Precisie spanningsvolger

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Operationele versterker, model 1458 of 353 aanbevolen (respectievelijk Radio Shack-catalogus # 276-038 en 900-6298)
• Drie 6 volt batterijen
• Eén 10 kΩ potentiometer, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 8:"Operationele versterkers"

LEERDOELSTELLINGEN

• Om te illustreren hoe je een op-amp als spanningsvolger gebruikt
• Om het doel van negatieve feedback te illustreren
• Om een ​​strategie voor probleemoplossing te illustreren

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

In het vorige op-amp-experiment werd de versterker gebruikt in "open-loop" ”-modus; dat wil zeggen, zonder enige feedback van uitgang naar ingang. Als zodanig was de volledige spanningsversterking van de operationele versterker beschikbaar, wat resulteerde in een verzadigende uitgangsspanning voor vrijwel elke hoeveelheid differentiële spanning die tussen de twee ingangsklemmen werd aangelegd. Dit is goed als we een comparator willen, maar als we willen dat de op-amp zich gedraagt ​​als een echte versterker , we hebben het nodig om een ​​beheersbare spanningsversterking te vertonen.

Omdat we niet de luxe hebben om de geïntegreerde schakelingen van de op-amp te demonteren en weerstandswaarden te veranderen om een ​​lagere spanningsversterking te geven, zijn we beperkt tot externe verbindingen en componenten. Eigenlijk is dit geen nadeel zoals je zou denken, omdat de combinatie van extreem hoge open-lus spanningsversterking in combinatie met feedback ons ​​in staat stelt om de op-amp voor een veel grotere verscheidenheid aan doeleinden te gebruiken, veel gemakkelijker dan wanneer we zouden oefenen de mogelijkheid om de interne circuits te wijzigen.

Denk eraan, omdat de combinatie van extreem hoge open-lus spanningsversterking in combinatie met feedback ons ​​in staat stelt om de op-amp voor een veel grotere verscheidenheid aan doeleinden te gebruiken, veel gemakkelijker dan wanneer we de mogelijkheid zouden gebruiken om de interne circuits aan te passen.

Als we de uitgang van een op-amp verbinden met zijn inverterende (-) ingang, zal de uitgangsspanning zoeken naar het niveau dat nodig is om de spanning van de inverterende ingang in evenwicht te brengen met die toegepast op de niet-inverterende (+) ingang. Als deze terugkoppeling direct is, zoals bij een recht stuk draad, zal de uitgangsspanning precies de niet-inverterende ingangsspanning "volgen".

In tegenstelling tot de spanningsvolger circuit gemaakt van een enkele transistor (zie hoofdstuk 5:discrete halfgeleidercircuits), die de ingangsspanning benadert tot op enkele tienden van een volt, dit spanningsvolgercircuit zal een spanning afgeven die nauwkeurig is tot op slechts microvolt van de ingangsspanning.

Meet de ingangsspanning van dit circuit met een voltmeter die is aangesloten tussen de niet-inverterende (+) ingangsaansluiting van de op-amp en de circuitaarde (de negatieve kant van de voeding), en de uitgangsspanning tussen de uitgangsaansluiting van de op-amp en de circuitaarde. Kijk hoe de uitgangsspanning van de op-amp de ingangsspanning volgt terwijl u de potentiometer door zijn bereik afstelt.

U kunt het verschil direct meten, of fout , tussen uitgangs- en ingangsspanningen door de voltmeter aan te sluiten tussen de twee ingangsaansluitingen van de op-amp. Over het grootste deel van het bereik van de potentiometer zou deze foutspanning bijna nul moeten zijn.

Probeer de potentiometer naar een van zijn uiterste posities te verplaatsen, ver met de klok mee of ver tegen de klok in. Meet de foutspanning of vergelijk de uitgangsspanning met de ingangsspanning. Merk je iets ongewoons op? Als u het model 1458 of model 353 op-amp voor dit experiment gebruikt, moet u een aanzienlijke foutspanning of verschil tussen output en input meten.

Veel op-amps, de gespecificeerde modellen inbegrepen, kunnen hun uitgangsspanning niet precies naar de volledige voeding "zwaaien" ("rail ”) spanningsniveaus. In dit geval zijn de "rail" -spanningen respectievelijk +18 volt en 0 volt. Vanwege beperkingen in het interne circuit van de 1458 kan de uitgangsspanning deze hoge en lage limieten niet precies bereiken. Het kan zijn dat het maar binnen een of twee volt van de stroomvoorziening "rails" kan gaan ”.

Dit is een zeer belangrijke beperking om te begrijpen bij het ontwerpen van circuits met operationele versterkers. Indien vol "rail-to-rail ” Uitgangsspanningszwaai is vereist in een circuitontwerp, andere op-amp-modellen kunnen worden geselecteerd die deze mogelijkheid bieden. Het model 3130 is zo'n op-amp.

Nauwkeurige spanningsvolgercircuits zijn handig als het te versterken spanningssignaal "laden" niet kan verdragen ”; dat wil zeggen, als het een hoge bronimpedantie heeft. Aangezien een spanningsvolger per definitie een spanningsversterking van 1 heeft, heeft het doel ervan niets te maken met het versterken van de spanning, maar eerder met het versterken van de capaciteit van een signaal om stroom te leveren. tot een lading.

Spanningsvolgercircuits hebben nog een ander belangrijk gebruik voor circuitbouwers:ze maken het eenvoudig lineair testen van een op-amp mogelijk. Een van de technieken voor het oplossen van problemen die ik aanbeveel, is vereenvoudigen en opnieuw opbouwen . Stel dat u een circuit bouwt met een of meer op-amps om een ​​geavanceerde functie uit te voeren.

Als een van die op-amps een probleem lijkt te veroorzaken en u vermoedt dat deze defect is, probeer deze dan opnieuw aan te sluiten als een eenvoudige spanningsvolger en kijk of deze in die hoedanigheid functioneert. Een op-amp die niet werkt als een spanningsvolger, zal zeker niet werken als iets complexer.

COMPUTERSIMULATIE

Schema met SPICE-knooppuntnummers:

Netlijst (maak een tekstbestand met de volgende tekst, letterlijk):

Spanningsvolger vinput 1 0 rbogus 1 0 1meg e1 2 0 1 2 999meg rload 2 0 10k .dc vinput 5 5 1 .print dc v(1,0) v(2,0) v(1,2) . einde 

Een ideale operationele versterker kan in SPICE worden gesimuleerd met behulp van een afhankelijke spanningsbron (e1 in de netlijst). De uitvoerknooppunten worden eerst gespecificeerd (2 0 ), dan de twee invoerknooppunten, eerst niet-inverterende invoer (1 2 ). Open-loop gain is als laatste gespecificeerd (999meg ) in de lijn van de afhankelijke spanningsbron.

Omdat SPICE de ingangsimpedantie van een afhankelijke bron als oneindig beschouwt, moet een eindige hoeveelheid weerstand worden opgenomen om een ​​analysefout te voorkomen. Dit is het doel van R_bogus :om een ​​DC-pad naar aarde te verschaffen voor de V_ingang voltage bron. Dergelijke "nep"-weerstanden zouden willekeurig groot moeten zijn. In deze simulatie koos ik 1 MΩ voor een R_bogus waarde.

Een belastingsweerstand is om vrijwel dezelfde reden in het circuit opgenomen:om een ​​gelijkstroompad te bieden voor stroom aan de uitgang van de afhankelijke spanningsbron. Zoals je kunt zien, houdt SPICE niet van open circuits!

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad OpAmp-circuits met positieve feedback