Summer og Subtractor OpAmp Circuits

Summing Amplifier/ Adder/ Summer of operational amplifier (op amp) (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Summer og Subtractor 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

Det enkle modstandsn netværk, der er vist her, er kendt som en passiv gennemsnitsmaskine . Beskriv hvad ordet "passivt" betyder i denne sammenhæng og skriv en ligning, der beskriver outputspændingen (V d ) i form af indgangsspændingerne (V a, V b og V c ):

Tip: Der er en netværkssætning, der direkte gælder for denne form for kredsløb, og det er kendt som Millmans teoremetode . Forskning denne sætning og brug den til at generere din ligning!

Reveal svar Skjul svar

"Passiv" betyder, at kredsløbet ikke indeholder nogen forstærkende komponenter.

V d = V a + V b + V c


3

Bemærkninger:

Studerende skal indse, at selv passive kredsløb er i stand til at model (nogle) matematiske funktioner! Spørg dine elever, hvis de kan tænke på eventuelle netværksanalysemetoder, der let kan beregne udgangsspændingen (Vd) i dette kredsløb, givet indgangsspændingerne. Der er især en sætning, der virker meget godt for dette kredsløb.

Spørgsmål 3

Tilføj et op-amp-kredsløb til udgangen af ​​dette passive gennemsnitsnetværk for at producere en sommer kredsløb: et operationelt kredsløb, der genererer en udgangsspænding svarende til summen af de fire indgangsspændinger. Skriv derefter en ligning, der beskriver hele kredsløbets funktion.

Reveal svar Skjul svar

V sum = V a + V b + V c + V d

Bemærkninger:

Ligningen for dette kredsløb er enkel nok til at kræve ingen forklaring. Hvordan dine elever afledte denne ligning, fra basisekvationen af ​​et passivt gennemsnitsnetværk, derimod, er værd at diskutere. Diskuter med dem den nødvendige gevinst for op-amp-kredsløbet, og hvordan denne gevinstfigur omdanner en middelfunktion til en summeringsfunktion.

Spørgsmål 4

Skriv en matematisk ligning for dette op-amp-kredsløb, forudsat at alle modstandsværdier er ens:

Hvad kaldes dette kredsløb typisk til "# 4"> Reveal svar Skjul svar

c = - (a + b)

Denne type kredsløb kaldes typisk en omvendt sommer .

Opfølgningsspørgsmål: Forklar hvorfor tilsætning af en anden modstand i dette kredsløb anbefales for optimal nøjagtighed, som vist i det følgende skematiske.

Udfordringsspørgsmål: skriv en ligning, der beskriver den rigtige værdi af denne ekstra modstand.

Bemærkninger:

Spørg dine elever om de korrekte modstandsværdier for en omvendt sommer kredsløb. Valget af modstand værdier er absolut ikke det samme for inverterende sommer og ikke-inverterende sommer kredsløb ens! Diskuter hvorfor værdierne er, hvad de er i et omvendt sommer kredsløb (ved hjælp af Ohms lov til at analysere kredsløbets funktion), understreger forståelse over rote memorization.

Spørgsmål 5

Denne opamp kredsløb er kendt som en forskel forstærker, undertiden kaldes en subtraktor . Forudsat at alle modstandsværdier er ens i kredsløbet, skriv en ligning, der udtrykker outputen (y) som en funktion af de to indgangsspændinger (a og b):

Reveal svar Skjul svar

y = b - a

Bemærkninger:

Arbejd gennem nogle eksempel betingelser for indgangsspændinger og modstandsværdier for at beregne udgangsspændingen ved hjælp af Ohms lov og det generelle princip om negativ feedback i et opamp-kredsløb (nemlig en antagelse om nul spændingsforskel ved opamp-indgangene). Målet her er at få eleverne til at forstå, hvorfor dette kredsløb trækker en spænding fra en anden i stedet for blot at tilskynde rote memorization.

Spørgsmål 6

Bestem alle nuværende størrelser og retninger samt spændingsfald i dette kredsløb:

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvad ville der kræves for at få dette kredsløb til at output den eksakte summen af ​​de fire indgangsspændinger "noter skjult"> Noter:

Dette spørgsmål giver ikke kun praksis at analysere opførelsen af ​​et sommer kredsløb, men også at analysere adfærden af ​​et passivt gennemsnitskredsløb. Hvis dine elever har brug for noget forfriskende på, hvordan man analyserer den passive gennemsnitlige, kan du måske gennemgå Millmans sætning med dem.

Spørgsmål 7

Bestem alle nuværende størrelser og retninger samt spændingsfald i dette kredsløb:

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvad ville der kræves for at få dette kredsløb til at output den eksakte summen af ​​de fire indgangsspændinger "noter skjult"> Noter:

Dette spørgsmål giver ikke kun praksis at analysere opførelsen af ​​et sommer kredsløb, men også at analysere adfærden af ​​et passivt gennemsnitskredsløb. Hvis dine elever har brug for noget forfriskende på, hvordan man analyserer den passive gennemsnitlige, kan du måske gennemgå Millmans sætning med dem.

Spørgsmål 8

Bestem mængden af ​​strøm fra punkt A til punkt B i dette kredsløb:

Reveal svar Skjul svar

I = 6, 5 mA

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er samtidig en anvendelse af Kirchhoffs nuværende lov, og er også et forspil til et omvendt sommer kredsløb, hvor en opamp tager den 6, 5 mA (total) strøm og konverterer den til en udgangsspænding.

Spørgsmål 9

Bestem mængden af ​​strøm fra punkt A til punkt B i dette kredsløb og også driftspændingens udgangsspænding:

Reveal svar Skjul svar

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

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er bedst forfulgt af # 02516, som beder eleverne om at løse for strømmen mellem A og B uden opamp i kredsløbet (simpelthen jordet ved punkt B ). Når eleverne indser, at punkt B nu er en virtuel grund i stedet for en ægte jord, ser de, at den samme konklusion, der er afledt af Kirchhoffs nuværende lov i passiv kredsløb, stadig er gyldig i dette aktive kredsløb, og at resultatet er en udgangsspænding svarende til den nuværende.

Spørgsmål 10

Identificer nogle af de kendetegnende egenskaber ved inverterende og ikke-inverterende sommer kredsløb. Hvordan kan du identificere, hvad der er, og hvordan kan du bestemme de korrekte modstandsværdier for at få hver til at fungere som det skal "# 10"> Reveal svar Skjul svar

Jeg vil ikke svare direkte på spørgsmålene her, men jeg vil give nogle tip. Et ikke-inverterende sommer kredsløb er sammensat af et passivt spændingsgenerator kredsløb koblet til en ikke-inverterende spændingsforstærker med en spændingsforstærkning svarende til antallet af indgange på gennemsnittet. En omvendt sommer kredsløb er sammensat af en passiv strøm sommer node koblet til en strøm-til-spænding konverter .

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er designet til at stimulere diskussionen blandt dine elever, udveksle ideer om hvert kreds definerende egenskaber. At få eleverne til at undersøge hver enkelt kredsløbstype på egen hånd og nå deres egne konklusioner om, hvordan man differentierer de to, er en langt mere effektiv måde at gøre dem til at forstå forskellene end blot at fortælle dem direkte.

Spørgsmål 11

Udfyld værdistabellen for dette opamp-kredsløb, beregning af udgangsspændingen for hver kombination af indgangsspændinger vist:


V 1V 2V ud


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


Hvilket mønster bemærker du i dataene "# 11"> Reveal svar Skjul svar


V 1V 2V ud


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


Bemærkninger:

Troede det kan være kedeligt at beregne udgangsspændingen for hvert sæt indgangsspændinger, der arbejder gennem alle spændingsfald og strømme i opamp-kredsløjen en ad gangen, det viser eleverne, hvordan de kan være i stand til at skelne funktionen af ​​et opamp-kredsløb blot ved at anvende basislove af elektricitet (Ohm's Law, KVL og KCL) og de "gyldne antagelser" af negative feedback opamp-kredsløb (ingen indgangsstrømme, nul differentialindgangsspænding).

Spørgsmål 12

Hvordan sammenligner funktionen af ​​dette differensforstærkerkreds med de modståede værdier (2R = to gange modstanden af ​​R), i modsætning til dens drift med alle modstandsværdier lig med?

Beskriv hvilken tilgang eller teknik, du plejede at udlede dit svar, og forklar også, hvordan din konklusion for dette kredsløb kan generaliseres for alle forskelle forstærkerkredse.

Reveal svar Skjul svar

Det er meget vigtigt, at du udvikler evnen til at "udforske" en kredsløbskonfiguration for at se, hvad den vil gøre, snarere end at skulle fortælle hvad den gør (enten af ​​din instruktør eller ved en bog). Alt du skal have er et solidt kendskab til grundlæggende elektriske principper (Ohm's Law, Kirchhoff's Voltage and Current Laws) og ved, hvordan opamps opfører sig, når de er konfigureret til negativ feedback.

Som en generaliseret konklusion:

Bemærkninger:

Det er let for dig (instruktøren) at vise, hvordan og hvorfor dette kredsløb virker som det gør. Spørgsmålet om dette spørgsmål er dog at få eleverne til at tage initiativ til at udforske kredsløbet alene. Det er enkelt nok for enhver elev at oprette nogle hypotetiske testbetingelser (et tankeeksperiment ) for at analysere, hvad dette kredsløb vil gøre, at det eneste der holder dem tilbage fra at gøre det er attitude, ikke egnethed.

Dette er noget, jeg har bemærket over mange års undervisning: så mange studerende, der er mere end i stand til at lave matematikken og anvender velbegrundede elektriske regler, nægter at gøre det alene på egen hånd, fordi mange års pædagogisk tradition har indoktrineret dem til at vente på instruktørens ledelse snarere end at udforske et koncept alene.

Spørgsmål 13

Hvis et svagt spændingssignal transporteres fra en kilde til en forstærker, kan forstærkeren detektere mere end blot det ønskede signal. Sammen med det ønskede signal kan ekstern elektronisk "støj" kobles til transmissionsledningen fra AC-kilder, såsom strømledere, radiobølger og andre elektromagnetiske interferenskilder. Bemærk de to waveshapes, der repræsenterer spændinger langs transmissionsledningen målt i forhold til jordbunden:

Afskærmning af transmissionskablet er altid en god idé i elektrisk støjende omgivelser, men der er en mere elegant løsning end blot at forsøge at beskytte interferens mod at komme til ledningen. I stedet for at bruge en enkeltforstærket forstærker til at modtage signalet, kan vi sende signalet langs to ledninger og anvende en differensforstærker ved modtageren. Bemærk de fire viste bølgeformer, der repræsenterer spændinger på de punkter målt i forhold til jordbunden:

Hvis de to ledninger køres parallelt med hinanden, vil hele afstanden for at være eksponeret for nøjagtigt samme støjkilder langs den afstand, støjspændingen ved bunden af ​​bunden være den samme støjspænding som den, der er lagt på signal ved enden af ​​topledningen.

Forklar, hvordan differensforstærkeren er i stand til at genoprette den oprindelige (rene) signalspænding fra de to støjstyrede spændinger set på dens input med hensyn til jord, og også hvordan udtrykket common-mode spænding gælder for dette scenario.

Reveal svar Skjul svar

"Common-mode" -spændingen refererer til den spænding, der er fælles for to eller flere ledninger målt i forhold til et tredje punkt (i dette tilfælde jorden). Forstærkeren i det andet kredsløb udsender kun forskellen mellem de to signaler og som sådan gengiver ikke den (almindelige tilstand) støjspænding ved dens udgang.

Udfordringsspørgsmål: Træk den originale (en wire plus jord) skematisk for at modellere forstyrrelseskilderne og trådens impedans for at vise præcis, hvordan signalet kunne blive blandet med støj fra kilde til forstærker.

Bemærkninger:

Differentialsignaltransmission er en meget praktisk anvendelse af differensforstærkere, og danner grundlaget for visse fysiske lag for dataoverføringsstandard som RS-422 og RS-485.

Spørgsmål 14

Sangere, der ønsker at øve sig til folkemusik, finder ud af at følgende vokal eliminator kredsløb er nyttigt:

Kredsløbet virker på princippet om, at vokalspor normalt optages via en enkelt mikrofon i optagestudiet og således repræsenteres lige på hver kanal i et stereolydsystem. Dette kredsløb eliminerer effektivt vokalsporet fra sangen, idet kun musikken bliver hørt gennem hovedtelefonen eller højttaleren.

Forklar hvordan de operationelle forstærkere opnår denne opgave med vokal spor eliminering. Hvilken rolle spiller hver opamp i dette kredsløb "# 14"> Reveal svar Skjul svar

De to første opamps "buffer" kun lydsignalindgangene, så de ikke bliver unødigt belastet af modstandene. Den tredje opamp trækker det venstre kanal signal fra højre kanal signal, hvilket eliminerer eventuelle lyde, der er fælles for begge kanaler.

Udfordringsspørgsmål: Desværre har kredsløbet vist sig at eliminere basetoner såvel som vokaler, da de akustiske egenskaber ved basetoner gør dem næsten lige repræsenteret på begge kanaler. Bestem, hvordan kredsløbet kan udvides til at omfatte opamps, der genindfører basetoner til "vokal-elimineret" output.

Bemærkninger:

Kredsløb som dette er gode til illustration, fordi de viser praktisk anvendelse af et princip, mens de engagerer elevinteresse.

En af mine elever, da de blev konfronteret med udfordringsspørgsmålet, foreslog at placere et højpasfilter før en af subtraktorens indgange, hvilket eliminerer basetoner på en af ​​indgangene og derfor gengiver basaltoner på subtraktorudgangen. Dette er en god ide og viser, hvad der kan ske, når eleverne får et forum til at tænke kreativt og frit at udtrykke ideer, men der er nogle praktiske grunde, det ville være vanskeligt at implementere. Konceptet fungerer godt, hvis vi antager brugen af ​​et perfekt HP-filter, med absolut nulfaseskift og nul dæmpning gennem hele passbåndet. Desværre udviser virkelige filterkretser altid en vis grad af begge, og derfor vil subtraktionsprocessen ikke være så effektiv som nødvendigt for at fjerne vokalen fra en sang.

Spørgsmål 15

Følgende kredsløb er kendt som en instrumentationsforstærker :

Antag at en jævnspænding skulle påføres den ikke-inverterende indgangsterminal, +1 volt ved V in (+), og den inverterende indgangsterminal jordet. Udfør nedenstående tabel, der viser udgangsspændingen for dette kredsløb for forskellige værdier af m:


mV ud


1


2


3


4


5


6


Reveal svar Skjul svar


mV ud


13 volt


22 volt


31, 66 volt


41, 5 volt


51, 4 volt


61, 33 volt


A V (diff) = 2 + m


m

Opfølgningsspørgsmål: Hvorfor valgte jeg at indstille den ikke-inverterende indgangsspænding ved +1 volt og formater den inverterende indgang "noter skjult"> Noter:

Mens forholdet mellem instrumentation forstærker differential gain og m kan ses op i enhver god opamp krets lærebog, er det noget, som dine elever skal lære at finde ud af sig selv fra dataene i tabellen.

Spørgsmål 16

Find databladet til en ægte instrumentforstærker (pakket som et enkelt integreret kredsløb) og bring det til klassen til drøftelse med dine klassekammerater. Analyser og diskuter kretsens indre funktioner og nogle af dens præstationsparametre. Hvis du ikke ved, hvor du skal begynde at kigge, skal du forsøge at undersøge Analog Devices-modellen AD623, enten i en referencebog eller på internettet.

Reveal svar Skjul svar

Jeg overlader diskussionen til dig og dine klassekammerater. Med held og lykke bør du have fundet nogle eksempler kredsløb, der viser, hvordan instrumentationsforstærkeren kan bruges, eller muligvis nogle applikations noter til at supplere databladet.

Bemærkninger:

Tanken med dette spørgsmål er at få eleverne til at undersøge virkelige integrerede kredsløbsapplikationer, at lære dem at gøre denne forskning og også hvordan man kan fortolke, hvad de finder. Da der er så mange højkvalitets instrumenteringsforstærkere, der allerede er bygget og pakket som monolitiske enheder, er det normalt ikke værd at teknikerens tid til at fremstille en fra individuelle opamps. Men når du angiver en præbygget instrumentforstærker, er det vigtigt at vide, hvad du har brug for, og hvordan du bruger det, når det kommer!

Spørgsmål 17

Følgende kredsløb er en type forskelleforstærker, der ligner opførsel til instrumentforstærkeren, men bruger kun to operationsforstærkere i stedet for tre:

Udfyld værdistabellen for dette opamp-kredsløb ved at beregne udgangsspændingen for hver kombination af indgangsspændinger, der vises. Ud fra de beregnede værdier af udgangsspændingen bestemmer du hvilken indgang af dette kredsløb, der er inverterende, og som ikke er inverterende, og også hvor meget differensspændingsforstærkning dette kredsløb har. Udtryk disse konklusioner i form af en ligning.


V 1V 2V ud


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


Reveal svar Skjul svar


V 1V 2V ud


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 ud = 2 (V 2 - V 1 )

Opfølgningsspørgsmål: Forklar, hvordan dette kredsløb er ens og anderledes end det populære forstærkningsforstærker "kredsløb.

Bemærkninger:

Selv om det ville være nemt nok bare at fortælle de studerende, hvilken indgang der er omvendt, og hvilken indgang der ikke er inverterende, vil de lære mere (og øve deres analysefærdigheder mere), hvis de bliver bedt om at arbejde gennem værditabellen for at finde ud af det.

Spørgsmål 18

En vigtig parameter for enhver differentialforstærker - bare opamps og difference forstærkere lavet af opamps alike - er common mode rejection eller CMR. Forklar, hvad denne parameter betyder, hvordan følgende kredsløb tester denne parameter, og hvorfor det er vigtigt for os:

Reveal svar Skjul svar

CMR måler i hvilken grad en differentialforstærker ignorerer common-mode signaler.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke CMR-værdier kan man forvente af en god differentialforstærker, hvis den underkastes testen vist i skematisk og CMR beregnet ved den givne formel "noter skjult"> Noter:

Hvis nogle elever ikke husker (!), Er den logaritmiske formel ikke noget særligt. Det giver simpelthen et svar i enheder af decibel.

Spørgsmål 19

Forklar, hvilket common-mode afvisningsforhold betyder for en differentialforstærker, og giv en formel til beregning af den.

Reveal svar Skjul svar

Common-mode-afvisningsforhold sammenligner en forstærkers differentialspændingsforstærkning til dens common-mode spændingsforstærkning. Ideelt set er CMRR uendelig.

CMRR = 20 log  En diff (forhold)


En CM (forhold)

 ⎠

Den grundlæggende mekanisme, der forårsager et common-mode-signal til at gøre det igennem til en differentialforstærkeres udgang, er en ændring i input offset spænding som følge af forskydninger i forspænding forårsaget af denne common-mode spænding. Så nogle gange kan du se CMRR defineret som sådan:

CMRR = 20 log  ΔV i (fælles)


ΔV offset

 ⎠

Bemærkninger:

En applikation, der virkelig viser værdien af ​​en høj CMRR, er differentialsignaltransmission, som vist i spørgsmål # 02519. For de studerende, der ikke forstår betydningen af ​​CMRR, ville dette være et godt eksempel kredsløb for at vise dem.

Spørgsmål 20

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

Modstand R 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 1 :
Modstand R 2 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 2 :
Modstand R 3 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 3 :

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

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: V avg bliver kun gennemsnittet af V 2 og V 3 .
Loddebro (kort) over modstand R 1 : V avg bliver nøjagtigt lig med V 1 .
Modstand R 2 fejler åben: V avg bliver kun gennemsnittet af V 1 og V 3 .
Loddebro (kort) over modstand R 2 : V avg bliver nøjagtigt til V 2 .
Modstand R 3 fejler åben: V avg bliver kun gennemsnittet af V 1 og V 2 .
Loddebro (kort) over modstand R 3 : V avg bliver nøjagtigt lig med V 3 .

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 21

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

Modstand R 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 3 :
Modstand R 4 fejler åben:
Modstand R 5 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 5:
Modstand R 6 fejler åben:

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

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: V ud er lig med 4/3 summen af ​​spændingerne V 2, V 3 og V 4 .
Loddebro (kort) over modstand R 3 : V ud bliver lig med 4 gange V 3 .
Modstand R 4 fejler åben: V ud er lig med 4/3 summen af ​​spændingerne V1, V2 og V3.
Modstand R 5 fejler åben: Kredsløb fungerer som en gennemsnitlig, ikke en sommer.
Loddebro (kort) over modstand R 5 : V ud mætter i positiv retning.
Modstand R 6 fejler åben: V ud mætter i positiv retning.

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 22

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

Modstand R 1 fejler åben:
Modstand R 2 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 3 :
Modstand R 4 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 4 :

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

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: V ud bliver (omvendt) summen af ​​kun V 2 og V 3 .
Modstand R 2 fejler åben: V ud bliver (omvendt) summen af ​​kun V 1 og V 3 .
Loddebro (kort) over modstand R 3 : V ud mætter i negativ retning.
Modstand R 4 fejler åben: V ud mætter i negativ retning.
Loddebro (kort) over modstand R 4 : V ud går til 0 volt.

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 23

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

Modstand R 1 fejler åben:
Modstand R 2 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 3 :
Modstand R 4 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 4 :

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

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: V ud bliver lig med 1/2 V 2 .
Modstand R 2 fejler åben: V udmætninger.
Loddebro (kort) over modstand R 3 : V ud bliver lig med 2 V 2 - V 1 i stedet for V 2 - V 1 .
Modstand R 4 fejler åben: V ud bliver lig med 2 V 2 - V 1 i stedet for V 2 - V 1 .
Loddebro (kort) over modstand R 4 : V ud bliver lig med -V 1 .

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 24

Instrumentforstærkeren er en populær kredsløbskonfiguration til analog signalbehandling i en bred vifte af elektroniske måleapplikationer. En af grundene til, at den er så populær, er, at dens differentierede gevinst kan indstilles ved at ændre værdien af ​​en enkelt modstand, hvis værdi er repræsenteret i denne skematiske af en multiplikatorkonstant, der hedder m:

Der er en ligning, der beskriver differencegivningen af ​​en instrumenteringsforstærker, men det er let nok til at undersøge, så jeg overlader denne detaljer til dig. Hvad jeg vil gerne have dig til at gøre her, er algebraisk at udlede den ligning baseret på det, du kender til inverterende og ikke-inverterende operationelle forstærkerkredse.

Antag at vi anvender +1 volt til den ikke-inverterende indgang og formater den inverterende indgang, hvilket giver en differentialindgangsspænding på 1 volt. Uanset hvilken spænding der forekommer ved udgangen af ​​instrumentforstærkerkredsen, repræsenterer den direkte spændingsforstærkningen:

Et tip til at konstruere en algebraisk forklaring på kredsløbets udgangsspænding er at se de to "buffer" opamps separat som omvendte og ikke-inverterende forstærkere:

Bemærk, hvilken konfiguration (inverterende eller ikke-inverterende) hver af disse kredsløb ligner, udvikle overføringsfunktioner for hver (Output =

.

Input), og kombiner derefter de to ligninger på en måde, der repræsenterer, hvad subtraktorkredsløbet vil gøre. Dit endelige resultat skal være forstærkningsligningen for en instrumentforstærker med hensyn til m.

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil ikke vise dig det komplette svar, men her er en start:

Ligning for inverterende side:

Output = -  R


Hr

 ⎠ Input

Ligning for ikke-inverterende side:

Output =  R


Hr

+ 1 ⎠ Input

Bemærkninger:

Dette spørgsmål opstod faktisk fra en af ​​mine studerende, da han forsøgte at finde ud af en algebraisk forklaring på instrumentationsforstærkerens gevinst! Jeg troede, at ideen var så god, at jeg besluttede at inkludere det som et spørgsmål i Socratic Electronics-projektet.

Astute studerende vil bemærke, at det negative tegn i den inverterende forstærker ligning bliver meget vigtigt i dette bevis. Som instruktør undgår jeg ofte tegn, og vælger at regne signalets polaritet som et sidste skridt, efter at alle andre aritmetik er afsluttet til en kredsløbsanalyse. Som sådan præsenterer jeg sædvanligvis den inverterende forstærkerligning som (( Rf ) / (R i )) med den hule omvendte polaritet fra indgang til udgang. Her bliver det negative tegn imidlertid en vital del af løsningen!

Spørgsmål 25

Beregn spændingsforstærkningen for følgende opamp-kredsløb, med potentiometeret drejet helt op, præcist midtposition og helt ned:

A V (gryde helt op) =
A V (gryde midtposition) =
A V (potten helt ned) =
Reveal svar Skjul svar

A V (gryde helt op) = +1
A V (gryde midtposition) = 0
A V (potten helt ned) = -1

Opfølgningsspørgsmål: Kan du tænke på nogle interessante applikationer til et kredsløb som f.eks. Denne "noter skjult"> Noter:

Spørg dine elever om, hvordan de nærmede sig dette problem. Hvordan har de nøjagtigt valgt at sætte det op, så løsningen blev mest synlig?

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →