Grundlagen integrierter Schaltungen

Ein electronic circuit ist eine Gruppe elektronischer Komponenten, die für einen bestimmten Zweck verbunden sind.

Eine einfache elektronische Schaltung kann leicht entworfen werden, da nur wenige diskrete elektronische Komponenten und Verbindungen erforderlich sind. Das Entwerfen einer komplexen elektronischen Schaltung ist jedoch schwierig, da mehr diskrete elektronische Komponenten und deren Verbindungen erforderlich sind. Es ist auch zeitaufwändig, solche komplexen Schaltungen zu bauen, und ihre Zuverlässigkeit ist ebenfalls geringer. Diese Schwierigkeiten können mit integrierten Schaltkreisen überwunden werden.

Integrierte Schaltung (IC)

Wenn mehrere elektronische Komponenten auf einem einzigen Chip aus Halbleitermaterial miteinander verbunden sind, wird dieser Chip als bezeichnet Integrated Circuit (IC). Es besteht sowohl aus aktiven als auch aus passiven Komponenten.

In diesem Kapitel werden die Vorteile und Typen von ICs erläutert.

Vorteile integrierter Schaltungen

Integrierte Schaltungen bieten viele Vorteile. Sie werden unten diskutiert -

  • Compact size - Für eine bestimmte Funktionalität können Sie mit ICs eine Schaltung kleinerer Größe erhalten als mit einer diskreten Schaltung.

  • Lesser weight- Eine mit ICs aufgebaute Schaltung wiegt weniger als das Gewicht einer diskreten Schaltung, die zur Implementierung derselben IC-Funktion verwendet wird. unter Verwendung von ICs im Vergleich zu denen, die unter Verwendung einer diskreten Schaltung aufgebaut sind.

  • Low power consumption - ICs verbrauchen aufgrund ihrer geringeren Größe und Konstruktion weniger Strom als herkömmliche Schaltungen.

  • Reduced cost - ICs sind aufgrund ihrer Herstellungstechnologien und des geringeren Materialverbrauchs als diskrete Schaltungen zu wesentlich geringeren Kosten als diskrete Schaltungen erhältlich.

  • Increased reliability - Da sie weniger Verbindungen verwenden, bieten ICs im Vergleich zu digitalen Schaltkreisen eine höhere Zuverlässigkeit.

  • Improved operating speeds - ICs arbeiten aufgrund ihrer Schaltgeschwindigkeiten und des geringeren Stromverbrauchs mit verbesserten Geschwindigkeiten.

Arten von integrierten Schaltkreisen

Es gibt zwei Arten von integrierten Schaltkreisen − Analog Integrated Circuits and Digital Integrated Circuits.

Analoge integrierte Schaltkreise

Integrierte Schaltungen, die über einen gesamten Bereich kontinuierlicher Werte der Signalamplitude arbeiten, werden als bezeichnet Analog Integrated Circuits. Diese werden wie hier beschrieben weiter in die beiden Typen eingeteilt -

  • Linear Integrated Circuits- Ein analoger IC wird als linear bezeichnet, wenn ein linearer Zusammenhang zwischen seiner Spannung und seinem Strom besteht. Der IC 741, ein 8-poliger DIP-Operationsverstärker (Dual In-Line Package), ist ein Beispiel für einen linearen IC.

  • Radio Frequency Integrated Circuits- Ein analoger IC wird als nichtlinear bezeichnet, wenn zwischen seiner Spannung und seinem Strom eine nichtlineare Beziehung besteht. Ein nichtlinearer IC wird auch als Hochfrequenz-IC bezeichnet.

Digitale integrierte Schaltungen

Wenn die integrierten Schaltkreise nur mit wenigen vordefinierten Pegeln arbeiten, anstatt für einen gesamten Bereich kontinuierlicher Werte der Signalamplitude zu arbeiten, werden diese als bezeichnet Digital Integrated Circuits.

In den kommenden Kapiteln werden wir verschiedene lineare integrierte Schaltkreise und ihre Anwendungen diskutieren.

Der Operationsverstärker, auch als Operationsverstärker bezeichnet, ist eine integrierte Schaltung, mit der verschiedene lineare, nichtlineare und mathematische Operationen ausgeführt werden können. Ein Operationsverstärker ist eindirect coupled high gain amplifier. Sie können den Operationsverstärker sowohl mit AC- als auch mit DC-Signalen betreiben. In diesem Kapitel werden die Eigenschaften und Typen von Operationsverstärkern erläutert.

Aufbau eines Operationsverstärkers

Ein Operationsverstärker besteht aus einem oder mehreren Differenzverstärkern, einem Pegelumsetzer und einer Ausgangsstufe. Ein Differenzverstärker ist in der Eingangsstufe eines Operationsverstärkers vorhanden und daher besteht ein Operationsverstärker austwo input terminals. Eines dieser Terminals heißtinverting terminal und der andere heißt als non-inverting terminal. Die Klemmen werden basierend auf der Phasenbeziehung zwischen ihren jeweiligen Ein- und Ausgängen benannt.

Eigenschaften des Operationsverstärkers

Die wichtigen Eigenschaften oder Parameter eines Operationsverstärkers sind wie folgt:

  • Spannungsverstärkung im offenen Regelkreis
  • Ausgangsoffsetspannung
  • Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis
  • Anstiegsgeschwindigkeit

In diesem Abschnitt werden diese Merkmale im Folgenden ausführlich erläutert.

Spannungsverstärkung im offenen Regelkreis

Die Open-Loop-Spannungsverstärkung eines Operationsverstärkers ist seine Differenzverstärkung ohne Rückkopplungspfad.

Mathematisch wird die Spannungsverstärkung eines Operationsverstärkers im offenen Regelkreis dargestellt als -

$$A_{v}= \frac{v_0}{v_1-v_2}$$

Ausgangsoffsetspannung

Die am Ausgang eines Operationsverstärkers anliegende Spannung, wenn seine differentielle Eingangsspannung Null ist, wird als bezeichnet output offset voltage.

Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis

Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis (CMRR) eines Operationsverstärkers ist definiert als das Verhältnis der Differenzverstärkung im geschlossenen Regelkreis, $A_{d}$ und die Gleichtaktverstärkung, $A_{c}$.

Mathematisch kann CMRR dargestellt werden als -

$$CMRR=\frac{A_{d}}{A_{c}}$$

Beachten Sie, dass die Gleichtaktverstärkung, $A_{c}$ eines Operationsverstärkers ist das Verhältnis der Gleichtakt-Ausgangsspannung und der Gleichtakt-Eingangsspannung.

Anstiegsgeschwindigkeit

Die Anstiegsgeschwindigkeit eines Operationsverstärkers ist definiert als die maximale Änderungsrate der Ausgangsspannung aufgrund einer stufenweisen Eingangsspannung.

Mathematisch kann die Anstiegsgeschwindigkeit (SR) dargestellt werden als -

$$SR=Maximum\:of\:\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}$$

Wo, $V_{0}$ist die Ausgangsspannung. Im Allgemeinen wird die Anstiegsgeschwindigkeit in beiden Fällen gemessen$V/\mu\:Sec$ oder $V/m\:Sec$.

Arten von Operationsverstärkern

Ein Operationsverstärker wird mit einem Dreiecksymbol mit zwei Eingängen und einem Ausgang dargestellt.

Es gibt zwei Arten von Operationsverstärkern: Ideal Op-Amp und Practical Op-Amp.

Sie werden im Detail wie folgt besprochen -

Idealer Operationsverstärker

Ein idealer Operationsverstärker existiert nur theoretisch und praktisch nicht. Dasequivalent circuit eines idealen Operationsverstärkers ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Ein ideal op-amp weist folgende Eigenschaften auf:

  • Eingangsimpedanz $Z_{i}=\infty\Omega$

  • Ausgangsimpedanz $Z_{0}=0\Omega$

  • Spannungsfeld mit offener Schleife $A_{v}=\infty$

  • Wenn (die Differenz) Eingangsspannung $V_{i}=0V$dann wird die Ausgangsspannung sein $V_{0}=0V$

  • Bandbreite ist infinity. Dies bedeutet, dass ein idealer Operationsverstärker die Signale jeder Frequenz ohne Dämpfung verstärkt.

  • Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis (CMRR) ist infinity.

  • Anstiegsgeschwindigkeit (SR) ist infinity. Dies bedeutet, dass der ideale Operationsverstärker als Reaktion auf eine Eingangsschrittspannung sofort eine Änderung des Ausgangs erzeugt.

Praktischer Operationsverstärker

In der Praxis sind Operationsverstärker nicht ideal und weichen aufgrund einiger Mängel bei der Herstellung von ihren idealen Eigenschaften ab. Dasequivalent circuit eines praktischen Operationsverstärkers ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

EIN practical op-amp weist folgende Eigenschaften auf:

  • Eingangsimpedanz, $Z_{i}$ in der Reihenfolge von Mega ohms.

  • Ausgangsimpedanz, $Z_{0}$ in der Reihenfolge von few ohms..

  • Spannungsverstärkung im offenen Regelkreis, $A_{v}$ wird sein high.

Wenn Sie einen praktischen Operationsverstärker wählen, sollten Sie prüfen, ob er die folgenden Bedingungen erfüllt:

  • Eingangsimpedanz, $Z_{i}$ sollte so hoch wie möglich sein.

  • Ausgangsimpedanz, $Z_{0}$ sollte so niedrig wie möglich sein.

  • Spannungsverstärkung im offenen Regelkreis, $A_{v}$ sollte so hoch wie möglich sein.

  • Die Ausgangsoffsetspannung sollte so niedrig wie möglich sein.

  • Die Betriebsbandbreite sollte so hoch wie möglich sein.

  • CMRR sollte so hoch wie möglich sein.

  • Die Anstiegsgeschwindigkeit sollte so hoch wie möglich sein.

Note - Der Operationsverstärker IC 741 ist der beliebteste und praktischste Operationsverstärker.

Eine Schaltung soll sein linear, wenn eine lineare Beziehung zwischen seiner Eingabe und der Ausgabe besteht. Ebenso soll eine Schaltung seinnon-linear, wenn eine nichtlineare Beziehung zwischen Eingabe und Ausgabe besteht.

Operationsverstärker können sowohl in linearen als auch in nichtlinearen Anwendungen eingesetzt werden. Das Folgende sind die grundlegenden Anwendungen von Operationsverstärkern -

  • Invertierender Verstärker
  • Nicht invertierender Verstärker
  • Spannungsfolger

In diesem Kapitel werden diese grundlegenden Anwendungen ausführlich erläutert.

Invertierender Verstärker

Ein invertierender Verstärker führt den Eingang über seinen invertierenden Anschluss über einen Widerstand $R_{1}$und erzeugt seine verstärkte Version als Ausgabe. Dieser Verstärker verstärkt den Eingang nicht nur, sondern invertiert ihn auch (ändert sein Vorzeichen).

Das circuit diagram eines invertierenden Verstärkers ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Beachten Sie, dass bei einem Operationsverstärker die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss gleich der Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss ist. Physikalisch gibt es aber keinen Kurzschluss zwischen diesen beiden Terminalsvirtually, Sie sind drin short miteinander.

In der oben gezeigten Schaltung ist der nichtinvertierende Eingangsanschluss mit Masse verbunden. Das bedeutet, dass am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers Null Volt angelegt werden.

Laut dem virtual short conceptbeträgt die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers null Volt.

Das nodal equation am Knoten dieses Terminals ist wie unten gezeigt -

$$\frac{0-V_i}{R_1}+ \frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>\frac{-V_i}{R_1}= \frac{V_0}{R_f}$$

$$=>V_{0}=\left(\frac{-R_f}{R_1}\right)V_{t}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}= \frac{-R_f}{R_1}$$

Das Verhältnis der Ausgangsspannung $V_{0}$ und die Eingangsspannung $V_{i}$ist die Spannungsverstärkung oder Verstärkung des Verstärkers. deshalb, diegain of inverting amplifier entspricht $-\frac{R_f}{R_1}$.

Beachten Sie, dass die Verstärkung des invertierenden Verstärkers a hat negative sign. Es zeigt an, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Phasendifferenz von 180 0 besteht .

Nicht invertierender Verstärker

Ein nicht invertierender Verstärker nimmt den Eingang über seinen nicht invertierenden Anschluss und erzeugt seine verstärkte Version als Ausgang. Wie der Name schon sagt, verstärkt dieser Verstärker nur den Eingang, ohne das Vorzeichen des Ausgangs zu invertieren oder zu ändern.

Das circuit diagram eines nicht invertierenden Verstärkers ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der obigen Schaltung ist die Eingangsspannung $V_{i}$wird direkt an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers angelegt. Die Spannung am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers beträgt also$V_{i}$.

Durch die Nutzung voltage division principlekönnen wir die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers wie unten gezeigt berechnen -

$$=>V_{1} = V_{0}\left(\frac{R_1}{R_1+R_f}\right)$$

Laut dem virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers ist dieselbe wie die Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss.

$$=>V_{1} = V_{i}$$

$$=>V_{0}\left(\frac{R_1}{R_1+R_f}\right)=V_{i}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}=\frac{R_1+R_f}{R_1}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}=1+\frac{R_f}{R_1}$$

Nun das Verhältnis der Ausgangsspannung $V_{0}$ und Eingangsspannung $V_{i}$ oder die Spannungsverstärkung oder gain of the non-inverting amplifier entspricht $1+\frac{R_f}{R_1}$.

Beachten Sie, dass die Verstärkung des nicht invertierenden Verstärkers a hat positive sign. Es zeigt an, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang keine Phasendifferenz besteht.

Spannungsfolger

EIN voltage followerist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der der Eingangsspannung folgt. Dies ist ein Sonderfall eines nicht invertierenden Verstärkers.

Wenn wir den Wert des Rückkopplungswiderstands berücksichtigen, $R_{f}$als Null Ohm und (oder) der Wert des Widerstands, 1 als unendlich Ohm, dann wird ein nicht invertierender Verstärker ein Spannungsfolger. Dascircuit diagram eines Spannungsfolgers ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der obigen Schaltung ist die Eingangsspannung $V_{i}$wird direkt an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers angelegt. Die Spannung am nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist also gleich$V_{i}$. Hier ist der Ausgang direkt mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden. Daher ist die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers gleich$V_{0}$.

Laut dem virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist dieselbe wie die Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss.

$$=>V_{0} = V_{i}$$

Also die Ausgangsspannung $V_{0}$ eines Spannungsfolgers ist gleich seiner Eingangsspannung $V_{i}$.

Und so kam es dass der gain of a voltage follower ist gleich eins, da beide Ausgangsspannung $V_{0}$ und Eingangsspannung $V_{i}$ des Spannungsfolgers sind gleich.

Im vorherigen Kapitel haben wir die grundlegenden Anwendungen von Operationsverstärkern besprochen. Beachten Sie, dass sie unter den linearen Betrieb eines Operationsverstärkers fallen. Lassen Sie uns in diesem Kapitel über arithmetische Schaltungen sprechen, die auch lineare Anwendungen von Operationsverstärkern sind.

Die elektronischen Schaltungen, die arithmetische Operationen ausführen, werden als bezeichnet arithmetic circuits. Mit Operationsverstärkern können Sie grundlegende Rechenschaltungen wie zadder und ein subtractor. In diesem Kapitel erfahren Sie mehr über jeden einzelnen von ihnen.

Addierer

Ein Addierer ist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der gleich der Summe der angelegten Eingänge ist. In diesem Abschnitt wird die Addiererschaltung auf Operationsverstärkerbasis erläutert.

Ein Addierer auf Operationsverstärkerbasis erzeugt einen Ausgang, der der Summe der an seinem invertierenden Anschluss angelegten Eingangsspannungen entspricht. Es wird auch als bezeichnetsumming amplifier, da der Ausgang verstärkt ist.

Das circuit diagram eines auf einem Operationsverstärker basierenden Addierers ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der obigen Schaltung ist der nicht invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers mit Masse verbunden. Dies bedeutet, dass an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss Null Volt angelegt werden.

Laut dem virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers ist dieselbe wie die Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss. Die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers beträgt also null Volt.

Das nodal equation am Knoten des invertierenden Eingangsterminals ist

$$\frac{0-V_1}{R_1}+\frac{0-V_2}{R_2}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>\frac{V_1}{R_1}-\frac{V_2}{R_2}=\frac{V_0}{R_f}$$

$$=>V_{0}=R_{f}\left(\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}\right)$$

Wenn $R_{f}=R_{1}=R_{2}=R$dann die Ausgangsspannung $V_{0}$ wird sein -

$$V_{0}=-R{}\left(\frac{V_1}{R}+\frac{V_2}{R}\right)$$

$$=>V_{0}=-(V_{1}+V_{2})$$

Daher erzeugt die oben diskutierte Addiererschaltung auf Operationsverstärkerbasis die Summe der beiden Eingangsspannungen $v_{1}$ und $v_{1}$als Ausgang, wenn alle in der Schaltung vorhandenen Widerstände den gleichen Wert haben. Beachten Sie, dass die Ausgangsspannung$V_{0}$ einer Addiererschaltung hat a negative signDies zeigt an, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Phasendifferenz von 180 0 besteht .

Subtrahierer

Ein Subtrahierer ist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der gleich der Differenz der angelegten Eingänge ist. In diesem Abschnitt wird die auf einem Operationsverstärker basierende Subtrahiererschaltung erläutert.

Ein auf einem Operationsverstärker basierender Subtrahierer erzeugt einen Ausgang, der der Differenz der Eingangsspannungen entspricht, die an seinen invertierenden und nicht invertierenden Anschlüssen angelegt werden. Es wird auch als bezeichnetdifference amplifier, da der Ausgang verstärkt ist.

Das circuit diagram eines auf einem Operationsverstärker basierenden Subtrahierers ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Lassen Sie uns nun den Ausdruck für die Ausgangsspannung finden $V_{0}$ der obigen Schaltung unter Verwendung superposition theorem mit den folgenden Schritten -

Schritt 1

Berechnen wir zunächst die Ausgangsspannung $V_{01}$ nur durch Überlegung $V_{1}$.

Dafür beseitigen $V_{2}$indem man es kurzschließt. Dann erhalten wir diemodified circuit diagram wie in der folgenden Abbildung gezeigt -

Verwenden Sie jetzt die voltage division principleBerechnen Sie die Spannung am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers.

$$=>V_{p}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)$$

Die obige Schaltung sieht nun aus wie ein nicht invertierender Verstärker mit Eingangsspannung $V_{p}$. Daher die Ausgangsspannung$V_{01}$ der obigen Schaltung wird sein

$$V_{01}=V_{p}\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$$

Ersatz, der Wert von $V_{p}$ In der obigen Gleichung erhalten wir die Ausgangsspannung $V_{01}$ nur durch Überlegung $V_{1}$, als -

$$V_{01}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$$

Schritt 2

In diesem Schritt ermitteln wir die Ausgangsspannung. $V_{02}$ nur durch Überlegung $V_{2}$. Ähnlich wie im obigen Schritt beseitigen$V_{1}$indem man es kurzschließt. Dasmodified circuit diagram ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Sie können beobachten, dass die Spannung am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers Null Volt beträgt. Es bedeutet, dass die obige Schaltung einfach eine istinverting op-amp. Daher die Ausgangsspannung$V_{02}$ der obigen Schaltung wird -

$$V_{02}=\left(-\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

Schritt 3

In diesem Schritt erhalten wir die Ausgangsspannung $V_{0}$ der Subtrahiererschaltung durch adding the output voltageserhalten in Schritt 1 und Schritt 2. Mathematisch kann es geschrieben werden als

$$V_{0}=V_{01}+V_{02}$$

Ersetzen der Werte von $V_{01}$ und $V_{02}$ in der obigen Gleichung erhalten wir -

$$V_{0}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)+\left(-\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

$$=>V_{0}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)-\left(\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

Wenn $R_{f}=R_{1}=R_{2}=R_{3}=R$dann die Ausgangsspannung $V_{0}$ wird sein

$$V_{0}=V_{1}\left(\frac{R}{R+R}\right)\left(1+\frac{R}{R}\right)-\left(\frac{R}{R}\right)V_{2}$$

$$=>V_{0}=V_{1}\left(\frac{R}{2R}\right)(2)-(1)V_{2}$$

$$V_{0}=V_{1}-V_{2}$$

Somit erzeugt die oben diskutierte Subtrahiererschaltung auf Operationsverstärkerbasis einen Ausgang, der die Differenz zweier Eingangsspannungen ist $V_{1}$ und $V_{2}$, wenn alle in der Schaltung vorhandenen Widerstände den gleichen Wert haben.

Die elektronischen Schaltungen, die die mathematischen Operationen wie Differenzierung und Integration ausführen, werden als Differenzierer bzw. Integrator bezeichnet.

In diesem Kapitel wird ausführlich auf Op-Amp-Basis eingegangen differentiatorund Integrator. Bitte beachten Sie, dass diese auch unter lineare Anwendungen von Operationsverstärkern fallen.

Unterscheidungsmerkmal

EIN differentiatorist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der der ersten Ableitung ihres Eingangs entspricht. In diesem Abschnitt wird das auf Operationsverstärkern basierende Unterscheidungsmerkmal ausführlich erläutert.

Ein Differenzierer auf Operationsverstärkerbasis erzeugt einen Ausgang, der gleich der Differenz der Eingangsspannung ist, die an seinen invertierenden Anschluss angelegt wird. Dascircuit diagram eines Differenzierers auf Operationsverstärkerbasis ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der obigen Schaltung ist der nicht invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers mit Masse verbunden. Dies bedeutet, dass an den nicht invertierenden Eingangsanschluss null Volt angelegt werden.

Laut dem virtual short conceptist die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers gleich der Spannung, die an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss anliegt. Die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers beträgt also null Volt.

Die Knotengleichung am Knoten des invertierenden Eingangsanschlusses lautet -

$$C\frac{\text{d}(0-V_{i})}{\text{d}t}+\frac{0-V_0}{R}=0$$

$$=>-C\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}=\frac{V_0}{R}$$

$$=>V_{0}=-RC\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}$$

Wenn $RC=1\sec$dann die Ausgangsspannung $V_{0}$ wird sein -

$$V_{0}=-\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}$$

Somit erzeugt die oben gezeigte Differenzierungsschaltung auf Operationsverstärkerbasis einen Ausgang, der die Differenz der Eingangsspannung ist $V_{i}$, wenn die Größen der Impedanzen von Widerstand und Kondensator wechselseitig zueinander sind.

Beachten Sie, dass die Ausgangsspannung $V_{0}$ hat eine negative signDies zeigt an, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Phasendifferenz von 180 0 besteht .

Integrator

Ein integratorist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der die Integration des angelegten Eingangs darstellt. In diesem Abschnitt wird der auf einem Operationsverstärker basierende Integrator erläutert.

Ein auf einem Operationsverstärker basierender Integrator erzeugt einen Ausgang, der ein Integral der Eingangsspannung ist, die an seinen invertierenden Anschluss angelegt wird. Dascircuit diagram eines auf einem Operationsverstärker basierenden Integrators ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der oben gezeigten Schaltung ist der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers mit Masse verbunden. Dies bedeutet, dass an den nicht invertierenden Eingangsanschluss null Volt angelegt werden.

Gemäß virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist gleich der Spannung, die an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss anliegt. Die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers beträgt also null Volt.

