AC Negative Feedback OpAmp Circuits

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

$config[ads_text] not found
Anonim

AC Negative Feedback OpAmp Circuits

Analoge integrerede kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbsopbygningen.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Undgå at bruge model 741 op-amp, medmindre du vil udfordre dine kredsløbsdesign færdigheder. Der er mere alsidige op-amp modeller almindeligt tilgængelige for begynderen. Jeg anbefaler LM324 til DC og lavfrekvente AC-kredsløb, og TL082 til AC-projekter, der involverer lyd eller højere frekvenser.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier, for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading". Jeg anbefaler modstandsværdier mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

I et transistorforstærkerkredsløb med fælles emittere er tilstedeværelsen af ​​kapacitans mellem kollektor- og basisterminalerne - uanset om de er i transistoren eller eksternt forbundet - det til følge, at forstærkerkredsløbet omdannes til et lavpasfilter, idet spændingsforstærkning er omvendt proportional til frekvens:

Forklar hvorfor dette er. Hvorfor påvirker en kapacitans, der er placeret på denne placering, spændingsgevinst "# 2"> Reveal answer Skjul svar

Kapacitansen giver en vej til et AC feedback signal for at gå fra samleren til basen. I betragtning af det inverterende faseforhold mellem kollektorspænding og basisspænding er denne feedback degenerativ.

Bemærkninger:

Studerende skal indse, at dette ikke er et hypotetisk spørgsmål. Intrinsisk kapacitans eksisterer faktisk mellem samleren og basen af ​​en bipolær forbindelsestransistor (kaldet Miller kapacitansen ), og dette har en degenererende effekt på spændingsforstærkning med stigende frekvens. Hvis tiden tillader det, kan du ønske at diskutere hvordan de almindelige kollektor- og common-base-forstærkerkonfigurationer naturligt undgår dette problem.

Spørgsmål 3

Hvilken af ​​følgende forstærkerkredsløb vil være mest påvirket af base-kollektorkapacitansen (vist her som en eksternt tilsluttet 10 pF kondensator), da frekvensen øges? Forklar hvorfor.

Reveal svar Skjul svar

Forstærkeren med den større kollektormodstand vil blive påvirket mere af tilbagekoblingskapacitansen, fordi dens naturligt større spændingsforøgelse giver et større spændingssignal, der skal føres tilbage til basen, for et hvilket som helst givet niveau af indgangssignal.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til på et diskret komponentniveau at se, at for common-emitter forstærker er der en bytte mellem maksimal forstærkning og maksimal driftsfrekvens. Dette spørgsmål foreskygger begrebet Gain-Bandwidth Product (GBW) i operationelle forstærkerkredse.

Spørgsmål 4

Et almindeligt problem, der opstår i udviklingen af ​​transistorforstærkerkredsløb, er uønsket oscillation som følge af parasitisk kapacitans og induktans, der danner en positiv tilbagekoblingssløjfe fra udgang til indgang. Ofte er disse parasitære parametre ret små (nanohenrys og picofarads), hvilket resulterer i meget høje oscillationsfrekvenser.

En anden parasitisk effekt i transistorforstærkerkredsløb er Miller- effektkapacitans mellem transistorterminalerne. For common-emitter kredsløb er base-kollektor kapacitans (C BC ) særlig besværlig, fordi det introducerer en tilbagekoblingsvej for AC-signaler til at rejse direkte fra udgangen (kollektorterminalen) til indgangen (baseterminal).

Opdager denne parasitære bas-til-kollektor kapacitans eller modvirker højfrekvente svingninger i et fælles-emitter forstærker kredsløb "# 4"> Reveal svar Skjul svar

Tilstedeværelsen af ​​C BC i et fælles-emitter kredsløb mindsker højfrekvente svingninger.

Bemærkninger:

Bemærk at jeg valgte at bruge et ordet "afbøde" i stedet for at give svaret på mere almindeligt engelsk. En del af mit resonemang her er at slukke det givne svar fra umiddelbar forståelse, så eleverne skal tænke lidt mere. En anden del af min begrundelse er at tvinge elevernes vokabularer til at udvide.

Spørgsmål 5

En elev forbinder en model CA3130 operationsforstærker som en spændingsfølger (eller spændingsbuffer), som er den enkleste type negativ feedback-op-amp-kredsløb muligt:

Med den ikke-inverterende indgang tilsluttet jorden (midtpunktet i split + 6 / -6 volt strømforsyningen) forventer den studerende at måle 0 volt DC ved udgangen af ​​op-amp. Dette er, hvad DC-voltmeteret registrerer, men når det er indstillet til AC, registrerer det en betydelig AC-spænding!

Nu er det mærkeligt. Hvordan kan en enkel spændingsbuffer udskifte vekselstrøm, når dens indgang er jordet, og strømforsyningen er ren DC "# 5"> Reveal svar Skjul svar

Nogle op-ampere er iboende ustabile, når de drives i negativ feedback-tilstand, og vil oscillere på egen hånd, medmindre "fase-kompenseres" af en ekstern kondensator.

Opfølgningsspørgsmål: Er der nogen applikationer med en op-amp som CA3130, hvor en kompensationskondensator ikke er nødvendig, eller værre vil det være en hindring for en vellykket kredsløbsoperation? Tip: nogle modeller af op-amp (som model 741) har indbyggede kompensationskondensatorer!

Bemærkninger:

Dine elever skal have undersøgt dataark for CA3130 op-ampen for at finde svar på dette spørgsmål. Spørg dem, hvad de fandt! Hvilke terminaler på CA3130 op-amp forbinder du kondensatoren mellem? Hvilken størrelse kondensator er passende til dette formål?

I betragtning af at nogle op-amp modeller er udstyret med deres egen indbyggede kompensation kondensator, hvad fortæller dette os om CA3130's behov for en ekstern kondensator? Hvorfor integrerede fabrikanten simpelthen ikke en kompensationskondensator i CA3130-kredsløbene, som de gjorde med 741? Eller spørg dine elever om at forklare spørgsmålet mere direkte og forklare, hvilken ulempe der er forbundet med at forbinde en kompensationskondensator til en op-amp.

Spørgsmål 6

Nogle operationelle forstærkere er udstyret med kompensationskondensatorer bygget inde. Det klassiske 741 design er en sådan opamp:

Find kompensationskondensatoren i dette skematiske diagram, og find ud af, hvordan det giver frekvensafhængig negativ feedback inden for opamp for at reducere forstærkningen ved høje frekvenser.

Reveal svar Skjul svar

Identifikation af kondensatoren er let: det er den eneste i hele kredsløbet! Den kobler signal fra samleren af ​​Q 17, som er en aktiv-ladet common-emitter forstærker, til basen af ​​Q 16, som er en emitter-følger kørsel Q 17 . Da Q 17 inverterer signalet, der påføres Q 16 's base, er feedbacken degenerativ.

Bemærkninger:

Besvarelse af dette spørgsmål vil kræve en gennemgang af grundlæggende transistorforstærkerteori, specifikt forskellige konfigurationer af transistorforstærkere og deres respektive signalfaseforhold.

Spørgsmål 7

Nogle operationelle forstærkere kompenseres internt, mens andre kompenseres eksternt . Forklar forskellen mellem de to. Tip: Eksempler på hver omfatter de klassiske LM741 og LM101 operationelle forstærkere. Undersøg deres respektive datablade for at se, hvad du finder på kompensation!

Reveal svar Skjul svar

Forskellen er kompensationskondensatorens fysiske placering, uanset om den er en del af det integrerede kredsløb eller eksternt til det.

Opfølgningsspørgsmål: Vis hvordan en ekstern kompenserende kondensator kan forbindes til en opamp som LM101.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvorfor vi måske ønsker at bruge enten opamp, når vi bygger et kredsløb. I hvilke applikationer mener de, at en internt kompenseret opamp ville være bedre, og i hvilke applikationer mener de, at en eksternt kompenseret opamp ville være at foretrække "panelpanelets standardpanel"

Spørgsmål 8

Definer "Gain-Bandwidth Product" (GBW), som udtrykket gælder for operationelle forstærkere.

Reveal svar Skjul svar

GBW-produkt er en konstant værdi for de fleste operationelle forstærkere, svarende til open-loop-forstærkningen af ​​opamp multipliceret med signalfrekvensen ved denne forstærkning.

Bemærkninger:

Der er andre måder at definere Gain-Bandwidth Product, så vær ikke overrasket, hvis eleverne præsenterer alternative definitioner i løbet af diskussionstiden.

Spørgsmål 9

Definer "Unity-Gain Bandwidth" (B 1 ), som udtrykket gælder for operationelle forstærkere.

Reveal svar Skjul svar

Unity-Gain Bandwidth er den frekvens, hvor en operationsforstærkerens open-loop spændingsgevinst er lig med 1.

Bemærkninger:

Det kræver ikke stor indsigt for at genkende, at enhed-gain båndbredde (B 1 ) og gain-bandwidth produkt (GBW) er stort set den samme ting. Dette ville være et godt punkt at bringe op (i form af et spørgsmål!) Til dine elever, hvis du allerede har diskuteret GBW.

Spørgsmål 10

Forklar effekten af ​​kompensationskapacitans på en operationsforstærker's gain-bandwidth product (GBW). Giver en større kompensationskapacitans en større GBW eller en mindre GBW, og hvorfor?

Reveal svar Skjul svar

Jo større mængden af ​​kompensationskapacitans i en op-amp (enten internt eller eksternt tilsluttet), jo mindre GBW-produktet.

Bemærkninger:

I dette spørgsmål er det virkelig vigtige aspekt ikke svaret. Hvad der er vigtigt her er, at eleverne forstår, hvad GBW-produktet er, og hvordan det påvirkes af denne ting, vi kalder "kompensationskapacitans" (et andet forskningsemne). Målet her er at få eleverne til at undersøge disse begreber og forholde dem sammen, så vær så venlig at du ikke er tilfreds med eventuelle elevsvar, der blot ændrer svaret her! Bed eleverne om at forklare, hvad disse begreber betyder, og forklare, hvorfor GBW-produktet falder med øget C comp .

Spørgsmål 11

En vigtig AC-ydelsesparameter for driftsforstærkere er slew rate . Forklar, hvad "slew rate" er, og hvad får det til at være mindre end optimalt for en opamp.

Reveal svar Skjul svar

Slew rate er den maksimale hastighed for ændring af udgangsspænding over tid ((dv / dt) | max ) som en opamp kan mønstre.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad ville output-bølgeformen af ​​en opamp se ud, hvis den forsøgte at forstærke et firkantbølgesignal med en frekvens og amplitude, der overstiger forstærkerens slew rate?

Bemærkninger:

Opfølgningsspørgsmålet er meget vigtigt, da det beder eleverne om at anvende begrebet maksimum (dv / dt) til faktiske waveshapes. Dette diskuteres ofte af indledende lærebøger, så det bør ikke være vanskeligt for eleverne at finde gode oplysninger for at hjælpe dem med at formulere et svar.

Spørgsmål 12

Det rammer nogle studerende så mærkeligt, at opamps ville have en konstant slew rate. Det vil sige, når der udsættes for en trinændringsindgangsspænding, vil en opamps udgangsspænding hurtigt rampe lineært over tid, snarere end rampe på en anden måde (såsom den inverse eksponentielle kurve, der ses i RC og RL puls kredsløb):

Alligevel har denne effekt en bestemt årsag, og den findes i opampets interne kredsløbs konstruktion: spændingsmultiplikationsstrinene i operationelle forstærkerkredsløb bruger ofte aktiv belastning til øget spændingsforstærkning. Et eksempel på aktiv belastning kan ses i det følgende skematiske diagram for den klassiske 741 opamp, hvor transistor Q 9 virker som en aktiv belastning for transistor Q 10, og hvor transistor Q 13 tilvejebringer en aktiv belastning for transistor Q 17 :

Forklar, hvordan aktiv belastning skaber den konstante drewhastighed udvist af operationelle forstærkerkredsløb såsom 741. Hvilke faktorer tegner sig for den lineære rampefylde af spænding over tid "# 12"> Reveal svar Skjul svar

Aktive belastninger fungerer som konstantstrømskilder, der giver en konstant (maksimal) strøm gennem eventuelle kapacitanser i deres vej. Dette fører til konstante (dv / dt) satser i henhold til "Ohm's Law" ligningen for kondensatorer:

i = C dv


dt

Opfølgningsspørgsmål: Baseret på det, du ser her, bestemme hvilke parametre der kan ændres inden for en operationsforstærkers interne kredsløb for at øge drewhastigheden.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål giver en god gennemgang af grundlæggende kondensator adfærd, og forklarer også hvorfor opamps har dræbte priser, som de gør.

Spørgsmål 13

Beregn impedansen (i kompleks talform) "set" af AC-signalkilden, da den kører det passive integratorkredsløb til venstre og det aktive integratorkreds til højre. I begge tilfælde antages det, at intet er forbundet med V-udgangen:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Det vigtigste, der skal læres her, er, at opampen "isolerer" signalkilden uanset impedans er i tilbagekoblingssløjfen, således at indgangsimpedansen (i dette tilfælde 10 kΩ modstanden) er den eneste impedans "synlig" for at den kilde. Dette har dybtgående virkninger på faseforholdet mellem udgangssignalet og indgangssignalet.

Spørgsmål 14

Beregn fasevinklen for den strøm, der trækkes fra AC-signalkilden, da den kører det passive integratorkredsløb til venstre og det aktive integratorkreds til højre. I begge tilfælde antages det, at intet er forbundet med V-udgangen:

Reveal svar Skjul svar

Θ = 46, 7 o for den passive integratorstrøm, mens Θ = 0 o for det aktive integratorkredsløb.

Bemærkninger:

Det vigtigste, der skal læres her, er, at opampen "isolerer" signalkilden uanset impedans er i tilbagekoblingssløjfen, således at indgangsimpedansen (i dette tilfælde 10 kΩ modstanden) er den eneste impedans "synlig" for at den kilde. Dette har dybtgående virkninger på faseforholdet mellem udgangssignalet og indgangssignalet.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →