Obwody OPAmp Summer i Subtractor

Idealny wzmacniacz operacyjny + bilans mocy (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Obwody OPAmp Summer i Subtractor

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

Przedstawiona tutaj prosta sieć rezystorów jest znana jako pasywna średnia . Opisz, co oznacza słowo "pasywny" w tym kontekście i napisz równanie opisujące napięcie wyjściowe (V d ) w zakresie napięć wejściowych (V a, V b i V c ):

Podpowiedź: istnieje twierdzenie o sieci, które bezpośrednio odnosi się do tej formy obwodu i jest znane jako twierdzenie Millmana . Zbadaj to twierdzenie i użyj go do wygenerowania swojego równania!

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Pasywny" oznacza, że ​​obwód nie zawiera elementów wzmacniających.

V d = V a + V b + V c


3

Uwagi:

Uczniowie muszą zdać sobie sprawę, że nawet układy pasywne są w stanie modelować (niektóre) funkcje matematyczne! Zapytaj uczniów, czy potrafią wymyślić jakiekolwiek metody analizy sieci, aby łatwo obliczyć napięcie wyjściowe (V d ) tego obwodu, biorąc pod uwagę napięcie wejściowe. W szczególności istnieje jedno twierdzenie, które działa bardzo dobrze dla tego konkretnego obwodu.

pytanie 3

Dodaj obwód wzmacniacza operacyjnego do wyjścia tej pasywnej sieci średniej, aby wytworzyć obwód letni : obwód roboczy wytwarzający napięcie wyjściowe równe sumie czterech napięć wejściowych. Następnie napisz równanie opisujące funkcję całego obwodu.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V suma = V a + V b + V c + V d

Uwagi:

Równanie tego obwodu jest na tyle proste, że nie wymaga żadnego wyjaśnienia. W jaki sposób uczniowie wyprowadzili to równanie z podstawowego równania sieci biernej średniej, z drugiej strony, jest warte dyskusji. Omów z nimi konieczny zysk obwodu wzmacniacza operacyjnego i sposób, w jaki ta wartość wzmocnienia przekształca funkcję uśredniającą w funkcję sumującą.

Pytanie 4

Napisz równanie matematyczne dla tego obwodu wzmacniacza operacyjnego, zakładając, że wszystkie wartości rezystorów są równe:

Co to jest ten obwód, zwykle nazywany "# 4"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

c = - (a + b)

Ten typ obwodu jest zwykle nazywany odwracającym latem .

Pytanie uzupełniające: wyjaśnij, dlaczego dodanie innego rezystora w tym obwodzie jest zalecane dla optymalnej dokładności, jak pokazano na poniższym schemacie.

Pytanie o wyzwanie: napisz równanie opisujące właściwą wartość tego dodatkowego rezystora.

Uwagi:

Zapytaj uczniów o prawidłowe wartości rezystorów dla odwracającego się obwodu letniego. Wybór wartości rezystora z pewnością nie jest taki sam dla odwracania letnich i nieodrzucających się letnich obwodów! Przedyskutuj, dlaczego wartości są tym, czym są w odwracającym się obwodzie letnim (używając prawa Ohma do analizy funkcji obwodu), kładąc nacisk na zrozumienie na pamięć.

Pytanie 5

Ten obwód wzmacniający jest znany jako wzmacniacz różnicowy, czasami nazywany odejmowaniem . Zakładając, że wszystkie wartości rezystorów są równe w obwodzie, napisz równanie wyrażające wyjście (y) jako funkcję dwóch napięć wejściowych (aib):

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

y = b - a

Uwagi:

Przeanalizuj niektóre przykładowe warunki napięć wejściowych i wartości rezystorów, aby obliczyć napięcie wyjściowe za pomocą prawa Ohma i ogólnej zasady negatywnego sprzężenia zwrotnego w obwodzie opamp (a mianowicie, założenie zerowej różnicy napięcia na wejściach opamp). Chodzi o to, aby uczniowie zrozumieli, dlaczego obwód odejmuje jedno napięcie od drugiego, a nie tylko zachęca do zapamiętywania ruty.

Pytanie 6

Określ wszystkie natężenia prądu i kierunki, a także spadki napięcia w tym obwodzie:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: co jest wymagane, aby obwód wyprowadził dokładnie sumę czterech napięć wejściowych "uwagi ukryte"> Uwagi:

To pytanie nie tylko zapewnia praktykę analizującą zachowanie obwodu letniego, ale także analizuje zachowanie obwodu biernego uśredniającego. Jeśli Twoi uczniowie potrzebują odświeżenia sposobu analizy pasywnego uśredniającego, możesz zapoznać się z Twierdzeniem Millmana.

Pytanie 7

Określ wszystkie natężenia prądu i kierunki, a także spadki napięcia w tym obwodzie:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: co jest wymagane, aby obwód wyprowadził dokładnie sumę czterech napięć wejściowych "uwagi ukryte"> Uwagi:

To pytanie nie tylko zapewnia praktykę analizującą zachowanie obwodu letniego, ale także analizuje zachowanie obwodu biernego uśredniającego. Jeśli Twoi uczniowie potrzebują odświeżenia sposobu analizy pasywnego uśredniającego, możesz zapoznać się z Twierdzeniem Millmana.

Pytanie 8

Określ natężenie prądu z punktu A do punktu B w tym obwodzie:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

I = 6, 5 mA

Uwagi:

To pytanie, choć jest zastosowaniem aktualnego prawa Kirchhoffa, jest także wstępem do odwracającego się letniego obwodu, w którym opamp pobiera prąd o wartości 6, 5 mA i przekształca go na napięcie wyjściowe.

Pytanie 9

Określ natężenie prądu z punktu A do punktu B w tym obwodzie, a także napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

I = 6, 5 mA V out = -6, 5 V

Uwagi:

To pytanie jest najlepiej poprzedzone # 02516, które prosi uczniów o rozwiązanie dla prądu pomiędzy A i B bez opamp w obwodzie (po prostu uziemione w punkcie B ). Kiedy uczniowie zdadzą sobie sprawę, że punkt B jest teraz wirtualną ziemią zamiast prawdziwą ziemią, widzą, że ten sam wniosek wyprowadzony przez bieżące prawo Kirchhoffa w obwodzie pasywnym jest nadal ważny w tym aktywnym obwodzie i że wynikiem jest napięcie wyjściowe odpowiadające ten prąd.

Pytanie 10

Zidentyfikuj niektóre z wyróżniających cech odwracających się i nieodwracających się obwodów letnich. W jaki sposób możesz określić, która jest która i jak określić prawidłowe wartości rezystorów, aby każdy działał tak, jak powinien "# 10"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Nie odpowiem bezpośrednio na pytania tutaj, ale dam kilka wskazówek. Nieodwracający letni obwód składa się z pasywnego obwodu pośredniego napięcia sprzężonego z nieodwracającym wzmacniaczem napięciowym o wzmocnieniu napięciowym równym liczbie wejść w urządzeniu uśredniającym. Obwód inwersji letni składa się z pasywnego węzła prądu biernego połączonego z konwerterem prądu do napięcia .

Uwagi:

To pytanie ma na celu pobudzenie dyskusji wśród uczniów, wymianę poglądów na temat cech charakterystycznych każdego z nich. Uczniowie, którzy samodzielnie badają każdy rodzaj obwodu, wyciągając własne wnioski na temat tego, jak je odróżnić, są znacznie skuteczniejszym sposobem na zrozumienie różnic niż po prostu przekazanie ich wprost.

Pytanie 11

Wypełnij tabelę wartości dla tego obwodu opamp, obliczając napięcie wyjściowe dla każdej kombinacji napięć wejściowych pokazanych:


V 1V 2V na zewnątrz


0 V0 V


+1 V0 V


0 V+1 V


+2 V+1.5 V


+3, 4 V+1.2 V


-2 V+4 V


+5 V+5 V


-3 V-3 V


Jaki wzorzec dostrzegasz w danych "# 11"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź


V 1V 2V na zewnątrz


0 V0 V0 V


+1 V0 V-1 V


0 V+1 V+1 V


+2 V+1.5 V-0, 5 V


+3, 4 V+1.2 V-2, 2 V


-2 V+4 V+6 V


+5 V+5 V0 V


-3 V-3 V0 V


Uwagi:

Sądzimy, że może być żmudne obliczenie napięcia wyjściowego dla każdego zestawu napięć wejściowych, pracując przez wszystkie spadki napięcia i prądy w obwodzie opampa po jednym na raz, to pokazuje uczniom, jak mogą oni być w stanie rozpoznać funkcję obwodu opamp jedynie przez zastosowanie podstawowych praw elektryczności (prawo Ohma, KVL i KCL) i "złotych założeń" obwodów opamp negatywnych sprzężenia zwrotnego (brak prądów wejściowych, zerowe różnicowe napięcie wejściowe).

Pytanie 12

W jaki sposób działanie tego układu wzmacniacza różnicowego jest porównywane z podanymi wartościami rezystora (2R = dwukrotność rezystancji R), w porównaniu do jego działania przy wszystkich wartościach rezystorów równych?

Opisz, jakie podejście lub technikę użyłeś do uzyskania odpowiedzi, a także wyjaśnij, w jaki sposób Twój wniosek dotyczący tego obwodu może zostać uogólniony dla wszystkich obwodów wzmacniacza różnicowego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Bardzo ważne jest, aby rozwinąć umiejętność "odkrywania" konfiguracji obwodu, aby zobaczyć, co zrobi, zamiast być informowanym o tym, co robi (albo przez twojego instruktora, albo książkę). Wszystko, czego potrzebujesz, to solidna znajomość podstawowych zasad elektrycznych (prawo Ohma, napięcie i bieżące prawa Kirchhoffa) i wiedzieć, jak zachowują się opampy, gdy skonfigurowane są dla negatywnego sprzężenia zwrotnego.

Jeśli chodzi o ogólny wniosek:

Uwagi:

Instruktorowi łatwo jest pokazać, jak i dlaczego ten obwód działa tak, jak działa. Chodzi o to, aby uczniowie podjęli inicjatywę samodzielnego zbadania obwodu. Jest to dość proste dla każdego ucznia, aby ustawić pewne hipotetyczne warunki testowe ( eksperyment myślowy ) do analizy tego, co zrobi ten obwód, że jedyną rzeczą powstrzymującą je od tego jest postawa, a nie uzdolnienie.

To jest coś, co zauważyłem przez lata nauczania: tak wielu uczniów, którzy są bardziej niż zdolni do matematyki i stosowania zrozumiałych zasad elektrycznych, odmawiają tego na własną rękę, ponieważ lata tradycji edukacyjnej indoktrynowały ich, by czekali na prowadzi instruktorów, zamiast samodzielnie odkrywać koncepcję.

Pytanie 13

Jeżeli słaby sygnał napięcia jest przenoszony ze źródła na wzmacniacz, wzmacniacz może wykrywać więcej niż tylko pożądany sygnał. Wraz z pożądanym sygnałem zewnętrzny elektroniczny "szum" może być połączony z przewodem transmisyjnym ze źródeł prądu przemiennego, takich jak przewody linii energetycznej, fale radiowe i inne źródła zakłóceń elektromagnetycznych. Zwróć uwagę na dwa kształty fal reprezentujące napięcia wzdłuż przewodu transmisyjnego mierzone w odniesieniu do uziemienia:

Ekranowanie drutu transmisyjnego jest zawsze dobrym pomysłem w środowiskach głośnych elektrycznie, ale istnieje bardziej eleganckie rozwiązanie niż po prostu próba ekranowania zakłóceń przed dostaniem się do drutu. Zamiast używać wzmacniacza single-ended do odbioru sygnału, możemy przesłać sygnał wzdłuż dwóch przewodów i użyć wzmacniacza różnicowego na końcu odbiorczym. Zwróć uwagę na cztery pokazane przebiegi, reprezentujące napięcia w tych punktach zmierzonych w odniesieniu do uziemienia:

Jeśli oba przewody biegną równolegle do siebie na całej długości, aby odsłonić dokładnie te same źródła hałasu wzdłuż tej odległości, napięcie szumu na końcu dolnego przewodu będzie takie samo jak napięcie szumów nałożone na sygnał na końcu górnego drutu.

Wyjaśnij, w jaki sposób wzmacniacz różnicowy jest w stanie przywrócić pierwotne (czyste) napięcie sygnału z dwóch napotkanych szumami napięć widzianych na jego wejściu w stosunku do ziemi, a także, jak do tego scenariusza odnosi się wyrażenie " napięcie wspólnego trybu" .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Napięcie "wspólnego trybu" odnosi się do napięcia, które jest wspólne dla dwóch lub więcej przewodów mierzonych w odniesieniu do trzeciego punktu (w tym przypadku do masy). Wzmacniacz w drugim obwodzie wytwarza tylko różnicę między dwoma sygnałami i jako taki nie odtwarza napięcia szumu (wspólnego trybu) na wyjściu.

Pytanie dotyczące wyzwania: ponowne narysowanie oryginalnego schematu (jeden drut plus ziemia) w celu modelowania źródeł zakłóceń i impedancji drutu, aby dokładnie pokazać, jak sygnał może zostać zmieszany z szumem ze źródła na wzmacniacz.

Uwagi:

Różnicowa transmisja sygnału jest bardzo praktycznym zastosowaniem wzmacniaczy różnicowych i stanowi podstawę pewnych standardowych warstw transmisji danych, takich jak RS-422 i RS-485.

Pytanie 14

Śpiewacy, którzy chcą ćwiczyć śpiewanie muzyki popularnej, uważają, że następujący układ eliminacji wokalu jest przydatny:

Obwód działa na zasadzie, że ścieżki wokalne są zwykle nagrywane przez pojedynczy mikrofon w studio nagrań, a zatem są one jednakowo reprezentowane na każdym kanale stereofonicznego systemu dźwiękowego. Obwód ten skutecznie eliminuje ścieżkę wokalną z utworu, pozostawiając jedynie muzykę, którą można usłyszeć przez słuchawki lub głośnik.

Wyjaśnij, w jaki sposób wzmacniacze operacyjne realizują to zadanie eliminacji ścieżki wokalnej. Jaką rolę odgrywa każdy opamp w tym obwodzie "# 14"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pierwsze dwa opampy jedynie "buforują" wejścia sygnału audio, aby nie były niepotrzebnie obciążane przez rezystory. Trzecia opampa odejmuje sygnał lewego kanału od sygnału prawego kanału, eliminując wszelkie dźwięki wspólne dla obu kanałów.

Pytanie o wyzwanie: niestety, pokazany tor ma tendencję do eliminowania tonów niskich i wokalnych, ponieważ właściwości akustyczne tonów niskich sprawiają, że są one niemal jednakowe na obu kanałach. Określ, w jaki sposób można rozszerzyć obwód, dodając opampy, które ponownie wprowadzają tony basowe do wyjścia "wyeliminowanego wokalnie".

Uwagi:

Obwody takie jak te są świetne do zilustrowania, ponieważ pokazują praktyczne zastosowanie zasady przy jednoczesnym zainteresowaniu uczniów.

Jeden z moich studentów, kiedy stanął przed pytaniem o wyzwanie, zasugerował umieszczenie filtru górnoprzepustowego przed jednym z wejść subakora, eliminując tony basowe na jednym z wejść i tym samym odtwarzając tony niskie na wyjściu z odkurzacza. To świetny pomysł i pokazuje, co może się stać, gdy uczniowie otrzymują forum do twórczego myślenia i swobodnego wyrażania pomysłów, ale istnieją pewne praktyczne powody, dla których byłoby to trudne do zrealizowania. Ta koncepcja działa świetnie, jeśli przyjmiemy zastosowanie idealnego filtra HP, z absolutnie zerowym przesunięciem fazowym i zerowym tłumieniem w całym paśmie przepustowym. Niestety, rzeczywiste obwody filtrujące zawsze wykazują pewien stopień obu, więc proces odejmowania nie byłby tak skuteczny, jak to było konieczne, aby wyeliminować wokal z utworu.

Pytanie 15

Następujący obwód jest znany jako wzmacniacz pomiarowy :

Załóżmy, że napięcie DC powinno być przyłożone do nieodwracającego zacisku wejściowego, +1 wolt przy V w (+), a odwrócony zacisk wejściowy jest uziemiony. Wypełnij poniższą tabelę, pokazującą napięcie wyjściowe tego obwodu dla różnych wartości m:


mV na zewnątrz


1


2


3


4


5


6


Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź


mV na zewnątrz


13 V


22 V


31, 66 wolta


41, 5 V


51, 4 V


61, 33 wolta


A V (diff) = 2 + m


m

Pytanie uzupełniające: dlaczego zdecydowałem się ustawić nieodwracające napięcie wejściowe na +1 wolt i uziemić wejście odwracające "uwagi ukryte"> Uwagi:

Podczas gdy związek pomiędzy wzmocnieniem różnicowym wzmacniacza pomiarowego a m można znaleźć w każdym dobrym podręczniku obwodu opamp, jest to coś, co uczniowie powinni nauczyć się samodzielnie na podstawie danych w tabeli.

Pytanie 16

Znajdź arkusz danych dla prawdziwego wzmacniacza pomiarowego (zapakowanego jako pojedynczy układ scalony) i przenieś go na zajęcia do dyskusji z kolegami z klasy. Analizuj i dyskutuj nad wewnętrznym działaniem obwodu oraz niektórymi jego parametrami wydajności. Jeśli nie wiesz, od czego zacząć, spróbuj poszukać modelu Analog Devices AD623 w książce informacyjnej lub w Internecie.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Opuszczę dyskusję do ciebie i twoich kolegów z klasy. Przy odrobinie szczęścia powinieneś znaleźć kilka przykładowych obwodów pokazujących, w jaki sposób można wykorzystać wzmacniacz pomiarowy, lub ewentualnie uwagi dotyczące aplikacji uzupełniające arkusz danych.

Uwagi:

Idea tego pytania polega na tym, aby uczniowie badali rzeczywiste zastosowania układów scalonych, aby nauczyli ich, jak wykonywać te badania, a także jak interpretować to, co znaleźli. Ponieważ istnieje wiele wysokiej jakości wzmacniaczy instrumentalnych już zbudowanych i zapakowanych w monolityczne jednostki, zwykle nie jest to warte czasu technika na wyprodukowanie jednego z poszczególnych opampów. Jednak przy określaniu gotowego wzmacniacza instrumentarnego niezbędna jest wiedza o tym, czego potrzebujesz i jak z niego korzystać po jego nadejściu!

Pytanie 17

Poniższy obwód jest wzmacniaczem różnicowym, podobnym do zachowania wzmacniacza pomiarowego, ale tylko z użyciem dwóch wzmacniaczy operacyjnych zamiast trzech:

Wypełnij tabelę wartości dla tego obwodu opamp, obliczając napięcie wyjściowe dla każdej kombinacji pokazanych napięć wejściowych. Na podstawie obliczonych wartości napięcia wyjściowego określ, które wejście tego obwodu się odwraca, a które nie jest odwracane, a także ile różnicowego zysku napięcia ma ten obwód. Wyraź te wnioski w formie równania.


V 1V 2V na zewnątrz


0 V0 V


+1 V0 V


0 V+1 V


+2 V+1.5 V


+3, 4 V+1.2 V


-2 V+4 V


+5 V+5 V


-3 V-3 V


Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź


V 1V 2V na zewnątrz


0 V0 V0 V


+1 V0 V-2 V


0 V+1 V+2 V


+2 V+1.5 V-1 V


+3, 4 V+1.2 V-4, 4 V


-2 V+4 V+12 V


+5 V+5 V0 V


-3 V-3 V0 V


V out = 2 (V 2 - V 1 )

Pytanie uzupełniające: wyjaśnij, w jaki sposób obwód ten jest jednocześnie podobny i inny niż popularny obwód wzmacniacza instrumentalnego.

Uwagi:

Chociaż łatwo byłoby po prostu powiedzieć uczniom, które dane wejściowe się odwracają i które dane wejściowe nie są odwracane, będą uczyć się więcej (i bardziej ćwiczyć swoje umiejętności analityczne), jeśli poproszą o przeanalizowanie tabeli wartości, aby to zrozumieć.

Pytanie 18

Ważnym parametrem każdego wzmacniacza różnicowego - gołe wzmacniacze różnicowe i wzmacniacze różnicowe z podobnie działających wzmacniaczy - jest odrzucanie w trybie zwykłym lub CMR. Wyjaśnij, co oznacza ten parametr, w jaki sposób poniższy obwód testuje ten parametr i dlaczego jest dla nas ważny:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

CMR mierzy stopień, w jakim wzmacniacz różnicowy ignoruje sygnały w trybie zwykłym.

Pytanie uzupełniające: jaki zakres wartości CMR można by oczekiwać od dobrego wzmacniacza różnicowego, jeśli poddany jest testowi pokazanemu na schemacie i CMR obliczonemu przez podaną formułę "uwagi ukryte"> Uwagi:

Na wypadek, gdyby niektórzy uczniowie nie pamiętali (!), Logarytmiczna formuła nie jest niczym specjalnym. Po prostu zapewnia odpowiedź w jednostkach decybeli.

Pytanie 19

Wyjaśnij, co oznacza współczynnik tłumienia w trybie zwykłym dla wzmacniacza różnicowego i podaj wzór do jego obliczenia.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Współczynnik tłumienia w trybie wspólnym porównuje wzmocnienie napięcia różnicowego wzmacniacza z jego wzmocnieniem napięcia w trybie wspólnym. Idealnie CMRR jest nieskończony.

CMRR = 20 log  Różnica (stosunek)


CM (współczynnik)

 

Podstawowym mechanizmem powodującym, że sygnał wspólnego sygnału przechodzi na wyjście wzmacniacza różnicowego, jest zmiana napięcia przesunięcia wejściowego wynikająca z przesunięć obciążenia spowodowanych przez to napięcie w trybie wspólnym. Czasami możesz więc zobaczyć CMRR zdefiniowany jako taki:

CMRR = 20 log  ΔV w (wspólne)


Przesunięcie ΔV

 

Uwagi:

Aplikacja, która naprawdę pokazuje wartość wysokiego CMRR, to różnicowa transmisja sygnału, jak pokazano w pytaniu # 02519. Dla tych studentów, którzy nie rozumieją znaczenia CMRR, byłby to dobry przykład do pokazania ich.

Pytanie 20

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tej pasywnej sieci średniej będzie miało wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 :
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 :
Rezystor R 3 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 :

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

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R1 nie działa poprawnie: V avg staje się średnią tylko z V 2 i V 3 .
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 : V avg staje się dokładnie równy V 1 .
Rezystor R2 nie działa poprawnie: V avg staje się średnią tylko z V 1 i V 3 .
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 : V avg staje się dokładnie równy V 2 .
Rezystor R 3 nie działa poprawnie: V avg staje się średnią tylko z V 1 i V 2 .
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 : V avg staje się dokładnie równy V 3 .

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 21

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

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 :
Rezystor R 4 nie działa poprawnie:
Rezystor R 5 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 5:
Rezystor R 6 nie działa poprawnie:

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

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R 1 nie działa poprawnie: V out jest równy 4/3 sumie napięć V 2, V 3 i V 4 .
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 : V poza staje się 4 razy V 3 .
Rezystor R 4 nie zadziała otwarcie: V out staje się równy 4/3 sumie napięć V 1, V 2 i V 3 .
Rezystor R 5 nie działa poprawnie : obwód działa jako uśredniony, a nie letni.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 5 : V out nasyca się w kierunku dodatnim.
Rezystor R 6 nie otwiera się: V wyjście nasyca się w kierunku dodatnim.

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 22

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

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 :
Rezystor R 4 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 4 :

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

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystancja R 1 nie działa poprawnie: V out staje się (odwrócona) sumą tylko V 2 i V 3 .
Rezystancja R 2 nie działa poprawnie: V out staje się (odwrócona) sumą tylko V 1 i V 3 .
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 : V- out nasyca się w kierunku ujemnym.
Rezystor R 4 nie otwiera się: V- out nasyca się w kierunku ujemnym.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 4 : V na wyjściu wynosi 0 V.

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 23

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

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 :
Rezystor R 4 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 4 :

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

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R 1 nie działa poprawnie: V na wyjściu staje się równy 1/2 V 2 .
Rezystor R2 nie działa poprawnie: V- out nasyca się.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 3 : V na wyjściu staje się równy 2 V 2 - V 1 zamiast V 2 - V 1 .
Rezystor R 4 nie działa otwarty: V out staje się równy 2 V 2 - V 1 zamiast V 2 - V 1 .
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 4 : V out jest równy -V 1 .

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 24

Wzmacniacz pomiarowy jest popularną konfiguracją obwodów do kondycjonowania sygnałów analogowych w szerokim zakresie elektronicznych aplikacji pomiarowych. Jednym z powodów, dla którego jest on tak popularny, jest to, że jego wzmocnienie różnicowe można ustawić przez zmianę wartości pojedynczego rezystora, którego wartość jest reprezentowana w tym schemacie przez stałą powielacza o nazwie m:

Istnieje równanie opisujące różnicę wzmocnienia wzmacniacza instrumentalnego, ale badanie jest dość łatwe, więc zostawię wam ten szczegół. To, co chciałbym tutaj zrobić, to algebraiczne wyprowadzenie tego równania w oparciu o to, co wiesz o odwracających się i nieodwracających obwodach wzmacniacza operacyjnego.

Załóżmy, że stosujemy +1 woltów na nieodwracającym wejściu i uziemiamy wejście odwracające, dając różnicowe napięcie wejściowe 1 wolta. Niezależnie od napięcia pojawiającego się na wyjściu obwodu wzmacniacza pomiarowego, oznacza to bezpośrednio wzmocnienie napięciowe:

Wskazówką do zbudowania algebraicznego wyjaśnienia napięcia wyjściowego obwodu jest przeglądanie dwóch "buforowych" opampów osobno, jako odwracających i nieodwracających wzmacniaczy:

Zauważ, która konfiguracja (odwracająca się lub nieodwracająca) przypomina każdy z tych obwodów, rozwija funkcje transferu dla każdego z nich (Wyjście =

.

Wejście), a następnie połącz oba równania w sposób reprezentujący to, co zrobi obwód odciągacza. Ostatecznym wynikiem powinno być równanie wzmocnienia wzmacniacza pomiarowego w zakresie m.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Nie pokażę ci pełnej odpowiedzi, ale oto początek:

Równanie dla odwrócenia strony:

Wyjście = -  R


Pan

  Wkład

Równanie dla strony nieodwracającej:

Wyjście =  R


Pan

+ 1  Wkład

Uwagi:

To pytanie rzeczywiście pochodzi od jednego z moich uczniów, kiedy próbował znaleźć algebraiczne wyjaśnienie wzmocnienia wzmacniacza oprzyrządowania! Pomyślałem, że pomysł jest tak dobry, że zdecydowałem się włączyć go jako pytanie do projektu Socratic Electronics.

Ostrożni uczniowie zauważą, że znak ujemny w równaniu odwracającego wzmacniacza staje się bardzo ważny w tym dowodzie. Jako instruktor często unikam znaków, decydując się na polaryzację sygnału jako ostatni krok po zakończeniu wszystkich innych działań arytmetycznych do analizy obwodów. Jako takie, zwykle przedstawiam równanie odwracającego wzmacniacza jako ((R f ) / (R in )) z zastrzeżeniem odwróconej polaryzacji od wejścia do wyjścia. Tutaj jednak negatywny znak staje się istotną częścią rozwiązania!

Pytanie 25

Obliczyć wzmocnienie napięcia w następującym obwodzie opamp przy pełnym obróceniu potencjometru, dokładnie w połowie i całkowicie w dół:

A V (pula do pełna) =
A V (środkowa pozycja puli) =
A V (pula całkowicie w dół) =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

A V (pula do pełna) = +1
A V (środkowa pozycja puli) = 0
A V (pula całkowicie w dół) = -1

Pytanie uzupełniające: czy możesz wymyślić jakieś interesujące aplikacje do obwodu, takie jak "notatki ukryte"> Uwagi:

Zapytaj uczniów, w jaki sposób podchodzą do tego problemu. Jak dokładnie zdecydowali się go skonfigurować, aby rozwiązanie stało się bardziej oczywiste?

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →