Spannungs / Stromwandler-Operationsverstärker-Schaltungen

Verstärkt die Kollektorschaltung Spannung? | Transistor (Juni 2019).

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Anonim

Spannungs / Stromwandler-Operationsverstärker-Schaltungen

Analoge integrierte Schaltungen


Frage 1

Sitz nicht nur da! Baue etwas !!

Das mathematische Analysieren von Schaltkreisen erfordert viel Übung und Übung. Üblicherweise üben die Schüler, indem sie viele Beispielprobleme durcharbeiten und ihre Antworten mit denen des Lehrbuchs oder des Lehrers vergleichen. Während das gut ist, gibt es einen viel besseren Weg.

Sie werden viel mehr lernen, indem Sie reale Schaltkreise erstellen und analysieren und Ihr Testgerät die "Antworten" anstatt eines Buches oder einer anderen Person liefern lassen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um erfolgreiche Übungen für den Schaltungsaufbau durchzuführen:

  1. Messen und notieren Sie sorgfältig alle Komponentenwerte vor dem Schaltungsaufbau.
  2. Zeichnen Sie das schematische Diagramm für die zu analysierende Schaltung.
  3. Bauen Sie diese Schaltung vorsichtig auf einem Steckbrett oder einem anderen geeigneten Medium auf.
  4. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Schaltungskonstruktion, folgen Sie jeder Leitung zu jedem Verbindungspunkt und überprüfen Sie diese Elemente nacheinander in der Abbildung.
  5. Mathematisch analysieren Sie die Schaltung und lösen Sie alle Spannungs- und Stromwerte.
  6. Messen Sie sorgfältig alle Spannungen und Ströme, um die Genauigkeit Ihrer Analyse zu überprüfen.
  7. Wenn es wesentliche Fehler gibt (mehr als ein paar Prozent), überprüfen Sie sorgfältig die Konstruktion Ihrer Schaltung gegen das Diagramm, dann berechnen Sie die Werte sorgfältig neu und messen Sie erneut.

Vermeiden Sie den Einsatz des Operationsverstärkers Modell 741, es sei denn, Sie möchten Ihre Schaltungsdesign-Fähigkeiten herausfordern. Es gibt vielseitigere Operationsverstärker-Modelle, die allgemein für den Anfänger verfügbar sind. Ich empfehle den LM324 für Gleich- und Niederfrequenz-AC-Schaltungen und den TL082 für AC-Projekte mit Audio oder höheren Frequenzen.

Vermeiden Sie wie üblich sehr hohe und sehr niedrige Widerstandswerte, um Messfehler durch das "Laden" des Zählers zu vermeiden. Ich empfehle Widerstandswerte zwischen 1 kΩ und 100 kΩ.

Eine Möglichkeit, Zeit zu sparen und die Möglichkeit von Fehlern zu reduzieren, besteht darin, mit einer sehr einfachen Schaltung zu beginnen und schrittweise Komponenten hinzuzufügen, um nach jeder Analyse die Komplexität zu erhöhen, anstatt für jedes Übungsproblem eine ganz neue Schaltung zu erstellen. Eine weitere zeitsparende Technik ist die Wiederverwendung der gleichen Komponenten in einer Vielzahl verschiedener Schaltungskonfigurationen. Auf diese Weise müssen Sie den Wert einer Komponente nicht mehr als einmal messen.

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Lassen Sie die Elektronen selbst Antworten auf Ihre eigenen "Übungsprobleme" geben!

Anmerkungen:

Es ist meine Erfahrung, dass Studenten viel Übung mit Schaltungsanalyse benötigen, um kompetent zu werden. Zu diesem Zweck stellen die Dozenten ihren Studenten normalerweise viele Übungsprobleme zur Verfügung und geben den Studenten Antworten auf ihre Arbeit. Während dieser Ansatz Schüler in der Schaltungstheorie kompetent macht, kann sie sie nicht vollständig ausbilden.

Studenten brauchen nicht nur mathematische Praxis. Sie brauchen auch echte, praktische Übungsschaltkreise und Testgeräte. Daher schlage ich den folgenden alternativen Ansatz vor: Schüler sollten ihre eigenen "Übungsprobleme" mit realen Komponenten aufbauen und versuchen, die verschiedenen Spannungs- und Stromwerte mathematisch vorherzusagen. Auf diese Weise wird die mathematische Theorie "lebendig", und die Studenten erlangen praktische Fertigkeiten, die sie nicht nur durch Lösen von Gleichungen gewinnen würden.

Ein weiterer Grund für das Praktizieren dieser Methode ist es, den Schülern eine wissenschaftliche Methode beizubringen: den Prozess des Testens einer Hypothese (in diesem Fall mathematische Vorhersagen) durch Ausführen eines echten Experiments. Die Schüler entwickeln auch echte Fähigkeiten zur Fehlersuche, da sie gelegentlich Schaltungsfehler machen.

Verbringen Sie einige Momente mit Ihrer Klasse, um einige der "Regeln" für den Aufbau von Schaltungen zu überprüfen, bevor sie beginnen. Besprechen Sie diese Probleme mit Ihren Schülern auf die gleiche sokratische Weise, dass Sie normalerweise die Arbeitsblattfragen diskutieren, anstatt ihnen einfach zu sagen, was sie tun sollten und was nicht. Ich bin immer wieder erstaunt darüber, wie schlecht die Schüler Anweisungen verstehen, wenn sie in einem typischen Vortragsformat (Instructor Monolog) präsentiert werden!

Ein Hinweis an die Dozenten, die sich über die "verschwendete" Zeit beschweren können, die erforderlich ist, damit die Schüler reale Schaltungen aufbauen können, anstatt nur theoretische Schaltkreise mathematisch zu analysieren:

Was ist der Zweck der Schüler, die Ihren Kurs belegen? "Worksheetpanel panel panel-default" itemscope>

Frage 2

Berechnen Sie den Strom durch den Widerstand R 2 in dieser Operationsverstärkerschaltung für mehrere verschiedene Werte von R 2 :


R 2I R 2


1 kΩ


2 kΩ


3 kΩ


4 kΩ


5 kΩ


6 kΩ


Für jeden Wert von R 2, was ist das, was die Menge an Strom durch ihn festlegt "# 2"> Entdecke die Antwort Verberge die Antwort


R 2I R 2


1 kΩ3 mA


2 kΩ3 mA


3 kΩ3 mA


4 kΩ3 mA


5 kΩ3 mA


6 kΩ3 mA


Diese Schaltung verhält sich wie ein Stromspiegel, außer viel genauer.

Follow-up-Frage: Welchen Faktor (s) begrenzen die größten Widerstandswert von R 2, dass der Operationsverstärker 3 Milliampere Strom durchhalten kann?

Anmerkungen:

Neben der Überprüfung des Zwecks einer Stromspiegelschaltung lenkt diese Frage die Aufmerksamkeit der Schüler auf die Stromregelungsfähigkeiten eines Operationsverstärkers, indem er sie analysiert, als ob es einfach eine nichtinvertierende Spannungsverstärkerschaltung wäre.

Frage 3

Erklären Sie, wie der Operationsverstärker einen konstanten Strom durch die Last aufrechterhält:

Schreiben Sie eine Gleichung, die den geregelten Laststrom löst, unter Berücksichtigung aller relevanten Variablen, die in der schematischen Darstellung gezeigt sind (R 1, V Z, V Versorgung, A V (OL) usw.).

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Ich lade = V Z


R 2

Follow-up-Frage: ist der Transistor Strom an die Last, oder Sinking Strom daraus "Notizen versteckt"> Hinweise:

Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie Operationsverstärker die Funktionen von Schaltungen mit diskreten Komponenten stark verbessern können. In diesem Fall führt der Operationsverstärker die Funktion einer Stromspiegelschaltung aus und dies mit größerer Genauigkeit und Zuverlässigkeit, als es ein einfacher Stromspiegel jemals könnte.

Es ist zu beachten, dass die in der Antwort angegebene Gleichung nicht direkt den Strom durch die Last vorhersagt, sondern vielmehr den Strom durch den Widerstand R2 vorhersagt. Dies ist gleich dem Laststrom nur dann, wenn der Basisstrom des Transistors Null ist, was natürlich nicht sein kann. Die reale Gleichung für die Vorhersage des Laststroms wird etwas komplexer sein als das, was in der Antwort angegeben ist, und ich überlasse es Ihren Schülern, daraus abzuleiten.

Frage 4

Erklären Sie, wie der Operationsverstärker einen konstanten Strom durch die Last aufrechterhält:

Schreiben Sie eine Gleichung, die den geregelten Laststrom löst, unter Berücksichtigung aller relevanten Variablen, die in der schematischen Darstellung gezeigt sind (R 1, V Z, V Versorgung, A V (OL) usw.). Beschreiben Sie auch, was in dieser Schaltung geändert werden müsste, um den geregelten Strom auf einen anderen Wert einzustellen.

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Ich lade = V Z


R 1

Follow-up-Frage: ist der Transistor Strom an die Last, oder Sinking Strom daraus "Notizen versteckt"> Hinweise:

Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie Operationsverstärker die Funktionen von Schaltungen mit diskreten Komponenten stark verbessern können. In diesem Fall führt der Operationsverstärker die Funktion einer Stromspiegelschaltung aus und dies mit größerer Genauigkeit und Zuverlässigkeit, als es ein einfacher Stromspiegel jemals könnte.

Es ist zu beachten, dass die in der Antwort angegebene Gleichung nicht direkt den Strom durch die Last vorhersagt, sondern vielmehr den Strom durch den Widerstand R2 vorhersagt. Dies ist gleich dem Laststrom nur dann, wenn der Basisstrom des Transistors Null ist, was natürlich nicht sein kann. Die reale Gleichung für die Vorhersage des Laststroms wird etwas komplexer sein als das, was in der Antwort angegeben ist, und ich überlasse es Ihren Schülern, daraus abzuleiten.

Frage 5

Auf den ersten Blick scheint die Rückmeldung in diesem Stromregelkreis falsch zu sein. Beachten Sie, wie das Rückkopplungssignal zum nicht invertierenden (+) Eingang des Operationsverstärkers anstatt zum invertierenden Eingang geht, wie es normalerweise für negative Rückkopplung erwartet wird:

Erklären Sie, wie dieser Operationsverstärker wirklich eine negative Rückkopplung liefert, die natürlich für eine stabile Stromregelung notwendig ist, da eine positive Rückkopplung völlig instabil wäre.

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Wenn der Strom ansteigt, nimmt die Rückkopplungsspannung (gemessen in Bezug auf Masse) ab und treibt den Ausgang des Operationsverstärkers in die negative Richtung. Dies führt dazu, dass der Transistor ausgeschaltet wird, wodurch der übermäßige Stromzustand richtig korrigiert wird.

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, die Schüler dazu zu bringen, negative Rückmeldungen zu erkennen, die nicht unbedingt in den invertierenden Eingang gehen müssen. Was die Rückkopplung "negativ" macht, ist ihre selbstkorrigierende Eigenschaft: Der Operationsverstärkerausgang treibt in die Richtung entgegengesetzt zu einer Störung in dem gemessenen Signal, um Stabilität an einem Kontrollpunkt zu erreichen.

Frage 6

Sagen Sie vorher, wie der Betrieb dieser Stromreglerschaltung infolge der folgenden Fehler beeinträchtigt wird. Betrachten Sie jeden Fehler einzeln (dh einzeln, keine Mehrfachfehler):

Widerstand R 1 bricht offen ab:
Zener-Diode D 1 fehlgeschlagen kurzgeschlossen:
Der Widerstand R 2 ist nicht geöffnet:
Zenerdiode D 1 bricht offen ab:
Ladung fehlgeschlagen:
Draht zwischen Operationsverstärkerausgang und Transistorbasis bricht auf:

Erkläre für jede dieser Bedingungen, warum die resultierenden Effekte auftreten.

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Widerstand R 1 fällt aus: Der Laststrom fällt auf Null.
Zenerdiode D 1 fehlgeschlagen kurzgeschlossen: Laststrom fällt auf Null.
Der Widerstand R 2 fällt aus: Der Laststrom fällt auf Null.
Zenerdiode D 1 fällt aus: Laststrom steigt.
Last fehlgeschlagen kurzgeschlossen: Laststrom bleibt gleich.
Draht zwischen Operationsverstärkerausgang und Transistorbasis bricht auf: Laststrom fällt auf Null.

Follow-up-Frage: Welcher der beiden Operationsverstärker-Stromanschlüsse (V- Versorgung oder Masse) führt im Normalbetrieb mehr Strom und warum "Notizen versteckt"> Hinweise:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, den Bereich der Fehlersuche von Schaltkreisen aus einer Perspektive zu betrachten, um zu wissen, was der Fehler ist, anstatt nur zu wissen, was die Symptome sind. Obwohl dies nicht unbedingt eine realistische Perspektive ist, hilft es den Studenten, das grundlegende Wissen aufzubauen, das notwendig ist, um einen fehlerhaften Schaltkreis anhand empirischer Daten zu diagnostizieren. Fragen wie diese sollten (eventuell) durch andere Fragen befolgt werden, in denen die Schüler aufgefordert werden, mögliche Fehler anhand von Messungen zu identifizieren.

Frage 7

Sagen Sie vorher, wie der Betrieb dieser Stromreglerschaltung infolge der folgenden Fehler beeinträchtigt wird. Betrachten Sie jeden Fehler einzeln (dh einzeln, keine Mehrfachfehler):

Widerstand R 1 bricht offen ab:
Der Widerstand R 2 ist nicht geöffnet:
Lötbrücke (kurz) über Widerstand R 2 :
Zener-Diode D 1 fehlgeschlagen kurzgeschlossen:
Zenerdiode D 1 bricht offen ab:
Ladung fehlgeschlagen:
Draht zwischen Operationsverstärkerausgang und Transistorbasis bricht auf:

Erkläre für jede dieser Bedingungen, warum die resultierenden Effekte auftreten.

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Widerstand R 1 fällt aus: Der Laststrom fällt auf Null.
Der Widerstand R 2 fällt aus: Der Laststrom fällt auf Null.
Lötbrücke (kurz) über Widerstand R 2 : Laststrom steigt an.
Zenerdiode D 1 fehlgeschlagen kurzgeschlossen: Laststrom fällt auf Null.
Zenerdiode D 1 fällt aus: Laststrom steigt.
Last fehlgeschlagen kurzgeschlossen: Laststrom bleibt gleich.
Draht zwischen Operationsverstärkerausgang und Transistorbasis bricht auf: Laststrom fällt auf Null.

Follow-up-Frage: Welcher der beiden Operationsverstärker-Stromanschlüsse (V- Versorgung oder Masse) führt im Normalbetrieb mehr Strom und warum "Notizen versteckt"> Hinweise:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, den Bereich der Fehlersuche von Schaltkreisen aus einer Perspektive zu betrachten, um zu wissen, was der Fehler ist, anstatt nur zu wissen, was die Symptome sind. Obwohl dies nicht unbedingt eine realistische Perspektive ist, hilft es den Studenten, das grundlegende Wissen aufzubauen, das notwendig ist, um einen fehlerhaften Schaltkreis anhand empirischer Daten zu diagnostizieren. Fragen wie diese sollten (eventuell) durch andere Fragen befolgt werden, in denen die Schüler aufgefordert werden, mögliche Fehler anhand von Messungen zu identifizieren.

Frage 8

Das einfachste elektronische Gerät, das ein Stromsignal in ein Spannungssignal umwandeln kann, ist ein Widerstand:

Präzisionswiderstände arbeiten typischerweise sehr gut für diesen Zweck, insbesondere wenn die daran abfallende Spannung wenig wichtig ist. Dies ist der Grund, warum Shunt-Widerstände häufig in Leistungsschaltungen verwendet werden, um Strom zu messen, wobei ein Widerstandselement mit geringem Widerstand "Shunt" in genau proportionalem Verhältnis zu dem durch ihn fließenden Strom fällt.

Wenn wir es uns jedoch nicht leisten können, irgendeine Spannung über einen Widerstand in der Schaltung fallen zu lassen, wird diese Technik der Strom-zu-Spannung-Umwandlung nicht sehr praktisch sein. Betrachten Sie den folgenden wissenschaftlichen Apparat, der verwendet wird, um den photoelektrischen Effekt zu messen (Elektronen, die von einer festen Oberfläche aufgrund des auftreffenden Lichts emittiert werden):

Der Stromausgang eines solchen Fotorohrs ist sehr klein und die von ihm abgegebene Spannung ist noch kleiner. Wenn wir den Strom durch dieses Gerät messen wollen, müssen wir einen anderen Weg finden als einen Shunt-Widerstand.

Betreten Sie den Operationsverstärker, zur Rettung! Erläutern Sie, wie die folgende Operationsverstärkerschaltung das schwache Stromsignal des Fototubus in ein starkes Spannungssignal umwandeln kann, ohne dem Fototubuskreis einen nennenswerten Widerstand aufzuerlegen:

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Der Entwurf dieser Schaltung wird durch die Existenz von Vorspannungsströmen an den Operationsverstärkereingängen kompliziert. Sie können es hilfreich finden, eine vereinfachte Version derselben Schaltung zu analysieren. Bitte beachten Sie, dass diese vereinfachte Schaltung nur funktioniert, wenn der Operationsverstärker überhaupt keine Eingangs-Bias-Ströme hat:

Anmerkungen:

Hinweis für Ihre Schüler, dass dies eine der Anwendungen ist, bei denen selbst "kleine" Eingangs-Bias-Ströme die Ergebnisse beeinflussen können. In diesem speziellen Fall gibt die Fototube bestenfalls einen winzigen Strom ab, und daher müssen wir das Vorhandensein von Vorspannungs-Vorspannungsströmen kompensieren.

Frage 9

Hier ist eine einfache Schaltung zum Aufbau eines extrem hohen Eingangsimpedanz-Voltmeters auf einem drahtlosen Steckbrett gezeigt, wobei eine Hälfte eines TL082-Doppeloperationsverstärkers verwendet wird:

Zeichnen Sie ein schematisches Diagramm dieser Schaltung, und berechnen Sie den Widerstandswert, der notwendig ist, um dem Messgerät einen Spannungsmessbereich von 0 bis 5 Volt zu geben.

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R = 5 kΩ

Folgefrage: Bestimmen Sie die ungefähre Eingangsimpedanz dieses Voltmeters und auch die maximale Spannung, die es mit einem beliebigen Widerstand in der Schaltung messen kann.

Anmerkungen:

Dies ist eine sehr praktische Schaltung für Ihre Schüler, und sie können feststellen, dass sie ihre eigenen (gekauften) Voltmeter im Parameter der Eingangsimpedanz übertrifft! Fragen Sie sie unbedingt, wo sie die Informationen zur Eingangsimpedanz für den Operationsverstärker TL082 gefunden haben und wie sie die maximale Eingangsspannung für eine solche Schaltung ermitteln konnten.

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