Семинарно упражнение 8 (10 - 15 май 2004)
8. Усилватели с отрицателна обратна връзка, реализирани с операционни усилватели Strange Things
КОЛЕКЦИЯТА. До тук успяхме да извлечем, построим и дори да "изобретим" общо 59 елементарни градивни схемни блокчета, които събрахме в една колекция. Днес ще изградим съвършенни схеми с отрицателна обратна връзка като използваме операционния усилвател за основен градивен елемент. Така колекцията ни ще набъбне с нови 9 схемни блокчета и те ще станат общо 68:
Повторители, реализирани с ОУ | |
повторител (неинвертиращ усилвател с K = 1) | инвертор (инвертиращ усилвател с K = -1) |
"Смутени" повторители, реализирани с ОУ | |||
пропорционално "смутени" | адитивно "смутени" | ||
с последователна ООВ | с паралелна ООВ | с последователна ООВ | с паралелна ООВ |
повторители | инвертори | повторители | инвертори |
Усилватели , реализирани с ОУ | ||
с последователна ООВ | с паралелна ООВ | с комбинирана ООВ |
неинвертиращ усилвател | инвертиращ усилвател | диференциален усилвател |
8.1. Повторители, реализирани с операционен усилвател. Дискусия: Какъв смисъл има да превръщаме един много добър усилвател (К > 100000) в ... повторител (К = 1)?
8.1.1. Повторител с последователна ООВ. Построяване на схемата върху основата на общата блокова схема. Дискусия: Кое играе ролята на изваждащо (сравняващо) устройство в тази схема? Защо схемата е инвертираща? Какъв трябва да е операционният усилвател в тази схема (по отношение на входовете)? В какви граници можем да изменяме входното напрежение?
8.1.2. Повторител (инвертор) с паралелна ООВ. Построяване на схемата върху основата на общата блокова схема: сглобяване от паралелен суматор на напрежения и операционен усилвател. Визуализиране на действието с потенциална диаграма. Дискусия: Кое играе ролята на изваждащо (сравняващо) устройство в тази схема? Защо схемата е инвертираща? Какъв може да бъде операционният усилвател в тази схема (по отношение на входовете)? В какви граници можем да изменяме входното напрежение? Можем ли да свържем към "маса" виртуалната маса, щом като все пак тя е "маса"?
8.2. Компенсиране на смущения от повторителите с отрицателна обратна връзка. Дискусия: Къде трябва да бъде свързан "смущаващия" елемент за да се компенсира вредното му влияние? Кога виртуалната маса престава да бъде маса?
8.2.1. Мултипликативни (пропорционални смущения) предизвикани от изходното съпротивление на операционния усилвател, съпротивлението на проводника и съпротивлението на товара. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета. Приложения: елиминиране на изходното съпротивление на ОУ; "скриване" съпротивлението на токоограничаващи резистори; предаване на напрежение без загуби по дълга съединителна линия.
8.2.2. Адитивни смущения предизвикани от включването на "отместващи" напрежението диодни и транзисторни елементи. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета. Приложения: елиминиране на праговото напрежение VF на диод в схемата на последователния диоден ограничител (идеален диод); елиминиране на праговото напрежение VBE0 на биполярен транзистор в схемата на емитерен повторител, включен във веригата на ООВ на ОУ.
8.3. Усилватели, реализирани с операционен усилвател. Принцип предизвикване на усилване чрез ... затихване. Дискусия: Къде трябва да бъде свързан "умишлено смущаващия"елемент за да предизвика усилване?
8.3.1. Неинвертиращ усилвател. Превръщане на повторителя в усилвател чрез умишлено въвеждане на "смущаващ" делител на напрежение. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета. Изграждане на схема с Т-образен мост във веригата на ООВ чрез двукратно "смущаване" на повторител.
8.3.2. Инвертиращ усилвател. Превръщане на инвертора в усилвател чрез умишлено "затрудняване" на операционния усилвател. Визуализиране на действието с потенциална диаграма. Дискусия: Има ли връзка между инвертиращия усилвател и транзисторната схема обща база?
8.3.3. Диференциален усилвател. Сглобяване на схемата от инвертиращ и неинвертиращ усилвател. Изследване на схемата при единичен, диференциален и синфазен сигнал. Дискусия: Какъв смисъл има да превръщаме един доста добър транзисторен диференциален усилвател в почти идеален операционен усилвател и след това ... отново в "лош" диференциален усилвател с коефициент на усилване 1?
8.3.4. Инструментален диференциален усилвател. Сглобяване на схемата от два взаимодействащи си неинвертиращи усилвателя (съпало 1) и диференциален усилвател (стъпало 2). Изследване на схемата при единичен, диференциален и синфазен сигнал. Дискусия: Можем ли да вземем несиметричен изходен сигнал от първото стъпало? Защо е необходимо второто стъпало? По какво си приличат и по какво се различават инструменталният и транзисторният диференциален усилвател?
8.4. Смущението като входен сигнал в схемите с отрицателна обратна връзка. Дискусия: Как реагират активните повторители на променливи смущения? Можем ли да използваме този феномен за намиране на допълнителни входове към електронните схеми? Приложение: "странни схеми без вход" с резистивни сензори (фото, термо, за налягане, преместване и др.), включени във веригата на ООВ. Формулиране на общо правило за затваряне на веригата на ООВ спрямо смущаващите въздействия.
8.5. Модифициране на параметрите на електрическите вериги с помощта на ООВ.
8.5.1. Изкуствено увеличаване на съпротивление и намаляване на капацитет чрез последователна ООВ. Извличане на идеята "bootstrapping" от множество примери. Приложения: генератор на линейно изменящо се напрежение - построяване на схемата от външен източник на правоъгълни импулси, пасивен RC интегратор, емитерен повторител и "отместващ" напрежението елемент. Дискусия: Схема с отрицателна обратна връзка ли е това?
8.5.2. Изкуствено намаляване на съпротивление и увеличаване на капацитет чрез паралелна ООВ.