Zaloguj się
Wszystkie
2 marca 2023
1533
Najprostszym przykładem bufora jest wtórnik emiterowy, patrz rysunek 5, często używany do przesyłania przez długi kabel małych sygnałów wrażliwych na zakłócenia, takich jak napięcie wyjściowe mikrofonu.
Układ bufora op-ampa jest prosty: sygnał, który ma być buforowany jest podawany na wejście dodatnie, wejście ujemne jest bezpośrednio połączone z wyjściem. Rysunek 6 przedstawia schemat testowy, który można wykorzystać do badania właściwości takiego bufora.
Układ z rysunku 5 wymaga sześciu elementów. Z op-ampem znacznie łatwiej jest zrobić wzmacniacz buforowy, co jest dość logiczne, jeśli weźmiemy pod uwagę dość wysoką impedancję wejściową i raczej niską wyjściową układu scalonego.
Do wejścia podłącz napięcie stałe ze źródła – zasilacza na zakres ±10 V. Trzy obwody pomiarowe są również na zakresie ±10 V. Rezystor R1 o wartości 4,7 MΩ jest włączony w obwód wejściowy, rezystor R2 o wartości 470 Ω jest włączony w taki sposób, że w razie potrzeby można go na krótko doprowadzić do kontaktu z wyjściem układu scalonego. Te dwa rezystory nie są potrzebne do pracy samego bufora, ale są pomocniczymi elementami do pomiaru trzech ważnych parametrów układu: współczynnika wzmocnienia, impedancji wejściowej i impedancji wyjściowej.
Nasz drugi eksperyment
Po włączeniu zasilania widać, że we wszystkich trzech punktach pomiarowych jest to samo napięcie.
Co można z tego wywnioskować?
- Wzmocnienie napięcia
Po pierwsze, że wzmocnienie napięciowe układu jest równe jeden. 2 V na wejściu daje 2 V na wyjściu.
- Impedancja wejściowa
Po drugie, że impedancja wejściowa układu jest najwyraźniej bardzo wysoka. Wejście żąda tak małego prądu od źródła napięcia wejściowego, że na bardzo dużym rezystorze R1 nie występuje mierzalny spadek napięcia. Gdyby tak było, M2 wskazywałby niższe napięcie niż M1. Z tej różnicy napięć mogliśmy obliczyć prąd przez R1 i w konsekwencji impedancję wejściową bufora.
- Impedancja wyjściowa
Ustaw napięcie wejściowe układu na +5 V, podłącz na krótko wolną końcówką rezystora R2 do wyjścia i obserwuj miernik M3. Brak wskazań jakiejkolwiek zmiany.
Z tego możemy wywnioskować, że rezystancja wyjściowa bufora jest bardzo mała. Przecież obciążenie o rezystancji 470 Ω powoduje przepływ prądu o wartości około 10 mA. Ten prąd pochodzi z wyjścia op-ampa, a więc płynie również przez opór wewnętrzny wyjścia op-ampa. Gdyby ten opór był powiedzmy 10 Ω, to podłączenie rezystora obciążenia spowodowałoby spadek napięcia na wyjściu o 0,1 V, co zauważylibyśmy na M3. Teraz miernik nie wskazuje żadnej zmiany, z czego wynika, że opór wewnętrzny bufora jest bardzo niski.
Wnioski
W skrócie, bufor ma wzmocnienie napięciowe równe 1, bardzo dużą impedancję wejściową i bardzo małą impedancję wyjściową. Teoretycznie sprowadza się to do pomnożenia wartości impedancji wejściowej „gołego” op-ampa przez współczynnik wzmocnienia op-ampa i podzielenia wartości rezystancji wyjściowej „gołego” op-ampa przez ten sam współczynnik wzmocnienia.
Objaśnienie działania
Jak można wytłumaczyć takie zachowanie? Jak to się dzieje, że ten niewiarygodnie wysoki współczynnik wzmocnienia 200 000 został zredukowany do prostego przeniesienia bez zmian napięcia z wejścia do wyjścia? Najprostszym sposobem fizycznego zademonstrowania tego jest założenie na chwilę, że op-amp działa bardzo wolno, lub innymi słowy, że napięcie na wejściu niekoniecznie powoduje natychmiast napięcie na wyjściu. Jeśli przy takim założeniu nagle podłączysz do wejścia dodatniego napięcie o wartości, powiedzmy, 1 V, to wyjście najpierw przez chwilę pozostanie zerowe. Jest to wtedy również napięcie na wejściu ujemnym. Czyli między dwoma wejściami jest różnica napięć nie mniejsza niż 1 V, a op-amp zadziała na pełną moc.
Dla tej różnicy napięć zadziała wzmocnienie 200 000 razy. Napięcie wyjściowe bardzo szybko wzrośnie. Jednak natychmiast ten wzrost napięcia znajdzie się na wejściu ujemnym. W związku z tym, różnica napięć między dwoma wejściami staje się coraz mniejsza.
W pewnym momencie napięcie wyjściowe wzrosło do prawie +1 V. Wtedy między wejściem dodatnim a ujemnym jest różnica napięcia rzędu znikomo małego ułamka wolta. Po wzmocnieniu przez 200 000 to niezmiernie małe napięcie wytwarza napięcie wyjściowe, które jest prawie równe napięciu na wejściu.
Nie do końca równa się.
Z omówienia działania bufora można wywnioskować, że wzmocnienie nie jest tak naprawdę dokładnie równe 1, ale o włos mniejsze. Przecież to bardzo małe napięcie różnicowe zapewnia stan ustalony układu. Dlaczego więc zawsze mówi się, że bufor ma wzmocnienie równe 1? Bo odchylenie jest naprawdę znikome. Ściśle biorąc, wzmocnienie napięciowe bufora jest równe:
A’= A/(1 + A)
gdzie A’ to wzmocnienie bufora, a A to wzmocnienie samego op-ampa. Wystarczy wypełnić ten wzór dla 741 z jego A wynoszącym 200 000:
A’= 200.000/(1 + 200.000)
A’= 200.000/200.001
A’= 0,99999999....
Brak różnicy napięć między wejściami
Z tej dyskusji wynika bardzo ważna cecha op-ampów: ponieważ różnica napięć między wejściami nie jest nawet tak naprawdę mierzalna, mówi się, że op-amp zawsze zapewnia, że jego dwa wejścia mają to samo napięcie. Działanie wszystkich układów budowanych z op-ampów można wytłumaczyć za pomocą tej prostej zasady, wystarczy poszukać jej w kolejnych eksperymentach.
Podsumowanie
Wzory na rysunku 7 wyraźnie grupują wszystkie właściwości wzmacniacza buforowego z op-ampem.
Symbole z primem oznaczają właściwości całego układu, symbole bez prima oznaczają właściwości samego op-ampa.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
