Negative Feedback OpAmp Circuits

Feedback (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

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

Spændingsforøgelsen for en enkeltforstærket forstærker er defineret som forholdet mellem udgangsspænding og indgangsspænding:

A V = V ud


V in

Ofte defineres spændingsforstærkning mere specifikt, da forholdet mellem udgangsspænding ændres til indgangspændingsændring. Dette er generelt kendt som en forstærkers vekselstrømforstærkning :

A V (AC) = ΔV ud


ΔV in

I begge tilfælde er forstærkningen dog et forhold mellem en enkelt udgangsspænding og en enkelt indgangsspænding.

Hvordan definerer vi generelt spændingsforstærkning for en differentialforstærker, hvor der er to indgange, ikke kun en "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02287x02.png">

Reveal svar Skjul svar

Spændingsgevinst for en differentialforstærker defineres som forholdet mellem udgangsspænding og spændingsforskellen mellem de to indgange.

Bemærkninger:

Dette er et meget vigtigt koncept for eleverne at forstå, især inden de fortsætter med at studere operationelle forstærkere, som ikke er mere end differentialforstærkere med ekstremt høje spændingsgevinster.

Spørgsmål 3

Skriv overføringsfunktionen (input / output ligning) for en operationsforstærker med en spændingsgevinst på 100.000. Skriv med andre ord en ligning, der beskriver udgangsspændingen for denne op-amp (V ud ) for enhver kombination af indgangsspændinger (V i (+) og V in (-) ):

Reveal svar Skjul svar

V ud = 100.000 (V i (+) - V i (-) )

Bemærkninger:

Konceptet "overførselsfunktion" er meget nyttigt, og det kan være din elevernes første eksponering for ideen. Det er en sætning, der bruges ganske ofte i tekniske applikationer, og kan betegne en ligning, et talbord eller en graf.

I dette særlige spørgsmål er det vigtigt, at eleverne ved, hvordan de kan udlede og anvende den grundlæggende overførselsfunktion til en differentialforstærker. Udfordre dine elever til at udtrykke denne funktion i en mere generel form, så der kan foretages beregninger med forskellige open-loop spændingsgevinster.

Spørgsmål 4

Hvor meget spænding skal "opkaldes" på potentiometeret for at stabilisere udgangen på nøjagtigt 0 volt, forudsat at opampen ikke har nogen indgangsspænding "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com /images/quiz/00924x01.png ">

Reveal svar Skjul svar

5 volt

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er en grundlæggende gennemgang af en ideel differentialforstærkerfunktion. Spørg dine elever om, hvilken spænding der skal "opkaldes" på potentiometeret for at producere 0 volt ved udgangen af ​​op-amp til flere forskellige spændinger ved den anden indgang. Hvis de ikke forstår først, vil de snart efter at have diskuteret disse alternative scenarier.

Spørgsmål 5

En op-amp har +3 volt anvendt til den inverterende indgang og +3.002 volt anvendt til den ikke-inverterende indgang. Dens åbne spændingsgevinst er 220.000. Beregn udgangsspændingen som forudsagt af følgende formel:

V ud = A V (V i (+) - V i (-) )

Hvor meget differentieret spænding (input) er nødvendigt for at drive output fra op-amp til en spænding på -4, 5 volt?

Reveal svar Skjul svar

V ud = 440 volt

Opfølgningsspørgsmål: Er denne spændingsfigur realistisk? Er det muligt for en op-amp som modellen 741 at udgive 440 volt? Hvorfor eller hvorfor ikke?

Den differentielle indgangsspænding, der er nødvendig for at drive output fra denne op-amp til -4, 5 volt, er -20.455 μV.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad betyder det for indgangsspændingsdifferencen at være negativ 20.455 mikrovolt? Giv et eksempel på to indgangsspændinger (V i (+) og V in (-) ), der ville generere denne meget differentielle spænding.

Bemærkninger:

Det er klart, at der er begrænsninger for op-amp-formlen til beregning af udgangsspænding, givet indgangsspændinger og åbningsspændingsforstærkning. Studerende skal indse de praktiske grænser for en op-amps udgangsspændingsområde, og hvad sætter disse grænser.

Spørgsmål 6

Et meget vigtigt koncept inden for elektronik er den negative feedback . Dette er et ekstremt vigtigt begreb at forstå, da mange elektroniske systemer udnytter dette princip til deres drift og kan ikke forstås ordentligt uden en forståelse af det.

Men vigtig negativ feedback kan være, det er ikke det nemmeste koncept at forstå. Faktisk er det et ret begrebsmæssigt spring for nogle. Nedenstående er en liste over eksempler - nogle elektroniske, nogle ikke - udviser negativ feedback:

Et spændingsregulerende kredsløb
Et autopilotsystem til et fly eller en båd
Et termostatisk temperaturreguleringssystem ("termostat")
Emitter modstand i et BJT forstærker kredsløb
Lenz's lovdemonstration (magnetisk dæmpning af et bevægeligt objekt)
Kropstemperatur hos et pattedyr
Naturlig regulering af priser i en fri markedsøkonomi (Adam Smiths "usynlige hånd")
En forsker lærer om opførsel af et naturligt system gennem eksperimentering.

Svar i hvert enkelt tilfælde for følgende spørgsmål:

Hvilken variabel stabiliseres af negativ feedback?
Hvordan foregår feedbacken (trin for trin)?
Hvad ville systemets svar være, hvis negativ feedback ikke var til stede?
Reveal svar Skjul svar

Jeg vil give svar til kun et af eksemplerne, spændingsregulatoren:

Hvilken variabel stabiliseres af negativ feedback?
Udgangsspænding.
Hvordan foregår feedbacken (trin for trin)?
Når udgangsspændingen stiger, tager systemet sig for at tabe mere spænding internt, hvilket betyder mindre for udgangen.
Hvad ville systemets svar være, hvis negativ feedback ikke var til stede?
Uden negativ feedback vil udgangsspændingen stige og falde direkte med indgangsspændingen og omvendt med belastningsstrømmen.

Bemærkninger:

Det er svært at overvurdere betydningen af ​​at forstå negativ feedback i studiet af elektronik. Så mange forskellige typer systemer er afhængige af det til deres drift, at det ikke kan udelades fra enhver seriøs elektronik pensum. Alligevel ser jeg mange lærebøger undlader at udforske dette princip i tilstrækkelig dybde eller diskutere det kun i matematisk forstand, hvor eleverne sandsynligvis vil savne grundkonceptet, fordi de vil være for fokuserede på at løse ligningerne.

Spørgsmål 7

Skriv overføringsfunktionen (input / output-ligning) for en operationsforstærker med en spændingsgevinst på 100.000, og den inverterende indgang er tilsluttet direkte til dens udgangsterminal. Skriv med andre ord en ligning, der beskriver udgangsspændingen for denne op-amp (V ud ) for en given indgangsspænding ved den ikke-inverterende indgang (V i (+) ):

Så når du har en ligning skrevet, skal du løse den overfor alle spændingsforstærkning (A V = ((V ud ) / (V i (+) ))) af dette forstærkerkreds og beregne udgangsspændingen for en ikke- inverterende indgangsspænding på +6 volt.

Reveal svar Skjul svar

V ud = 100.000 (V i (+) - V ud )

(Jeg har overladt dig til at udføre den algebraiske forenkling her!)

A V = 100.000


100.001

= 0, 99999

For en indgangsspænding på +6 volt vil udgangsspændingen være +5, 99994 volt.

Bemærkninger:

Det væsentlige punkt i dette spørgsmål er, at eleverne ser opampens overordnede spændingsgevinst radikalt dæmpet fra 100.000 til ca. 1. Hvad der ikke er så tydeligt, er, hvor stabil denne nye spændingsgevinst er, hvilket er et af formålene med at ansætte negativ feedback.

Spørgsmål 8

Hvor meget effekt vil en ændring i OP-ampens åbne kredsløbspændingsforøgelse få på den samlede spændingsgevinst for et negativt feedback-kredsløb, såsom dette "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images /quiz/02288x01.png ">

Hvis open-loop-gevinsten fra denne operationelle forstærker skulle ændres fra 100.000 til 200.000, for eksempel, hvor stor en effekt ville den have på spændingsforøgelsen målt fra den ikke-inverterende indgang til udgangen?

Reveal svar Skjul svar

De forskellige i den samlede spændingsgevinst vil være trivielle.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilken fordel er der ved at opbygge spændingsforstærkerkredsløb på denne måde, og anvende negativ feedback til en "core" -forstærker med meget høj egenforstærkning?

Bemærkninger:

Arbejd med dine elever for at beregne nogle få eksempler scenarier, med den gamle open-loop gain mod den nye open-loop gain. Lad eleverne validere deres konklusioner med tal!

Negativ tilbagemelding er et yderst nyttigt teknikprincip og en, der gør det muligt for os at bygge meget præcise forstærkere ved hjælp af upræcise komponenter. Kreditt for denne ide går til Harold Black, en elektrisk ingeniør, i 1920'erne. Mr. Black søgte en måde at forbedre lineariteten og stabiliteten af ​​forstærkere i telefonsystemer, og (som legenden har det) kom ideen til ham i et glimt af indsigt, da han pendlede på en færgebåd.

En interessant historisk sidebemærkning er, at Blacks 1928 patentansøgning blev afvist forkastet med den begrundelse, at han forsøgte at indsende en evigvarende enhed! Begrebet negativ feedback i et forstærkerkreds var så i strid med den etablerede tekniske tanke på det tidspunkt, at Black oplevede betydelig modstand mod ideen inden for ingeniørfællesskabet. USAs patentkontor blev derimod oversvømmet med bedrageriske "evigvarende" krav, og så afskedigede Blacks opfindelse ved første øjekast.

Spørgsmål 9

Udfyld spændingsbordet for denne opamp "spændingsfølger" kredsløb:


V inV ud


0 volt0 volt


+5 volt


+10 volt


+15 volt


+20 volt


-5 volt


-10 volt


-15 volt


-20 volt


Reveal svar Skjul svar


V inV ud


0 volt0 volt


+5 volt+5 volt


+10 volt+10 volt


+15 volt+15 volt


+20 volt+15 volt


-5 volt-5 volt


-10 volt-10 volt


-15 volt-15 volt


-20 volt-15 volt


Opfølgningsspørgsmål: De udgangsspændingsværdier, der er angivet i denne tabel, er ideelle. En reel opamp ville sandsynligvis ikke være i stand til at opnå det samme som vist her på grund af idiosyncrasier af disse forstærkerkredse. Forklar, hvad der sandsynligvis ville være anderledes i et ægte opamp-kredsløb end det der vises her.

Bemærkninger:

En almindelig fejl, jeg ser eleverne, der er ny på opamps, gør, at udgangsspændingen vil opnå magisk værdi, uanset hvilken værdi forøgelsesligningen forudsiger, uden hensyntagen til strømforsyningsspændingsgrænser.

Et andet godt opfølgningsspørgsmål spørger dine elever er: "Hvor meget spænding er der mellem de to indgangsterminaler i hver af de situationer, der er beskrevet i tabellen" Panelpanels panelpanel-standard "itemscope>

Spørgsmål 10

Dette operationelle forstærkerkredsløb betegnes ofte som en spændingsbuffer, fordi den har enhedsforstærkning (0 dB) og derfor simpelthen gengiver eller "buffere" indgangsspændingen:

Hvilken mulig anvendelse er et kredsløb som dette, som ikke giver nogen spændingsgevinst eller nogen anden form for signalændring "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/03801x02.png">

Reveal svar Skjul svar

Mens dette kredsløb tilbyder ingen spændingsgevinst, tilbyder den nuværende forstærknings- og impedansomdannelse . I lighed med den fælles kollektor (eller fælles-dræne) enkelt transistorforstærker kredsløb, der også havde spændingsgevinster af (nær) enhed, er opamp buffer kredsløb nyttige, når man skal køre en relativt "tung" (lavimpedans) belastning med et signal, der kommer fra en "svag" (højimpedans) kilde.

Bemærkninger:

Jeg har fundet ud af, at nogle elever har problemer med udtrykket "tungt" og "lys" med henvisning til belastningsegenskaber. At en "tung" belastning ville have meget få ohm impedans, og en "let" belastning ville have mange ohm impedans synes at være intuitiv for nogle. Det er dog helt fornuftigt, at når eleverne indser, at udtrykket "tungt" og "lys" refererer til mængden af strøm, der trækkes af de respektive belastninger.

Bed dine elever om at forklare, hvorfor det lige stykke ledning undlader at "spærre" spændingssignalet på samme måde som opamp-følgerkredsløbet gør.

Spørgsmål 11

Til alle praktiske formål, hvor meget spænding eksisterer mellem de inverterende og ikke-inverterende indgangsterminaler af en op-amp i et fungerende negativt feedback kredsløb?

Reveal svar Skjul svar

Nul volt

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvorfor der ikke vil være nogen praktisk spænding mellem indgangsterminalerne til en operationsforstærker, når den bruges i et negativt feedback-kredsløb.

Spørgsmål 12

Ligesom visse antagelser ofte gøres for bipolære transistorer for at forenkle deres analyse i kredsløb (en ideel BJT har ubetydelig basestrøm, jeg C = I E, konstant β osv.), Laver vi ofte antagelser om operationelle forstærkere, så vi kan analysere deres adfærd lettere i lukket kredsløb. Identificer nogle af disse ideelle opamp forudsætninger, da de vedrører følgende parametre:

Indgangsstrømmenes størrelse:
Indgangsimpedans:
Outputimpedans:
Indgangsspændingsområde:
Udgangsspændingsområde:
Differentialespænding (mellem indgangsterminaler) med negativ tilbagekobling:
Reveal svar Skjul svar

Størrelsen af ​​indgangsterminaler: uendelig
Indgangsimpedans: uendelig
Outputimpedans: uendelig
Indgangsspændingsområde: Aldrig overstiger + V / -V
Udgangsspændingsområde: Aldrig overstiger + V / -V
Differentialespænding (mellem indgangsterminaler) med negativ feedback: uendelig

Bemærkninger:

Bare hvis dine elever ikke er bekendt med ordene uendelige og uendelige, fortælle dem, at de blot betyder "større end store" og "mindre end små".

Spørgsmål 13

Formålet med dette kredsløb er at tilvejebringe en trykjusterbar spænding. Ved at trykke på en knap får udgangsspændingen til at stige, mens tryk på den anden knap får udgangsspændingen til at falde. Når ingen af ​​knapperne trykkes, forbliver spændingen stabil:

Efter at have arbejdet fint i ganske lang tid, fejler kredsløbet pludselig: nu udsender den kun nul volt DC hele tiden.

En erfaren tekniker kontrollerer først strømforsyningsspændingen for at se om det er inden for normale grænser, og det er. Derefter kontrollerer teknikeren spændingen over kondensatoren. Forklar hvorfor dette er et godt testpunkt at kontrollere, og hvad resultaterne af denne kontrol ville fortælle teknikeren om fejlens art.

Reveal svar Skjul svar

Kontrol af spænding på tværs af kondensatoren vil fortælle teknikeren, hvilken spænding op-amp følgeren bliver "fortalt" at reproducere ved udgangen.

Udfordringsspørgsmål: Hvorfor antager du, at jeg angiver en CA3130 operationsforstærker til dette kredsløb "noter skjult"> Noter:

At vide, hvor man skal tjekke for kritiske signaler i et kredsløb, er en vigtig færdighed, fordi det normalt betyder forskellen mellem, at man effektivt lokaliserer en fejl og spilder tid. Bed dine elever om at forklare detaljeret begrundelsen bag kontrol af spænding på tværs af kondensatoren, og (igen i detaljer) hvilke bestemte spændingsmålinger på det tidspunkt ville vise sig om fejlens art.

Spørgsmål 14

En studerende bygger følgende regulerede AC-DC strømforsyningskreds, men er utilfreds med dens ydeevne:

Spændingsreguleringen er ikke så god som den studerende håbede. Ved indlæsning vil outputspændingen "sags" mere end den studerende ønsker. Når zenerdiodens spænding måles under de samme forhold (losset udgang, i forhold til indlæst udgang), er dens spænding bemærket for at dække en smule også. Den studerende indser, at en del af problemet her er at indlæse zener diode gennem transistoren. I et forsøg på at forbedre spændingsreguleringen af ​​dette kredsløb indsætter eleven et opamp "spændingsfølger" kredsløb mellem zener diode og transistoren:

Nu er zenerdioden isoleret isoleret fra transistorens ladningseffekter, og i forlængelse af outputbelastningen. Opamp tager simpelthen zenerens spænding og reproducerer den ved transistorbase og leverer så meget strøm til transistoren som nødvendigt uden at pålægge ekstra belastning på zener diode.

Denne ændring forbedrer faktisk kredsløbets evne til at holde en stabil udgangsspænding under skiftende belastningsforhold, men der er stadig plads til forbedring. En anden studerende ser på det ændrede kredsløb og foreslår en lille ændring, der dramatisk forbedrer spændingsreguleringen:

Nu er udgangsspændingen stabil ved zener diodeens spænding med næsten ingen "sag" under belastning! Den anden studerende er tilfreds med succesen, men den første studerende forstår ikke, hvorfor denne version af kredsløbet virker bedre end tidligere version. Hvordan ville du forklare dette kredsløbs forbedrede ydeevne til den første elev "# 14"> Reveal svar Skjul svar

Med den flyttede tilbagekoblingsforbindelse sensorerer opampen nu belastningsspændingen ved udgangsterminalerne og kan korrigere for eventuelle spændingstab i strømtransistoren.

Opfølgningsspørgsmål: Det nye forbedrede kredsløb viser bestemt bedre spændingsregulering, men det introducerer også noget, som den første studerende finder overraskende: nu er udgangsspændingen ca. 0, 7 volt større end den plejede at være. Forklar hvorfor.

Bemærkninger:

Dette er et af mine yndlingsspørgsmål for at spørge eleverne, da de begynder at lære, hvordan negativ feedback virker. Det er en fremragende "lakmusprøve" for forståelse af negativ feedback: de studerende, som forstår, hvordan og hvorfor negativ feedback virker, vil straks forstå betydningen af ​​den modificerede tilbagekoblingsforbindelse; dem, der ikke forstår negativ feedback, undlader at forstå, hvorfor dette kredsløb fungerer overhovedet. Brug så meget tid som du har brug for at diskutere dette kredsløb, fordi det har nøglen til at forstå studerende på en lang række opamp-kredsløb!

Spørgsmål 15

Forudsig, hvordan driften af ​​dette regulerede strømforsyningskredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Transformer T 1 primære vikling fejler åben:
Korrigerende diode D 3 fejler åben:
Korrigerende diode D 4 fejler ikke kort:
Modstand R 1 fejler åben:
Zener diode D 5 fejler åbent:
Operationsforstærker U 1 fejler med outputmættet positiv:
Transistor Q 1 fejler åben (kollektor-til-emitter):

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Transformator T 1 primære vikling fejler åben: Udgangsspændingen falder til nul efter filterkondensatorer C 1 og C 2 udladning.
Korrigerende diode D 3 fejler åben: Ingen effekt ses ved fri belastning, reguleringen falder hurtigere, da belastningen bliver tungere.
Korrigerende diode D 4 fejler ikke kortslutning: Sikringen kan blæse, diode D 2 kan mislykkes på grund af overophedning (og hurtigt blæse sikringen, hvis den heller ikke kortsluttes).
Modstand R 1 fejler åben: Udgangsspændingen falder til nul efter udledning af filterkondensator C 2 .
Zener diode D 5 fejler åben: Udgangsspændingen stiger til næsten fuld (ureguleret) værdi.
Operationsforstærker U 1 fejler med outputmættet positiv: Udgangsspændingen stiger til næsten fuld (ureguleret) værdi.
Transistor Q 1 fejler åben (kollektor-til-emitter): Udgangsspændingen falder til nul efter udledning af filterkondensator C 2 .

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 16

Dette regulerede strømforsyningskreds har et problem. I stedet for at udlade 15 volt DC (nøjagtigt) som det skal, udsender den 0 volt DC til belastningen:

Du måler 0, 25 volt DC mellem TP4 og jord og 20 volt mellem TP1 og jord, ved hjælp af din voltmeter. Ud fra disse oplysninger bestemme mindst to uafhængige fejl, der kan forårsage dette særlige problem.

Reveal svar Skjul svar

Mulige fejl: (Bemærk at denne liste ikke er udtømmende)

Opamp (U 1 ) mislykkedes med output mættet negativ.
Zener diode (D 1 ) mislykkedes kortere.
Modstand R 1 mislykkedes åbent.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare deres begrundelse, hvorfor de valgte de komponentfejl, de gjorde. Bed dem også om at identificere komponenter, som de mener fungerer korrekt (uden tvivl).

Spørgsmål 17

"Split" eller "dual" DC-strømforsyninger er vigtige for at drive mange typer elektroniske kredsløb, især visse typer operationelle forstærkerkredsløb. Hvis kun en ßingle "DC-strømforsyning ikke er tilgængelig, kan en ßplit-strømforsyning simuleres groft ved brug af en resistiv spændingsdeler:

Problemet med at gøre dette indlæses: hvis mere strøm trækkes fra en af ​​strømforsyningsskinnerne end fra den anden, bliver spændingsspændingen ujævn. Den eneste måde, at + V og -V vil have den samme (absolutte) spændingsværdi ved belastningen er, hvis belastningsimpedansen er afbalanceret jævnt mellem disse skinner og jorden. Dette scenario er usandsynligt. Tag f.eks. Dette eksempel:

Et simpelt opamp-kredsløb kan imidlertid afhjælpe dette problem og opretholde en jævn spaltning mellem + V, Ground og -V:

Forklar hvordan dette kredsløb fungerer. Hvilken funktion udfører de to modstande "# 17"> Reveal answer Skjul svar

De to modstande etablerer en referencespænding nøjagtigt mellem + V og -V, hvilket vil være den "Jord" spænding, der ses af lasten. Opamp bevarer den aktuelle jordleder ved det referencepotentiale gennem negativ feedback, idet enten transistoren drives så hårdt som nødvendigt for at holde jordpotentialet centreret mellem + V og -V.

Udfordring spørgsmål: Hvis du planlægger at opbygge denne type kredsløb, anbefales det at placere et par bypass kondensatorer på tværs af udgange. Forklar hvorfor:

Bemærkninger:

Dette kredsløb er ikke kun det værd at diskutere med dine elever som et eksempel på negativ feedback i aktion, men det er også praktisk at bruge dem som en improviseret strømforsyning "splitter", når kun en enkelt forsyning er tilgængelig. Hvis du beslutter dig for at opbygge dette kredsløb, vær forsigtig med transistorernes strømafbrydelser! Bestem maksimal ubalance strøm til belastningen (hvor meget strøm skal trækkes gennem jordterminalen), og multiplicér derefter strømmen med + V (eller -V, absolut). Dette vil være den maksimale effektafledningsværdi, enten transistoren skal kunne håndtere sikkert.

Som svar på udfordringsspørgsmålet vil visdom af bypass-kondensatorerne være tydeligt, hvis en pulserende belastning (såsom en børstelignende DC motor) er placeret mellem enten "rail" og Ground. Opampen skal svinge sin fremgang meget hurtigt for at tænde hver transistor hurtigt nok til at modvirke dips i spænding forårsaget af den pulserende belastning. Kondensatorer er naturligvis modstandsændringer i spænding, og de er også ideelle til at mildne sådanne spændingsdyser, hvilket letter byrden på opampen.

Spørgsmål 18

Design et passivt kredsløb, der vil skabe en "split" (+ V / -V) strømforsyning fra en enkelt spændingskilde:

Reveal svar Skjul svar

Ved lavstrøm applikationer virker følgende modstands- / kondensatornetværk bemærkelsesværdigt godt:

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke designbegrænsninger vil diktere størrelsen af ​​modstande og kondensatorer "noter skjult"> Noter:

Denne enkle filtrerede spændingsdeler kredsløb fungerer godt, når den nuværende trækker er lav, eller i det mindste meget tæt på at være lige, på + V og -V lastskinner. Det virker ikke så godt for stærkt asymmetriske belastninger, eller hvor lav hvilende strømudtrækning er vigtig (f.eks. Lavspændingsbatterier). I applikationer, der kræver bedre + V / -V spændingsstabilitet, anbefales et opamp "følger" kredsløb efter spændingsdeleren.

Spørgsmål 19

En komplementær push-pull-transistorforstærker, der er bygget nøjagtigt som vist, ville udføre temmelig dårligt og udvise crossover-forvrængning:

Den enkleste måde at reducere eller eliminere denne forvrængning på er ved at tilføje en smule forspænding til hver af transistorernes indgange, så der vil aldrig være en tidsperiode, når de to transistorer samtidig afbrydes:

Et problem med denne løsning er, at bare lidt for meget biaspænding vil resultere i overophedning af transistorerne, da de samtidig udfører strøm nær nulpunktsovergangen for vekselstrømsignalet. En mere sofistikeret metode til afbødning af crossover-forvrængning er at bruge en opamp med negativ feedback, som denne:

Forklar, hvordan opamp er i stand til at eliminere crossover forvrængning i dette push-pull forstærker kredsløb uden behov for forspænding.

Reveal svar Skjul svar

Ved at registrere V ud kan opampen "fortælle", om udgangsspændingen svarer til indgangsspændingen, så det kan køre transistorerne så hårdt som de skal køres for at få udgangsspændingen, hvor den skal være.

Udfordringsspørgsmål: Et mere praktisk design blander de to strategier som dette:

Forklar hvorfor brug af mindre biaspænding og negativ feedback med en opamp resulterer i bedre ydeevne end hverken metode, der anvendes alene.

Bemærkninger:

Meget kan siges om god forstærker kredsløb design i dette spørgsmål, men det grundlæggende punkt er for eleverne at se, hvordan negativ feedback kombineret med den ekstremt høje gevinst af opamp minimerer crossover forvrængning. Sørg for at fokusere elevernes opmærksomhed på det tidspunkt, indtil de forstår det godt, inden du starter med en diskussion om de finere punkter i forstærkerdesign.

Det skal bemærkes, at denne løsning til crossover forvrængning i et push-pull forstærker kredsløb giver ikke altid de bedste resultater. For at opampen skal sikre en jævn overgang mellem halvcyklusserne, skal dens udgang hoppe om 1, 4 volt øjeblikkeligt for at gå fra at dreje en transistor for at tænde den anden transistor. Selvfølgelig ingen opamp kan gøre dette, fordi alle har dræbte sats begrænsninger. Så der vil stadig være nogen crossover forvrængning, men ikke så meget som uden opampen (og med langt mindre hvilende strømfordeling, at todiodeløsningen!).

Spørgsmål 20

Den parasitiske kapacitans, der findes naturligt i to ledninger, kan forårsage problemer, når de er forbundet med højimpedans elektroniske enheder. Tag for eksempel visse biomedicinske prober, der bruges til at detektere elektrokemiske begivenheder i levende væv. Sådanne prober kan modelleres som spændingskilder i serie med modstande, idet disse modstande sædvanligvis er temmelig store på grund af probernes meget små overflade (kontakt) områder:

Når der tilsluttes et kabel med parasitisk kapacitans, dannes et lavpas-RC-filter kredsløb:

Dette lavpasfilter (eller passiv integrator, hvis du ønsker det) er udelukkende utilsigtet. Ingen bad om at være der, men det er der alligevel bare på grund af probens naturlige modstand og den naturlige kapacitans af kablet. Ideelt set vil vi gerne sende signalspændingen (V- signalet ) lige til forstærkeren uden indblanding eller filtrering af nogen art, så vi kan se præcis, hvad det er, vi forsøger at måle.

En smart måde at praktisk talt eliminere virkningerne af kabelkapacitans på er at omslutte signalledningen i sit eget skjold og derefter drive det pågældende skærm med nøjagtig samme spændingsvolumen fra en spændingsfølger i den anden ende af kablet. Dette kaldes bevogtning :

En tilsvarende skematisk kan gøre denne teknik mere forståelig:

Forklar, hvorfor beskyttelsen af ​​signalledningen effektivt fjerner virkningerne af kabelens kapacitans. Visse kapacitans er bestemt stadig, så hvordan kan det ikke have nogen effekt på det svage signal mere "# 20"> Reveal svar Skjul svar

Den beskyttende opamp holder beskyttelsesskærmen på samme potentiale som midterføreren og opretholder 0 volt over den parasitiske kapacitans mellem disse to ledere. Uden spænding på tværs af den kapacitans kan det lige så godt ikke være der!

Opfølgningsspørgsmål: Selvom kapacitansen til midter-til-vagt kan have nul volt over det hele, takket være opampen, har guard-to- (ydre) skjoldkapacitans stadig den fulde signalspænding på tværs af den. Forklar hvorfor dette ikke har nogen betydning for os, og hvorfor dets tilstedeværelse ikke danner et lavpasfilter som den oprindelige (ubeskyttede) kabelkapacitans en gang gjorde.

Bemærkninger:

Bevogtning er en teknik, der anvendes i mange test- og målescenarier, og det tjener som et godt eksempel på opamps anvendt som spændingsfølgere.

Hvis eleverne ikke er overbeviste om alvorligheden af ​​kabelkapacitansen i en applikation som den beskrevne, foreslår disse værdier dem og beder dem beregne cutofffrekvensen for lavpasfilteret dannet ved R- signal og C- kabel :

R signal = 20 MΩ
C- kabel = 175 pF

Spørgsmål 21

Ideelt set udfører input-terminalerne for en operationsforstærker nulstrøm, hvilket gør det muligt for os at forenkle analysen af ​​mange opamp-kredsløb. Men i virkeligheden er der en meget lille mængde strøm igennem hver af indgangsterminalerne på enhver opamp med BJT-indgangskredsløb. Dette kan medføre uventede spændingsfejl i kredsløb.

Overvej følgende spændingsbuffer kredsløb:

Jeg bias (-) giver ikke nogen problemer for os, fordi den er fuldstændig leveret af opampens output. Den anden biasstrøm giver dog problemer, fordi den skal gå gennem kildens Thévenin-modstand. Når det gør det, dråber det en vis spænding over den egentlige kildebestandighed, der skævner den spænding, der faktisk ses ved opampens ikke-inverterende terminal.

En fælles løsning på dette er at tilføje en anden modstand til kredsløbet, som dette:

Forklar hvorfor tilsætningen af ​​en modstand løser problemet.

Reveal svar Skjul svar

Den ekstra modstand skal falde en lige stor spænding, således at enhver biaspænding, der indføres af biasstrømmen, passerer gennem kildens indre modstand, afbrydes. Dimensionering af denne "kompenserende" modstand svarende til kildeens Thévenin-modstand forudsætter nulindgang offset- strøm.

Bemærkninger:

Et simpelt spændingsbufferkredsløb er den nemmeste kontekst, hvor man forstår funktionen af ​​en bias nuværende kompenserende modstand, og så er det præsenteret her for at give eleverne mulighed for at se dens indvirkning.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →