprowadzania 15 woltów prądu stałego (dokładnie tak, jak powinien), wyprowadza 0 woltów prądu stałego do obciążenia:

Mierzysz 0, 25 V DC między TP4 a ziemią i 20 woltów między TP1 a ziemią, używając woltomierza. Na podstawie tych informacji określ co najmniej dwa niezależne błędy, które mogą powodować ten konkretny problem.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Możliwe usterki: (zauważ, że ta lista nie jest wyczerpująca)

Opamp (U 1 ) zawiodł z wynikiem ujemnym na wyjściu.
Dioda Zenera (D 1 ) nie została zwarta.
Rezystor R 1 nieudany otwarty.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili swoje uzasadnienie, dlaczego wybierali błędy komponentów, które zrobili. Poproś ich również o zidentyfikowanie komponentów, które ich zdaniem działają poprawnie (bez wątpienia).

Pytanie 17

Zasilacze prądu stałego "Split" lub "dual" są niezbędne do zasilania wielu typów układów elektronicznych, w szczególności niektórych typów obwodów wzmacniacza operacyjnego. Jeśli tylko ßłączny "zasilacz prądu stałego nie jest dostępny, źródło zasilania" ßplit "może być z grubsza zasymulowane za pomocą rezystancyjnego dzielnika napięcia:

Problem z ładowaniem: ładowanie większej ilości prądu z jednej z szyn zasilających niż z drugiej powoduje, że "rozszczepienie" napięcia staje się nierównomierne. Jedynym sposobem, w którym + V i -V będą miały taką samą (bezwzględną) wartość napięcia przy obciążeniu, jest to, że impedancja obciążenia jest równomiernie zrównoważona między tymi szynami i ziemią. Ten scenariusz jest mało prawdopodobny. Weźmy na przykład ten przykład:

Prosty obwód opamp może jednak rozwiązać ten problem i utrzymać równomierne "rozszczepienie" napięcia między + V, masą i -V:

Wyjaśnij, jak działa ten obwód. Jaką funkcję spełniają dwa rezystory "# 17"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Dwa rezystory ustalają napięcie odniesienia dokładnie pomiędzy + V i -V, które będzie napięciem "Ground" widzianym przez obciążenie. Opamp utrzymuje aktualny przewodnik uziemienia przy tym potencjale odniesienia poprzez ujemne sprzężenie zwrotne, napędzając tranzystor tak mocno, jak to konieczne, aby utrzymać potencjał uziemienia między + V i -V.

Pytanie dotyczące wyzwania: jeśli planujesz budowę tego rodzaju obwodu, bardzo zalecane jest umieszczenie pary kondensatorów na wyjściach. Wyjaśnij dlaczego:

Uwagi:

Ten tor nie tylko warto omówić ze swoimi uczniami jako przykład negatywnego sprzężenia zwrotnego w działaniu, ale jest również praktyczny, aby używać go jako improwizowanego "splittera" zasilania, gdy dostępna jest tylko jedna dostawa. Jeśli zdecydujesz się na budowę tego obwodu, uważaj na straty mocy tranzystorów! Określ maksymalny prąd niezbilansowania do obciążenia (ile prądu będzie pobierane przez zacisk uziemienia), a następnie pomnóż ten prąd przez + V (lub -V, absolutny). Będzie to maksymalna wartość rozpraszania mocy, którą tranzystor może bezpiecznie obsługiwać.

W odpowiedzi na pytanie o wyzwanie, mądrość kondensatorów obejściowych będzie widoczna, jeśli obciążenie pulsacyjne (takie jak silnik prądu stałego typu szczotki) zostanie umieszczone pomiędzy "szyną" a podłożem. Opamp musi bardzo szybko zmieniać swoje wyjście, aby włączyć każdy tranzystor wystarczająco szybko, aby przeciwdziałać spadkom napięcia spowodowanym przez pulsujące obciążenie. Kondensatory są naturalnie odporne na zmianę napięcia, a więc są idealne do łagodzenia takich spadków napięcia, zmniejszając obciążenie umieszczone na opampie.

Pytanie 18

Zaprojektuj obwód pasywny, który stworzy "split" (+ V / -V) zasilanie z jednego źródła napięcia:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

W przypadku zastosowań niskoprądowych bardzo dobrze sprawdza się następująca sieć rezystorów / kondensatorów:

Pytanie uzupełniające: jakie ograniczenia projektowe będą decydować o rozmiarach rezystorów i kondensatorów "uwagi ukryte"> Uwagi:

Ten prosty filtrowany obwód dzielnika napięcia działa dobrze, gdy pobory prądu są niskie lub przynajmniej bardzo zbliżone do siebie na szynach obciążeniowych + V i -V. Nie działa tak dobrze w przypadku bardzo asymetrycznych obciążeń, lub gdy ważne jest niskie natężenie prądu spoczynkowego (np. Obwody baterii o niskim poborze mocy). W aplikacjach wymagających lepszej stabilności napięciowej + V / -V po rozdzielaczu napięcia zalecany jest obwód "follower".

Pytanie 19

Komplementarny wzmacniacz tranzystorowy push-pull zbudowany dokładnie tak, jak pokazano, byłby raczej słabszy, wykazując zniekształcenia crossover:

Najprostszym sposobem zmniejszenia lub wyeliminowania tego zniekształcenia jest dodanie napięcia polaryzacji do każdego z wejść tranzystorów, więc nigdy nie będzie okresu czasu, w którym oba tranzystory zostaną jednocześnie odcięte:

Jednym z problemów z tym rozwiązaniem jest to, że tylko trochę zbyt duże napięcie polaryzacji spowoduje przegrzanie tranzystorów, ponieważ jednocześnie przewodzą prąd w pobliżu punktu przejścia przez zero sygnału AC. Bardziej wyrafinowaną metodą radzenia sobie z dystorsją zwrotną jest użycie opampa z negatywnym sprzężeniem zwrotnym, na przykład:

Wyjaśnij, w jaki sposób opamp jest w stanie wyeliminować zniekształcenia zwrotnicy w tym obwodzie wzmacniacza push-pull bez potrzeby odchylania.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wykrywając V, opamp jest w stanie "powiedzieć", czy napięcie wyjściowe jest zgodne z napięciem wejściowym, więc może jeździć tranzystorami tak ciężko, jak trzeba, aby uzyskać napięcie wyjściowe, gdzie powinno być.

Pytanie dotyczące wyzwania: bardziej praktyczny projekt łączy dwie strategie takie jak ta:

Wyjaśnij, dlaczego stosowanie mniejszego napięcia polaryzacji i ujemnego sprzężenia zwrotnego z opamp zapewnia lepszą wydajność niż każda z tych metod.

Uwagi:

Wiele można powiedzieć o dobrym projekcie obwodu wzmacniacza w tym pytaniu, ale podstawowym celem jest sprawdzenie, w jaki sposób negatywne sprzężenie zwrotne w połączeniu z wyjątkowo wysokim wzmocnieniem opamp minimalizuje zniekształcenia zwrotnicy. Pamiętaj, aby skupić uwagę uczniów na tym punkcie, dopóki nie zrozumieją go dobrze przed rozpoczęciem dyskusji na temat lepszych punktów projektowania wzmacniacza.

Należy zauważyć, że to rozwiązanie do zniekształceń zwrotnicy w obwodzie wzmacniacza push-pull nie zawsze daje najlepsze wyniki. Aby opamp mógł zapewnić płynne przejście między półcyklami, jego wyjście musi natychmiast przeskoczyć około 1, 4 woltów, aby przejść od wyłączenia jednego tranzystora do włączenia drugiego tranzystora. Oczywiście, żaden opamp nie może tego zrobić, ponieważ wszystkie mają ograniczenia szybkości transmisji. Tak więc, nadal będzie pewne zniekształcenie zwrotnicy, ale nie tak bardzo jak bez opamp (i o wiele mniej spokojnego rozpraszania mocy niż rozwiązanie dwu-diodowe!).

Pytanie 20

Pasożytnicza pojemność naturalnie występująca w kablach dwuprzewodowych może powodować problemy po podłączeniu do urządzeń elektronicznych o wysokiej impedancji. Weźmy na przykład pewne sondy biomedyczne używane do wykrywania zdarzeń elektrochemicznych w żywej tkance. Takie sondy mogą być modelowane jako źródła napięciowe szeregowo z opornikami, których rezystancje są zwykle dość duże ze względu na bardzo małe powierzchnie styków (stykowe) sond:

Po podłączeniu do kabla z pasożytniczą pojemnością tworzy się dolnoprzepustowy obwód filtra RC:

Ten filtr dolnoprzepustowy (lub pasywny integrator, jeśli chcesz) jest całkowicie niezamierzony. Nikt nie poprosił o jej obecność, ale i tak jest tak ze względu na naturalną oporność sondy i naturalną pojemność kabla. Idealnie byłoby oczywiście, gdybyśmy byli w stanie przesłać napięcie sygnału ( sygnał V) bezpośrednio do wzmacniacza bez żadnych zakłóceń czy filtrów, abyśmy mogli dokładnie zobaczyć, co chcemy zmierzyć.

Jednym sprytnym sposobem na praktycznie wyeliminowanie skutków pojemności kabla jest obudowanie przewodu sygnałowego we własnej osłonie, a następnie sterowanie tą osłoną dokładnie taką samą ilością napięcia z popychacza napięcia na drugim końcu kabla. Nazywa się to straży :

Równoważny schemat może uczynić tę technikę bardziej zrozumiałą:

Wyjaśnij, dlaczego ochrona przewodu sygnałowego skutecznie eliminuje wpływ pojemności kabla. Z pewnością pojemność nadal jest obecna, więc jak to nie ma wpływu na słaby sygnał "# 20"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Opamp ochronny utrzymuje ekran ochronny na tym samym potencjale, co przewodnik centralny, utrzymując 0 woltów na pasożytniczej pojemności między tymi dwoma przewodami. Bez napięcia na tej pojemności, równie dobrze może tam nie być!

Pytanie uzupełniające: chociaż pojemność centrum do osłony może przez cały czas mieć zero woltów, dzięki opampowi, osłona osłony do osłony (zewnętrznej) nadal ma pełne napięcie sygnału. Wyjaśnij, dlaczego nie ma to dla nas znaczenia, i dlaczego jego obecność nie tworzy filtra dolnoprzepustowego, jak kiedyś oryginalna (niestrzeżona) pojemność kabla.

Uwagi:

Strzeżenie jest techniką stosowaną w wielu scenariuszach testowych i pomiarowych, i służy jako świetny przykład opampów używanych jako popychacze napięcia.

Jeśli uczniowie nie są przekonani o powadze pojemności kabla w aplikacji takiej jak opisana, zasugeruj te wartości i poproś o obliczenie częstotliwości odcięcia filtru dolnoprzepustowego utworzonego przez sygnał R i kabel C:

Sygnał R = 20 MΩ
Kabel C = 175 pF

Pytanie 21

Idealnie, terminale wejściowe wzmacniacza operacyjnego przewodzą prąd zerowy, co pozwala nam uprościć analizę wielu obwodów opamp. Jednak w rzeczywistości istnieje bardzo mała ilość prądu przechodząca przez każde z zacisków wejściowych dowolnego opampa z obwodem wejściowym BJT. Może to spowodować nieoczekiwane błędy napięcia w obwodach.

Rozważmy następujący obwód bufora napięcia:

I bias (-) nie sprawia nam żadnych kłopotów, ponieważ jest w całości dostarczany przez wyjście opampa. Drugi błąd stronniczości powoduje jednak kłopoty, ponieważ musi przejść przez opór Thévenina źródła. Kiedy to robi, obniża napięcie na tę wewnętrzną rezystancję źródła, przekrzywiając napięcie rzeczywiście widziane na nieodwracającym terminalu opampa.

Powszechnym rozwiązaniem tego problemu jest dodanie kolejnego rezystora do obwodu, na przykład:

Wyjaśnij, dlaczego dodanie rezystora rozwiązuje problem.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Dodatkowy rezystor powinien spaść taką samą ilość napięcia, aby wyeliminować wszelkie napięcie polaryzacji wprowadzone przez prąd polaryzacji przechodzący przez wewnętrzną rezystancję źródła. Rozmiar tego "kompensującego" rezystora równego oporowi Thévenina źródła zakłada zerowy wejściowy prąd przesunięcia .

Uwagi:

Prosty obwód bufora napięciowego jest najłatwiejszym kontekstem, w którym można zrozumieć działanie rezystora kompensującego prąd polaryzacyjny, a więc przedstawiono go tutaj, aby umożliwić uczniom dostrzeżenie jego wpływu.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →