Pengikut Tegangan Presisi

BAGIAN DAN BAHAN

• Penguat operasional, model 1458 atau 353 direkomendasikan (Katalog Radio Shack # 276-038 dan 900-6298, masing-masing)
• Tiga baterai 6 volt
• Satu potensiometer 10 kΩ, lancip linier (Katalog Radio Shack # 271-1715)

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 8:“Penguat Operasional”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Untuk mengilustrasikan cara menggunakan op-amp sebagai pengikut tegangan
• Untuk mengilustrasikan tujuan umpan balik negatif
• Untuk mengilustrasikan beberapa strategi pemecahan masalah

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Pada percobaan op-amp sebelumnya, amplifier digunakan pada “loop terbuka modus ”; yaitu, tanpa umpan balik dari keluaran ke masukan. Dengan demikian, penguatan tegangan penuh dari penguat operasional tersedia, menghasilkan tegangan keluaran jenuh untuk hampir semua jumlah tegangan diferensial yang diterapkan antara dua terminal input. Ini bagus jika kita menginginkan operasi komparator, tetapi jika kita ingin op-amp berperilaku sebagai penguat sejati , kami membutuhkannya untuk menunjukkan penguatan tegangan yang dapat diatur.

Karena kami tidak memiliki kemewahan untuk membongkar sirkuit terpadu op-amp dan mengubah nilai resistor untuk memberikan penguatan tegangan yang lebih rendah, kami terbatas pada koneksi eksternal dan komponen. Sebenarnya, ini bukan kerugian seperti yang mungkin dipikirkan orang, karena kombinasi penguatan tegangan loop terbuka yang sangat tinggi ditambah dengan umpan balik memungkinkan kita menggunakan op-amp untuk berbagai tujuan yang jauh lebih luas, jauh lebih mudah daripada jika kita berolahraga. pilihan untuk memodifikasi sirkuit internalnya.

Pikirkan, karena kombinasi penguatan tegangan loop terbuka yang sangat tinggi ditambah dengan umpan balik memungkinkan kita menggunakan op-amp untuk berbagai tujuan yang jauh lebih luas, jauh lebih mudah daripada jika kita menggunakan opsi untuk memodifikasi sirkuit internalnya.

Jika kita menghubungkan keluaran sebuah op-amp ke masukan pembalik (-), tegangan keluaran akan mencari tingkat berapa pun yang diperlukan untuk menyeimbangkan tegangan masukan pembalik dengan yang diterapkan pada masukan non-pembalik (+). Jika koneksi umpan balik ini langsung, seperti pada kabel lurus, tegangan output akan "mengikuti" tegangan input non-pembalik secara tepat.

Berbeda dengan pengikut tegangan sirkuit yang terbuat dari transistor tunggal (lihat bab 5:Sirkuit Semikonduktor Diskrit), yang memperkirakan tegangan input dalam beberapa persepuluh volt, rangkaian pengikut tegangan ini akan menghasilkan tegangan yang akurat hanya dalam mikrovolt dari tegangan input.

Ukur tegangan input rangkaian ini dengan voltmeter yang terhubung antara terminal input non-pembalik (+) op-amp dan ground sirkuit (sisi negatif catu daya), dan tegangan output antara terminal output op-amp dan ground sirkuit. Perhatikan tegangan output op-amp mengikuti tegangan input saat Anda menyesuaikan potensiometer melalui jangkauannya.

Anda dapat langsung mengukur perbedaannya, atau kesalahan , antara tegangan keluaran dan masukan dengan menghubungkan voltmeter antara dua terminal masukan op-amp. Di sebagian besar rentang potensiometer, tegangan kesalahan ini seharusnya hampir nol.

Coba gerakkan potensiometer ke salah satu posisi ekstremnya, jauh searah jarum jam atau jauh berlawanan arah jarum jam. Ukur tegangan kesalahan, atau bandingkan tegangan keluaran dengan tegangan masukan. Apakah Anda melihat sesuatu yang tidak biasa? Jika Anda menggunakan op-amp model 1458 atau model 353 untuk percobaan ini, Anda harus mengukur tegangan kesalahan yang substansial, atau perbedaan antara keluaran dan masukan.

Banyak op-amp, termasuk model yang ditentukan, tidak dapat "mengayunkan" tegangan outputnya secara tepat ke catu daya penuh (“rel ”) tingkat tegangan. Dalam hal ini, tegangan "rel" masing-masing adalah +18 volt dan 0 volt. Karena keterbatasan dalam sirkuit internal 1458, tegangan keluarannya tidak dapat secara tepat mencapai batas tinggi dan rendah ini. Anda mungkin menemukan bahwa itu hanya dapat digunakan dalam satu atau dua volt dari catu daya “rel ”.

Ini adalah batasan yang sangat penting untuk dipahami ketika merancang rangkaian menggunakan penguat operasional. Jika “rel-to-rail . penuh Ayunan tegangan keluaran diperlukan dalam desain rangkaian, model op-amp lain dapat dipilih yang menawarkan kemampuan ini. Model 3130 adalah salah satu op-amp tersebut.

Rangkaian pengikut tegangan presisi berguna jika sinyal tegangan yang akan diperkuat tidak dapat mentolerir “pembebanan ”; yaitu, jika memiliki impedansi sumber yang tinggi. Karena pengikut tegangan menurut definisi memiliki penguatan tegangan 1, tujuannya tidak ada hubungannya dengan penguatan tegangan, melainkan dengan memperkuat kapasitas sinyal untuk menghantarkan arus untuk memuat.

Sirkuit pengikut tegangan memiliki kegunaan penting lainnya untuk pembangun sirkuit:mereka memungkinkan pengujian linier sederhana dari sebuah op-amp. Salah satu teknik pemecahan masalah yang saya sarankan adalah menyederhanakan dan membangun kembali . Misalkan Anda sedang membangun sirkuit menggunakan satu atau lebih op-amp untuk melakukan beberapa fungsi lanjutan.

Jika salah satu dari op-amp tersebut tampaknya menyebabkan masalah dan Anda menduga itu mungkin rusak, coba sambungkan kembali sebagai pengikut tegangan sederhana dan lihat apakah berfungsi dalam kapasitas itu. Sebuah op-amp yang gagal berfungsi sebagai pengikut tegangan tentu tidak akan berfungsi sebagai sesuatu yang lebih kompleks.

SIMULASI KOMPUTER

Skematis dengan nomor node SPICE:

Netlist (buat file teks yang berisi teks berikut, kata demi kata):

Voltage follower 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) . akhir 

Penguat operasional yang ideal dapat disimulasikan dalam SPICE menggunakan sumber tegangan dependen (e1 dalam daftar net). Node keluaran ditentukan terlebih dahulu (2 0 ), lalu dua simpul masukan, masukan non-pembalik terlebih dahulu (1 2 ). Gain loop terbuka ditentukan terakhir (999meg ) di saluran sumber tegangan dependen.

Karena SPICE memandang impedansi input dari sumber dependen sebagai tak terhingga, sejumlah resistansi terbatas harus disertakan untuk menghindari kesalahan analisis. Ini adalah tujuan dari R_palsu :untuk menyediakan jalur DC ke ground untuk V_input sumber tegangan. Perlawanan "palsu" seperti itu harus sewenang-wenang besar. Dalam simulasi ini, saya memilih 1 MΩ untuk R_bogus nilai.

Sebuah resistor beban disertakan dalam rangkaian untuk alasan yang hampir sama:untuk menyediakan jalur DC untuk arus pada output dari sumber tegangan dependen. Seperti yang Anda lihat, SPICE tidak menyukai sirkuit terbuka!

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Umpan Balik Positif Lembar Kerja Sirkuit OpAmp