Präzisions-Spannungsfolger

TEILE UND MATERIALIEN

• Operationsverstärker, Modell 1458 oder 353 empfohlen (Radio Shack Katalog # 276-038 bzw. 900-6298)
• Drei 6-Volt-Batterien
• Ein 10 kΩ Potentiometer, linear verjüngt (Radio Shack Katalog # 271-1715)

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 8:„Operationsverstärker“

LERNZIELE

• Um zu veranschaulichen, wie man einen Operationsverstärker als Spannungsfolger verwendet
• Um den Zweck von negativem Feedback zu veranschaulichen
• Um eine Strategie zur Fehlerbehebung zu veranschaulichen

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Im vorherigen Op-Amp-Experiment wurde der Verstärker in „Open-Loop . verwendet ”-Modus; das heißt, ohne Feedback vom Ausgang zum Eingang. Als solches stand die volle Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers zur Verfügung, was dazu führte, dass die Ausgangsspannung für praktisch jeden Betrag der zwischen den beiden Eingangsanschlüssen angelegten Differenzspannung gesättigt wurde. Dies ist gut, wenn wir einen Komparatorbetrieb wünschen, aber wenn wir möchten, dass sich der Operationsverstärker wie ein echter Verstärker verhält , wir brauchen es, um eine überschaubare Spannungsverstärkung zu zeigen.

Da wir nicht den Luxus haben, die integrierte Schaltung des Operationsverstärkers zu zerlegen und die Widerstandswerte zu ändern, um eine geringere Spannungsverstärkung zu erzielen, sind wir auf externe Verbindungen und Komponenten beschränkt. Tatsächlich ist dies kein Nachteil, wie man meinen könnte, denn die Kombination aus extrem hoher Open-Loop-Spannungsverstärkung in Verbindung mit Feedback ermöglicht es uns, den Operationsverstärker für viel mehr verschiedene Zwecke zu verwenden, viel einfacher, als wenn wir trainieren würden die Möglichkeit, die interne Schaltung zu ändern.

Denken Sie daran, denn die Kombination aus extrem hoher Open-Loop-Spannungsverstärkung in Verbindung mit Feedback ermöglicht es uns, den Operationsverstärker für eine viel breitere Palette von Zwecken zu verwenden, viel einfacher, als wenn wir die Möglichkeit hätten, seine interne Schaltung zu modifizieren.

Wenn wir den Ausgang eines Operationsverstärkers mit seinem invertierenden (-) Eingang verbinden, sucht die Ausgangsspannung den erforderlichen Pegel, um die Spannung des invertierenden Eingangs mit der am nicht invertierenden (+) Eingang angelegten Spannung auszugleichen. Wenn diese Rückkopplungsverbindung direkt ist, wie bei einem geraden Drahtstück, wird die Ausgangsspannung genau der Spannung des nicht invertierenden Eingangs „folgen“.

Im Gegensatz zum Spannungsfolger Schaltung aus einem einzelnen Transistor (siehe Kapitel 5:Diskrete Halbleiterschaltungen), die die Eingangsspannung auf einige Zehntel Volt genau annähert, gibt diese Spannungsfolgerschaltung eine Spannung mit einer Genauigkeit von nur Mikrovolt . aus der Eingangsspannung.

Messen Sie die Eingangsspannung dieser Schaltung mit einem Voltmeter, das zwischen dem nicht invertierenden (+) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und der Schaltungsmasse (der negativen Seite der Stromversorgung) angeschlossen ist, und der Ausgangsspannung zwischen dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers und der Schaltungsmasse. Beobachten Sie, wie die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers der Eingangsspannung folgt, während Sie das Potentiometer über seinen Bereich einstellen.

Sie können den Unterschied direkt messen oder Fehler , zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung, indem Sie das Voltmeter zwischen den beiden Eingangsklemmen des Operationsverstärkers anschließen. Über den größten Teil des Potentiometerbereichs sollte diese Fehlerspannung fast Null sein.

Versuchen Sie, das Potentiometer in eine seiner extremen Positionen zu bewegen, weit im Uhrzeigersinn oder weit gegen den Uhrzeigersinn. Messen Sie die Fehlerspannung oder vergleichen Sie die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung. Fällt Ihnen etwas Ungewöhnliches auf? Wenn Sie für dieses Experiment den Operationsverstärker Modell 1458 oder Modell 353 verwenden, sollten Sie eine erhebliche Fehlerspannung oder einen Unterschied zwischen Ausgang und Eingang messen.

Viele Operationsverstärker, einschließlich der angegebenen Modelle, können ihre Ausgangsspannung nicht genau auf die volle Stromversorgung „schwingen“ („Schiene “) Spannungspegel. In diesem Fall betragen die „Schienen“-Spannungen +18 Volt bzw. 0 Volt. Aufgrund von Einschränkungen in der internen Schaltung des 1458 kann seine Ausgangsspannung diese oberen und unteren Grenzen nicht genau erreichen. Möglicherweise stellen Sie fest, dass es nur innerhalb von ein oder zwei Volt der Stromversorgung „Schienen . gehen kann ”.

Dies ist eine sehr wichtige Einschränkung, die beim Entwerfen von Schaltungen unter Verwendung von Operationsverstärkern zu verstehen ist. Wenn voll "Rail-to-Rail ” Ausgangsspannungshub in einem Schaltungsdesign erforderlich ist, können andere Operationsverstärkermodelle ausgewählt werden, die diese Fähigkeit bieten. Das Modell 3130 ist ein solcher Operationsverstärker.

Präzisions-Spannungsfolger-Schaltungen sind nützlich, wenn das zu verstärkende Spannungssignal „Laden . nicht tolerieren kann “; das heißt, wenn es eine hohe Quellimpedanz hat. Da ein Spannungsfolger per Definition eine Spannungsverstärkung von 1 hat, hat sein Zweck nichts mit der Verstärkung der Spannung zu tun, sondern eher mit der Verstärkung der Fähigkeit eines Signals, Strom zu liefern zu einer Last.

Spannungsfolgerschaltungen haben eine weitere wichtige Verwendung für Schaltungsbauer:Sie ermöglichen ein einfaches lineares Testen eines Operationsverstärkers. Eine der Techniken zur Fehlerbehebung, die ich empfehle, ist die Vereinfachung und Neuerstellung . Angenommen, Sie bauen eine Schaltung mit einem oder mehreren Operationsverstärkern auf, um eine erweiterte Funktion auszuführen.

Wenn einer dieser Operationsverstärker ein Problem zu verursachen scheint und Sie vermuten, dass er fehlerhaft ist, versuchen Sie, ihn als einfachen Spannungsfolger wieder anzuschließen und prüfen Sie, ob er mit dieser Kapazität funktioniert. Ein Operationsverstärker, der nicht als Spannungsfolger funktioniert, wird sicherlich nicht komplexer sein.

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Spannungsfolger 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) . Ende 

Ein idealer Operationsverstärker kann in SPICE mit einer abhängigen Spannungsquelle simuliert werden (e1 in der Netzliste). Die Ausgabeknoten werden zuerst angegeben (2 0 ), dann die beiden Eingabeknoten, nicht invertierende Eingabe zuerst (1 2 ). Die Open-Loop-Verstärkung wird zuletzt angegeben (999meg ) in der abhängigen Spannungsquellenleitung.

Da SPICE die Eingangsimpedanz einer abhängigen Quelle als unendlich ansieht, muss ein endlicher Widerstandswert eingeschlossen werden, um einen Analysefehler zu vermeiden. Dies ist der Zweck von R_gefälscht :um einen DC-Pfad zur Erde für den V_Eingang bereitzustellen Spannungsquelle. Solche „falschen“ Widerstände sollten beliebig groß sein. In dieser Simulation habe ich 1 MΩ für einen R_Schein . gewählt Wert.

Ein Lastwiderstand ist aus dem gleichen Grund in der Schaltung enthalten:um einen Gleichstrompfad für Strom am Ausgang der abhängigen Spannungsquelle bereitzustellen. Wie Sie sehen, mag SPICE keine offenen Stromkreise!

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für OpAmp-Schaltungen mit positiver Rückkopplung