Das nodal equation am invertierenden Eingangsanschluss ist -

$$\frac{0-V_i}{R}+C\frac{\text{d}(0-V_{0})}{\text{d}t}=0$$

$$=>\frac{-V_i}{R}=C\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}$$

$$=>\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}=-\frac{V_i}{RC}$$

$$=>{d}V_{0}=\left(-\frac{V_i}{RC}\right){\text{d}t}$$

Wenn wir beide Seiten der oben gezeigten Gleichung integrieren, erhalten wir -

$$\int{d}V_{0}=\int\left(-\frac{V_i}{RC}\right){\text{d}t}$$

$$=>V_{0}=-\frac{1}{RC}\int V_{t}{\text{d}t}$$

Wenn $RC=1\sec$, dann die Ausgangsspannung, $V_{0}$ wird sein -

$$V_{0}=-\int V_{i}{\text{d}t}$$

Die oben diskutierte Integratorschaltung auf Operationsverstärkerbasis erzeugt also einen Ausgang, der das Integral der Eingangsspannung ist $V_{i}$, wenn die Größe der Impedanzen von Widerstand und Kondensator wechselseitig zueinander sind.

Note - Die Ausgangsspannung, $V_{0}$ hat eine negative signDies zeigt an, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Phasendifferenz von 180 0 besteht .

Spannung und Strom sind die elektrischen Grundgrößen. Sie können je nach Anforderung ineinander umgewandelt werden.Voltage to Current Converter und Strom zu Voltage Convertersind die beiden Schaltkreise, die bei einer solchen Umwandlung helfen. Dies sind auch lineare Anwendungen von Operationsverstärkern. In diesem Kapitel werden sie ausführlich erläutert.

Spannungs-Strom-Wandler

EIN voltage to current converter oder V to I converterist eine elektronische Schaltung, die Strom als Eingang nimmt und Spannung als Ausgang erzeugt. In diesem Abschnitt wird der auf Operationsverstärkern basierende Spannungs-Strom-Wandler erläutert.

Ein auf einem Operationsverstärker basierender Spannungs-Strom-Wandler erzeugt einen Ausgangsstrom, wenn eine Spannung an seinen nicht invertierenden Anschluss angelegt wird. Dascircuit diagram Die folgende Abbildung zeigt einen Spannungs-Strom-Wandler auf Operationsverstärkerbasis.

In der oben gezeigten Schaltung eine Eingangsspannung $V_{i}$wird am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers angelegt. Laut demvirtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers ist gleich der Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss. Die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers beträgt also$V_{i}$.

Das nodal equation am Knoten des invertierenden Eingangsterminals ist -

$$\frac{V_i}{R_1}-I_{0}=0$$

$$=>I_{0}=\frac{V_t}{R_1}$$

Und so kam es dass der output current $I_{0}$ eines Spannungs-Strom-Wandlers ist das Verhältnis seiner Eingangsspannung $V_{i}$ und Widerstand $R_{1}$.

Wir können die obige Gleichung wie folgt umschreiben:

$$\frac{I_0}{V_i}=\frac{1}{R_1}$$

Die obige Gleichung repräsentiert das Verhältnis des Ausgangsstroms $I_{0}$ und die Eingangsspannung $V_{i}$ & es ist gleich dem Kehrwert des Widerstands $R_{1}$ Das Verhältnis des Ausgangsstroms $I_{0}$ und die Eingangsspannung $V_{i}$ heißt als Transconductance.

Wir wissen, dass das Verhältnis von Ausgang und Eingang einer Schaltung als Verstärkung bezeichnet wird. Die Verstärkung eines Spannungs-Strom-Wandlers ist also die Transkonduktanz und entspricht dem Kehrwert des Widerstands$R_{1}$.

Strom-Spannungs-Wandler

EIN current to voltage converter oder I to V converterist eine elektronische Schaltung, die Strom als Eingang nimmt und Spannung als Ausgang erzeugt. In diesem Abschnitt wird der auf Operationsverstärkern basierende Strom-Spannungs-Wandler erläutert.

Ein auf einem Operationsverstärker basierender Strom-Spannungs-Wandler erzeugt eine Ausgangsspannung, wenn Strom an seinen invertierenden Anschluss angelegt wird. Dascircuit diagram Die folgende Abbildung zeigt einen Strom-Spannungs-Wandler auf Operationsverstärkerbasis.

In der oben gezeigten Schaltung ist der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers mit Masse verbunden. Dies bedeutet, dass an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss Null Volt angelegt werden.

Laut dem virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers ist gleich der Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss. Die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers beträgt also null Volt.

Das nodal equation am Knoten des invertierenden Terminals befindet sich -

$$-I_{i}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$-I_{i}=\frac{V_0}{R_f}$$

$$V_{0}=-R_{t}I_{i}$$

Und so kam es dass der output voltage, $V_{0}$ des Strom-Spannungs-Wandlers ist das (negative) Produkt des Rückkopplungswiderstands, $R_{f}$ und der Eingangsstrom, $I_{t}$. Beachten Sie, dass die Ausgangsspannung,$V_{0}$ hat eine negative signDies zeigt an, dass zwischen dem Eingangsstrom und der Ausgangsspannung eine Phasendifferenz von 180 0 besteht .

Wir können die obige Gleichung wie folgt umschreiben:

$$\frac{V_0}{I_i}=-R_{f}$$

Die obige Gleichung repräsentiert das Verhältnis der Ausgangsspannung $V_{0}$ und der Eingangsstrom $I_{i}$und es ist gleich dem negativen Rückkopplungswiderstand, $R_{f}$. Das Verhältnis der Ausgangsspannung$V_{0}$ und Eingangsstrom $I_{i}$ heißt als Transresistance.

Wir wissen, dass das Verhältnis von Ausgang und Eingang einer Schaltung als bezeichnet wird gain. Die Verstärkung eines Strom-Spannungs-Wandlers ist also sein Trans-Widerstand und entspricht dem (negativen) Rückkopplungswiderstand$R_{f}$ .

EIN comparatorist eine elektronische Schaltung, die die beiden an sie angelegten Eingänge vergleicht und einen Ausgang erzeugt. Der Ausgabewert des Komparators gibt an, welcher der Eingänge größer oder kleiner ist. Bitte beachten Sie, dass der Komparator unter nichtlineare Anwendungen von ICs fällt.

Ein Operationsverstärker besteht aus zwei Eingangsanschlüssen, und daher vergleicht ein auf Operationsverstärkern basierender Komparator die beiden an ihn angelegten Eingänge und erzeugt das Vergleichsergebnis als Ausgang. Dieses Kapitel behandelt überop-amp based comparators.

Arten von Komparatoren

Es gibt zwei Arten von Komparatoren: Inverting und Non-inverting. In diesem Abschnitt werden diese beiden Typen ausführlich erläutert.

Komparator invertieren

Ein inverting comparatorist ein auf Operationsverstärkern basierender Komparator, bei dem eine Referenzspannung an seinen nichtinvertierenden Anschluss und die Eingangsspannung an seinen invertierenden Anschluss angelegt wird. Dieser Komparator heißt alsinverting Komparator, weil die zu vergleichende Eingangsspannung an den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt wird.

Das circuit diagram eines invertierenden Komparators ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das operationeines invertierenden Komparators ist sehr einfach. Es erzeugt einen der beiden Werte,$+V_{sat}$ und $-V_{sat}$ am Ausgang basierend auf den Werten seiner Eingangsspannung $V_{i}$ und die Referenzspannung $V_{ref}$.

  • Der Ausgangswert eines invertierenden Komparators ist $-V_{sat}$, für die die Eingabe $V_{i}$ Spannung ist größer als die Referenzspannung $V_{ref}$.

  • Der Ausgangswert eines invertierenden Komparators ist $+V_{sat}$, für die die Eingabe $V_{i}$ ist kleiner als die Referenzspannung $V_{ref}$.

Beispiel

Lassen Sie uns das zeichnen output wave form eines invertierenden Komparators, wenn ein sinusförmiges Eingangssignal und eine Referenzspannung von Null Volt an seine invertierenden bzw. nicht invertierenden Anschlüsse angelegt werden.

Das operation des oben gezeigten invertierenden Komparators wird unten diskutiert -

  • Während der positive half cycledes sinusförmigen Eingangssignals ist die am invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anliegende Spannung größer als Null Volt. Daher ist der Ausgangswert des invertierenden Komparators gleich$-V_{sat}$ während der positiven Halbwelle des sinusförmigen Eingangssignals.

  • Ebenso während der negative half cycledes sinusförmigen Eingangssignals beträgt die am invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anliegende Spannung weniger als null Volt. Daher ist der Ausgangswert des invertierenden Komparators gleich$+V_{sat}$ während der negativen Halbwelle des sinusförmigen Eingangssignals.

Die folgende Abbildung zeigt die input and output waveforms eines invertierenden Komparators, wenn die Referenzspannung Null Volt beträgt.

In der oben gezeigten Abbildung können wir beobachten, dass der Ausgang entweder von wechselt $-V_{sat}$ zu $+V_{sat}$ oder von $+V_{sat}$ zu $-V_{sat}$wann immer das sinusförmige Eingangssignal Null Volt überschreitet. Mit anderen Worten, der Ausgang ändert seinen Wert, wenn der Eingang Null Volt überschreitet. Daher wird die obige Schaltung auch als bezeichnetinverting zero crossing detector.

Nicht invertierender Komparator

Ein nichtinvertierender Komparator ist ein Komparator auf Operationsverstärkerbasis, für den eine Referenzspannung an seinen invertierenden Anschluss und die Eingangsspannung an seinen nichtinvertierenden Anschluss angelegt wird. Dieser auf Operationsverstärkern basierende Komparator wird als bezeichnetnon-inverting Komparator, weil die zu vergleichende Eingangsspannung an den nichtinvertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt wird.

Das circuit diagram eines nichtinvertierenden Komparators ist in der folgenden Abbildung dargestellt

Das operationeines nicht invertierenden Komparators ist sehr einfach. Es erzeugt einen der beiden Werte,$+V_{sat}$ und $-V_{sat}$ am Ausgang basierend auf den Werten der Eingangsspannung $V_{t}$ und die Referenzspannung $+V_{ref}$.

  • Der Ausgabewert eines nicht invertierenden Komparators ist $+V_{sat}$, für die die Eingangsspannung $V_{i}$ ist größer als die Referenzspannung $+V_{ref}$.

  • Der Ausgabewert eines nicht invertierenden Komparators wird angezeigt $-V_{sat}$, für die die Eingangsspannung $V_{i}$ ist kleiner als die Referenzspannung $+V_{ref}$.

Beispiel

Lassen Sie uns das zeichnen output wave form eines nichtinvertierenden Komparators, wenn ein sinusförmiges Eingangssignal und eine Referenzspannung von Null Volt an die nichtinvertierenden bzw. invertierenden Anschlüsse des Operationsverstärkers angelegt werden.

Das operation eines nicht invertierenden Komparators wird unten erklärt -

  • Während der positive half cycledes sinusförmigen Eingangssignals ist die am nichtinvertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anliegende Spannung größer als Null Volt. Daher ist der Ausgangswert eines nicht invertierenden Komparators gleich$+V_{sat}$ während der positiven Halbwelle des sinusförmigen Eingangssignals.

  • Ebenso während der negative half cycledes sinusförmigen Eingangssignals beträgt die am nichtinvertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anliegende Spannung weniger als null Volt. Daher ist der Ausgangswert des nichtinvertierenden Komparators gleich$-V_{sat}$ während der negativen Halbwelle des sinusförmigen Eingangssignals.

Die folgende Abbildung zeigt die input and output waveforms eines nichtinvertierenden Komparators, wenn die Referenzspannung Null Volt beträgt.

Aus der oben gezeigten Abbildung können wir ersehen, dass der Ausgang entweder von wechselt $+V_{sat}$ zu $-V_{sat}$ oder von $-V_{sat}$ zu $+V_{sat}$wann immer das sinusförmige Eingangssignal Null Volt überschreitet. Das heißt, der Ausgang ändert seinen Wert, wenn der Eingang Null Volt überschreitet. Daher wird die obige Schaltung auch als bezeichnetnon-inverting zero crossing detector.

Die elektronischen Schaltungen, die die mathematischen Operationen wie Logarithmus und Antilogarithmus (Exponential) mit einer Verstärkung ausführen, werden als bezeichnet Logarithmic amplifier und Anti-Logarithmic amplifier beziehungsweise.

In diesem Kapitel wird die Logarithmic amplifier und Anti-Logarithmic amplifierim Detail. Bitte beachten Sie, dass diese Verstärker unter nichtlineare Anwendungen fallen.

Logarithmischer Verstärker

EIN logarithmic amplifier, oder ein log amplifierist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der proportional zum Logarithmus des angelegten Eingangs ist. In diesem Abschnitt wird der auf Operationsverstärkern basierende logarithmische Verstärker ausführlich beschrieben.

Ein auf einem Operationsverstärker basierender logarithmischer Verstärker erzeugt am Ausgang eine Spannung, die proportional zum Logarithmus der Spannung ist, die an den an seinen invertierenden Anschluss angeschlossenen Widerstand angelegt wird. Dascircuit diagram eines logarithmischen Verstärkers auf Operationsverstärkerbasis ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der obigen Schaltung ist der nicht invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers mit Masse verbunden. Das bedeutet, dass am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers Null Volt angelegt werden.

Laut dem virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers ist gleich der Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss. Die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss beträgt also null Volt.

Das nodal equation am Knoten des invertierenden Eingangsterminals ist -

$$\frac{0-V_i}{R_1}+I_{f}=0$$

$$=>I_{f}=\frac{V_i}{R_1}......Equation 1$$

Das Folgende ist das equation for current durch eine Diode fließen, wenn sie in Vorwärtsrichtung ist -

$$I_{f}=I_{s} e^{(\frac{V_f}{nV_T})} ......Equation 2$$

wo,

$I_{s}$ ist der Sättigungsstrom der Diode,

$V_{f}$ ist der Spannungsabfall über der Diode, wenn sie in Vorwärtsrichtung ist,

$V_{T}$ ist die thermische Ersatzspannung der Diode.

Das KVL equation um die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers wird -

$$0-V_{f}-V_{0}=0$$

$$=>V_{f}=-V_{0}$$

Ersetzen des Wertes von $V_{f}$ in Gleichung 2 erhalten wir -

$$I_{f}=I_{s} e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)} ......Equation 3$$

Beachten Sie, dass die Terme auf der linken Seite von Gleichung 1 und Gleichung 3 gleich sind. Setzen Sie daher den rechten Term dieser beiden Gleichungen wie unten gezeigt gleich -

$$\frac{V_i}{R_1}=I_{s}e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)}$$

$$\frac{V_i}{R_1I_s}= e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)}$$

Bewirbt sich natural logarithm auf beiden Seiten bekommen wir -

$$In\left(\frac{V_i}{R_1I_s}\right)= \frac{-V_0}{nV_T}$$

$$V_{0}=-{nV_T}In\left(\frac{V_i}{R_1I_s}\right)$$

Beachten Sie, dass in der obigen Gleichung die Parameter n, ${V_T}$ und $I_{s}$sind Konstanten. Also die Ausgangsspannung$V_{0}$ wird proportional zum sein natural logarithm der Eingangsspannung $V_{i}$ für einen festen Widerstandswert $R_{1}$.

Daher erzeugt die oben diskutierte logarithmische Verstärkerschaltung auf Operationsverstärkerbasis einen Ausgang, der proportional zum natürlichen Logarithmus der Eingangsspannung ist ${V_T}$, wann ${R_1I_s}=1V$.

Beachten Sie die Ausgangsspannung $V_{0}$ hat ein negative signDies zeigt an, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Phasendifferenz von 180 0 besteht .

Anti-Logarithmischer Verstärker

Ein anti-logarithmic amplifieroder ein anti-log amplifierist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der proportional zum Antilogarithmus des angelegten Eingangs ist. In diesem Abschnitt wird der anti-logarithmische Verstärker auf Operationsverstärkerbasis ausführlich beschrieben.

Ein auf einem Operationsverstärker basierender anti-logarithmischer Verstärker erzeugt am Ausgang eine Spannung, die proportional zum Anti-Logarithmus der Spannung ist, die an die an ihren invertierenden Anschluss angeschlossene Diode angelegt wird.

Das circuit diagram Ein auf einem Operationsverstärker basierender anti-logarithmischer Verstärker ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der oben gezeigten Schaltung ist der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers mit Masse verbunden. Dies bedeutet, dass an den nicht invertierenden Eingangsanschluss null Volt angelegt werden.

Laut dem virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist gleich der Spannung, die an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss anliegt. Die Spannung an seinem invertierenden Eingangsanschluss beträgt also null Volt.

Das nodal equation am Knoten des invertierenden Eingangsterminals ist -

$$-I_{f}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>-\frac{V_0}{R_f}=I_{f}$$

$$=>V_{0}=-R_{f}I_{f}.........Equation 4$$

Wir wissen, dass die Gleichung für den Strom, der durch eine Diode fließt, wenn sie in Vorwärtsrichtung ist, wie folgt ist -

$$I_{f}=I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}$$

Ersetzen des Wertes von $I_{f}$ in Gleichung 4 erhalten wir

$$V_{0}=-R_{f}\left \{{I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}}\right \}$$

$$V_{0}=-R_{f}{I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}}......Equation 5$$

Die KVL-Gleichung auf der Eingangsseite des invertierenden Anschlusses des Operationsverstärkers lautet

$$V_{i}-V_{f}=0$$

$$V_{f}=V_{i}$$

Wenn wir den Wert von in Gleichung 5 einsetzen, erhalten wir -

$$V_{0}=-R_{f}{I_{s} e^{\left(\frac{V_i}{nV_T}\right)}}$$

Beachten Sie, dass in der obigen Gleichung die Parameter n, ${V_T}$ und $I_{s}$sind Konstanten. Also die Ausgangsspannung${V_0}$ wird proportional zum sein anti-natural logarithm (exponentiell) der Eingangsspannung ${V_i}$für einen festen Wert des Rückkopplungswiderstands ${R_f}$.

Daher erzeugt die oben diskutierte anti-logarithmische Verstärkerschaltung auf Operationsverstärkerbasis einen Ausgang, der proportional zum anti-natürlichen Logarithmus (exponentiell) der Eingangsspannung ist ${V_i}$ wann, ${R_fI_s}= 1V$. Beachten Sie die Ausgangsspannung${V_0}$ hat eine negative signDies zeigt an, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Phasendifferenz von 180 0 besteht .

AC und DC sind zwei häufige Begriffe, denen Sie beim Studium des elektrischen Ladungsflusses begegnen. Alternating Current (AC)hat die Eigenschaft, seinen Zustand kontinuierlich zu ändern. Wenn wir beispielsweise eine Sinuswelle betrachten, fließt der Strom für eine positive Halbwelle in eine Richtung und für eine negative Halbwelle in die entgegengesetzte Richtung. Andererseits,Direct Current (DC) fließt nur in eine Richtung.

Eine elektronische Schaltung, die entweder ein Gleichstromsignal oder ein gepulstes Gleichstromsignal erzeugt, wenn ein Wechselstromsignal an sie angelegt wird, wird als a bezeichnet rectifier. In diesem Kapitel werden Gleichrichter auf Operationsverstärkerbasis ausführlich beschrieben.

Arten von Gleichrichtern

Gleichrichter werden in zwei Typen eingeteilt: Half wave rectifier und Full wave rectifier. In diesem Abschnitt werden diese beiden Typen ausführlich erläutert.

Halbwellengleichrichter

EIN half wave rectifier ist ein Gleichrichter, der positive Halbzyklen am Ausgang für eine Halbwelle des Eingangs und Nullausgang für die andere Halbwelle des Eingangs erzeugt.

Das circuit diagram eines Halbwellengleichrichters ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Beachten Sie, dass das oben gezeigte Schaltbild eines Halbwellengleichrichters wie ein invertierender Verstärker mit zwei zusätzlichen Dioden D 1 und D 2 aussieht .

Das working der oben gezeigten Halbwellengleichrichterschaltung wird nachstehend erläutert

  • Für die positive half cycledes sinusförmigen Eingangs ist der Ausgang des Operationsverstärkers negativ. Daher wird die Diode D 1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt.

  • Wenn sich die Diode D 1 in Vorwärtsrichtung befindet, beträgt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers -0,7 V. Die Diode D 2 ist also in Sperrrichtung vorgespannt. Daher dieoutput voltage der obigen Schaltung ist zero Volt.

  • Daher gibt es no (zero) output eines Halbwellengleichrichters für die positive Halbwelle eines sinusförmigen Eingangs.

  • Für die negative half cycledes sinusförmigen Eingangs ist der Ausgang des Operationsverstärkers positiv. Daher sind die Dioden D 1 und D 2 in Sperrrichtung bzw. in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Die Ausgangsspannung der obigen Schaltung beträgt also -

$$V_0=-\left(\frac{R_f}{R_1}\right)V_1$$

  • Daher ist der Ausgang eines Halbwellengleichrichters a positive half cycle für eine negative Halbwelle des sinusförmigen Eingangs.

Wellenformen

Das input und output waveforms eines Halbwellengleichrichters sind in der folgenden Abbildung dargestellt

Wie Sie aus dem obigen Diagramm sehen können, wird das von uns diskutierte Halbwellengleichrichter-Schaltbild erzeugt positive half cycles für negative Halbzyklen des sinusförmigen Eingangs und Nullausgang für positive Halbzyklen des sinusförmigen Eingangs

Vollweggleichrichter

EIN full wave rectifier erzeugt positive Halbzyklen am Ausgang für beide Halbzyklen des Eingangs.

Das circuit diagram eines Vollweggleichrichters ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Das obige Schaltbild besteht aus zwei Operationsverstärkern, zwei Dioden, D 1 & D 2 und fünf Widerständen, R 1 bis R 5 . Dasworking der oben gezeigten Vollweggleichrichterschaltung wird nachstehend erläutert -

  • Für die positive half cycleBei einem sinusförmigen Eingang ist der Ausgang des ersten Operationsverstärkers negativ. Daher sind die Dioden D 1 und D 2 in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung vorgespannt.

  • Dann beträgt die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers -

$$V_{01}=-\left(\frac{R_2}{R_1}\right)V_i$$

  • Beachten Sie, dass der Ausgang des ersten Operationsverstärkers mit einem Widerstand R 4 verbunden ist , der mit dem invertierenden Anschluss des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist. Die am nichtinvertierenden Anschluss des zweiten Operationsverstärkers anliegende Spannung beträgt 0 V. Der zweite Operationsverstärker mit den Widerständen R 4 und R 4 wirkt also alsinverting amplifier.

  • Die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers beträgt

    $$V_0=-\left(\frac{R_5}{R_4}\right)V_{01}$$

    Substituting der Wert von $V_{01}$ in der obigen Gleichung erhalten wir -

    $$=>V_{0}=-\left(\frac{R_5}{R_4}\right)\left \{ -\left(\frac{R_2}{R_1}\right)V_{i} \right \}$$

    $$=>V_{0}=\left(\frac{R_2R_5}{R_1R_4}\right)V_{i}$$

  • Daher ist der Ausgang eines Vollweggleichrichters eine positive Halbwelle für die positive half cycleeines sinusförmigen Eingangs. In diesem Fall beträgt die Verstärkung des Ausgangs$\frac{R_2R_5}{R_1R_4}$. Wenn wir überlegen$R_{1}=R_{2}=R_{4}=R_{5}=R$dann ist die Verstärkung des Ausgangs eins.

  • Für die negative half cycleBei einem sinusförmigen Eingang ist der Ausgang des ersten Operationsverstärkers positiv. Daher sind die Dioden D 1 und D 2 in Sperrrichtung bzw. in Vorwärtsrichtung vorgespannt.

  • Die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers beträgt -

$$V_{01}=-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)V_{i}$$

  • Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers ist direkt mit dem nicht invertierenden Anschluss des zweiten Operationsverstärkers verbunden. Nun fungiert der zweite Operationsverstärker mit den Widerständen R 4 und R 5 alsnon-inverting amplifier.

    Die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers beträgt -

    $$V_{0}=\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)V_{01}$$

    Substituting der Wert von $V_{01}$ in der obigen Gleichung erhalten wir

    $$=>V_{0}=\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right) \left\{-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)V_{i}\right \} $$

    $$=>V_{0}=-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)V_{i}$$

  • Daher ist der Ausgang eines Vollweggleichrichters a positive half cycleauch für den negativen Halbzyklus des sinusförmigen Eingangs. In diesem Fall beträgt die Größe der Verstärkung des Ausgangs$\left(\frac{R_3}{R_1}\right)\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)$. Wenn wir überlegen$R_{1}=2R_{3}=R_{4}=R_{5}=R$ dann ist die Verstärkung des Ausgangs one.

Das input und output waveforms eines Vollweggleichrichters sind in der folgenden Abbildung dargestellt

Wie Sie in der obigen Abbildung sehen können, wird nur das von uns betrachtete Vollwellengleichrichter-Schaltbild erzeugt positive half cycles für sowohl positive als auch negative Halbzyklen eines sinusförmigen Eingangs.

Wave shaping circuitssind die elektronischen Schaltungen, die am Ausgang der angelegten Eingangswellenform die gewünschte Form erzeugen. Diese Schaltungen erfüllen zwei Funktionen -

  • Dämpfen Sie die angelegte Welle
  • Ändern Sie den Gleichstrompegel der angelegten Welle.

Es gibt zwei Arten von Wellenformungsschaltungen: Clippers und Clampers. In diesem Kapitel erfahren Sie mehr über Haarschneidemaschinen.

Clippers auf Op-Amp-Basis

EIN clipperist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, indem ein Teil des Eingangs über oder unter einem Referenzwert entfernt wird. Das heißt, die Ausgabe eines Clippers ist dieselbe wie die der Eingabe für einen anderen als den abgeschnittenen Teil. Aus diesem Grund ist die Amplitude von Spitze zu Spitze des Ausgangs eines Clippers immer kleiner als die des Eingangs.

Der Hauptvorteil von Clippern besteht darin, dass sie das unerwünschte Rauschen beseitigen, das in der Amplitude eines Wechselstromsignals vorhanden ist.

Clipper können basierend auf dem Clipping-Teil der Eingabe in die folgenden zwei Typen eingeteilt werden.

  • Positiver Clipper
  • Negativer Clipper

Diese werden wie unten angegeben ausführlich besprochen -

Positiver Clipper

EIN positive clipper ist ein Clipper, der nur die positiven Teile des Eingangssignals abschneidet.

Das circuit diagramdes positiven Clippers ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der oben gezeigten Schaltung ein sinusförmiges Spannungssignal $V_{t}$wird an den nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt. Der Wert der Referenzspannung$V_{ref}$ kann durch Variieren des Widerstands gewählt werden $R_{2}$.

Das operation der oben gezeigten Schaltung wird unten erklärt -

  • Ist der Wert der Eingangsspannung $V_i$ ist kleiner als der Wert der Referenzspannung $V_{ref}$dann leitet die Diode D 1 . Dann verhält sich die oben angegebene Schaltung wie folgtvoltage follower. Daher die Ausgangsspannung$V_{0}$ der obigen Schaltung ist gleich der der Eingangsspannung $V_{i}$, zum $V_{i}$ < $V_{ref}$.

  • Ist der Wert der Eingangsspannung $V_{i}$ ist größer als der Wert der Referenzspannung $V_{ref}$dann ist die Diode D 1 ausgeschaltet. Jetzt arbeitet der Operationsverstärker in einer offenen Schleife, da der Rückkopplungspfad offen war. Daher die Ausgangsspannung$V_{0}$ der obigen Schaltung ist gleich dem Wert der Referenzspannung $V_{ref}$, zum $V_{i}$ > $V_{ref}$.

Das input wave form und die entsprechenden output wave form eines positiven Clippers für eine positive Referenzspannung $V_{ref}$sind in der folgenden Abbildung dargestellt -

Negativer Clipper

EIN negative clipperist ein Clipper, der nur die negativen Teile des Eingangssignals abschneidet. Sie können die Schaltung des negativen Clippers erhalten, indem Sie einfach die Diode umkehren und die umgekehrte Polarität der Referenzspannung in der Schaltung nehmen, die Sie für einen positiven Clipper gesehen haben.

Das circuit diagram eines negativen Clippers ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der obigen Schaltung ein sinusförmiges Spannungssignal $V_{i}$wird an den nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt. Der Wert der Referenzspannung$V_{ref}$ kann durch Variieren des Widerstands gewählt werden $R_{2}$.

Das operation einer negativen Clipper-Schaltung wird unten erklärt -

Ist der Wert der Eingangsspannung $V_{t}$ ist größer als der Wert der Referenzspannung $V_{ref}$dann leitet die Diode D 1 . Dann verhält sich die obige Schaltung wie einvoltage follower. Daher die Ausgangsspannung$V_{0}$ der obigen Schaltung ist gleich der der Eingangsspannung $V_{i}$ zum $V_{i}$> $V_{ref}$.

Ist der Wert der Eingangsspannung $V_{i}$kleiner als der Wert der Referenzspannung ist, ist die Diode D 1 ausgeschaltet. Jetzt arbeitet der Operationsverstärker in einer offenen Schleife, da der Rückkopplungspfad offen ist. Daher die Ausgangsspannung$V_{0}$ der obigen Schaltung ist gleich dem Wert der Referenzspannung,$V_{ref}$ zum $V_{i}$ < $V_{ref}$.

Das input wave form und die entsprechenden output wave form eines negativen Clippers für eine negative Referenzspannung $V_{ref}$sind in der folgenden Abbildung dargestellt -

Im vorherigen Kapitel haben wir über Clipper gesprochen. Lassen Sie uns nun über andere Arten von Wellenformungsschaltungen diskutieren, nämlich Klemmer.

Operationsverstärker-basierte Clampers

EIN clamperist eine elektronische Schaltung, die einen Ausgang erzeugt, der dem Eingang ähnlich ist, jedoch eine Verschiebung des Gleichstrompegels aufweist. Mit anderen Worten, die Ausgabe eines Clamper ist eine exakte Nachbildung der Eingabe. Daher ist die Spitze-Spitze-Amplitude des Ausgangs eines Clamper immer gleich der des Eingangs.

Clampers werden verwendet, um den DC-Pegel des Eingangssignals am Ausgang einzuführen oder wiederherzustellen. Es gibttwo types von Operationsverstärker-basierten Clampern basierend auf der DC-Verschiebung des Eingangs.

  • Positive Clamper
  • Negative Clamper

In diesem Abschnitt werden diese beiden Klemmertypen ausführlich beschrieben.

Positive Clamper

Ein positiver Clamper ist eine Clamper-Schaltung, die einen Ausgang so erzeugt, dass das Eingangssignal um einen positiven Gleichstromwert vertikal verschoben wird.

Das circuit diagram eines positiven Clamper ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der obigen Schaltung a sinusoidal voltage signal, $V_{i}$ wird über ein Netzwerk, das aus einem Kondensator besteht, an den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt $C_{1}$ und ein Widerstand $R_{1}$. Das heißt, ein Wechselspannungssignal wird an den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt.

Das DC reference voltage $V_{ref}$ wird an den nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt. Der Wert der Referenzspannung$V_{ref}$ kann durch Variieren des Widerstands gewählt werden $R_{2}$. In diesem Fall erhalten wir eine Referenzspannung$V_{ref}$ von einem positiven Wert.

Die obige Schaltung erzeugt eine output, welche is the combination (resultant sum) des sinusförmigen Spannungssignals $V_{i}$ und die Referenzspannung $V_{ref}$. Das heißt, die Klemmschaltung erzeugt einen Ausgang so, dass das sinusförmige Spannungssignal$V_{i}$ wird um den Wert der Referenzspannung vertikal nach oben verschoben $V_{ref}$.

Die Eingangswellenform und die entsprechende Ausgangswellenform des positiven Clamper sind in der obigen Abbildung dargestellt -

Aus der obigen Abbildung können Sie ersehen, dass der positive Clamper die angelegte Eingangswellenform verschiebt vertically upwardam Ausgang. Das Ausmaß der Verschiebung hängt vom Wert der DC-Referenzspannung ab.

Negative Clamper

EIN negative clamper ist eine Klemmschaltung, die einen Ausgang so erzeugt, dass das Eingangssignal um einen negativen Gleichstromwert vertikal verschoben wird.

Das circuit diagram der negativen Klemme ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der obigen Schaltung a sinusoidal voltage signal $V_{i}$ wird über ein Netzwerk, das aus einem Kondensator C 1 und einem Widerstand besteht, an den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt$R_{1}$. Das heißt, ein Wechselspannungssignal wird an den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt.

Das DC reference voltage $V_{ref}$ wird an den nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angelegt. Der Wert der Referenzspannung $V_{ref}$ kann durch Variieren des Widerstands gewählt werden $R_{2}$. In diesem Fall erhalten wir die Referenzspannung$V_{ref}$ eines negativen Wertes.

Die obige Schaltung erzeugt einen Ausgang, der die Kombination (resultierende Summe) des sinusförmigen Spannungssignals ist $V_{i}$ und Referenzspannung $V_{ref}$. Das heißt, die Klemmschaltung erzeugt einen Ausgang so, dass das sinusförmige Spannungssignal$V_{i}$ wird um den Wert der Referenzspannung vertikal nach unten verschoben $V_{ref}$.

Die Eingangswellenform und die entsprechende Ausgangswellenform eines negativen Clamper sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Wir können am Ausgang beobachten, dass der negative Clamper die angelegte Eingangswellenform verschiebt vertically downwardam Ausgang. Das Ausmaß der Verschiebung hängt vom Wert der DC-Referenzspannung ab.

Filterssind elektronische Schaltungen, die bestimmte Frequenzkomponenten zulassen und / oder andere ablehnen. Möglicherweise sind Sie im Tutorial zur Netzwerktheorie auf Filter gestoßen. Sie sind passiv und sind die elektrischen Schaltkreise oder Netzwerke, die aus passiven Elementen wie Widerstand, Kondensator und (oder) einer Induktivität bestehen.

Dieses Kapitel behandelt über active filters im Detail.

Arten von aktiven Filtern

Aktive Filter sind die elektronischen Schaltkreise, die aus aktiven Elementen wie Operationsverstärkern sowie passiven Elementen wie Widerständen und Kondensatoren bestehen.

Aktive Filter werden hauptsächlich in die folgenden Kategorien eingeteilt four types basierend auf dem Frequenzband, das sie zulassen und / oder ablehnen -

  • Aktiver Tiefpassfilter
  • Aktiver Hochpassfilter
  • Aktiver Bandpassfilter
  • Aktiver Bandstoppfilter

Aktiver Tiefpassfilter

Wenn ein aktiver Filter nur zulässt (durchläuft) low frequency Komponenten und lehnt alle anderen Hochfrequenzkomponenten ab (blockiert), dann wird es als bezeichnet active low pass filter.

Das circuit diagram eines aktiven Tiefpassfilters ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Wir wissen, dass das Stromnetz, das an den nicht invertierenden Anschluss eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, a ist passive low pass filter. Der Eingang eines nicht invertierenden Anschlusses eines Operationsverstärkers ist also der Ausgang eines passiven Tiefpassfilters.

Beachten Sie, dass die obige Schaltung a ähnelt non-inverting amplifier. Es hat den Ausgang eines passiven Tiefpassfilters als Eingang zum nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers. Daher erzeugt es eine Ausgabe, die ist$\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$ mal den am nicht invertierenden Anschluss vorhandenen Eingang.

Wir können die Werte von wählen $R_{f}$ und $R_{1}$ geeignet, um die zu erhalten desired gainam Ausgang. Nehmen wir an, wir betrachten die Widerstandswerte von$R_{f}$ und $R_{1}$ als Null Ohm und unendlich Ohm erzeugt die obige Schaltung a unity gain Tiefpassfilterausgang.

Aktiver Hochpassfilter

Wenn ein aktiver Filter nur zulässt (durchläuft) high frequency Komponenten und lehnt alle anderen Niederfrequenzkomponenten ab (blockiert), dann heißt es ein active high pass filter.

Das circuit diagram eines aktiven Hochpassfilters ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Wir wissen, dass das Stromnetz, das an den nicht invertierenden Anschluss eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, a ist passive high pass filter. Der Eingang eines nicht invertierenden Anschlusses von opamp ist also der Ausgang eines passiven Hochpassfilters.

Die obige Schaltung ähnelt nun a non-inverting amplifier. Es hat den Ausgang eines passiven Hochpassfilters als Eingang zum nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers. Daher erzeugt es eine Ausgabe, die ist$\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$ mal den an seinem nicht invertierenden Anschluss vorhandenen Eingang.

Wir können die Werte von wählen $R_f$ und $R_1$ geeignet, um die zu erhalten desired gainam Ausgang. Nehmen wir an, wir betrachten die Widerstandswerte von$R_{f}$ und $R_{1}$ als Null Ohm und unendlich Ohm erzeugt die obige Schaltung a unity gain Hochpassfilterausgang.

Aktiver Bandpassfilter

Wenn ein aktiver Filter nur ein Frequenzband zulässt (durchlässt), wird er als bezeichnet active band pass filter. Im Allgemeinen liegt dieses Frequenzband zwischen dem Niederfrequenzbereich und dem Hochfrequenzbereich. Das aktive Bandpassfilter weist also sowohl Nieder- als auch Hochfrequenzkomponenten zurück (blockiert sie).

Das circuit diagram eines aktiven Bandpassfilters ist in der folgenden Abbildung dargestellt

Beachten Sie, dass es gibt two parts im Schaltplan des aktiven Bandpassfilters: Der erste Teil ist ein aktives Hochpassfilter, während der zweite Teil ein aktives Tiefpassfilter ist.

Der Ausgang des aktiven Hochpassfilters wird als Eingang des aktiven Tiefpassfilters angelegt. Dies bedeutet, dass sowohl das aktive Hochpassfilter als auch das aktive Tiefpassfilter vorhanden sind cascaded um den Ausgang so zu erhalten, dass er nur ein bestimmtes Frequenzband enthält.

Das active high pass filter, die in der ersten Stufe vorhanden ist, ermöglicht die Frequenzen, die größer als die sind lower cut-off frequencydes aktiven Bandpassfilters. Also müssen wir die Werte von wählen$R_{B}$ und $C_{B}$ geeignet, um das gewünschte zu erhalten lower cut-off frequency des aktiven Bandpassfilters.

Ebenso die active low pass filter, die in der zweiten Stufe vorhanden ist, ermöglicht die Frequenzen, die kleiner als die höhere Grenzfrequenz des aktiven Bandpassfilters sind. Also müssen wir die Werte von wählen$R_{A}$ und $C_{A}$ geeignet, um das gewünschte zu erhalten higher cut-off frequency des aktiven Bandpassfilters.

Daher erzeugt die Schaltung in dem oben diskutierten Diagramm einen aktiven Bandpassfilterausgang.

Aktiver Bandstoppfilter

Wenn ein aktiver Filter ein bestimmtes Frequenzband ablehnt (blockiert), wird er als bezeichnet active band stop filter. Im Allgemeinen liegt dieses Frequenzband zwischen dem Niederfrequenzbereich und dem Hochfrequenzbereich. Das aktive Bandstoppfilter ermöglicht (durchläuft) sowohl Nieder- als auch Hochfrequenzkomponenten.

Das block diagram eines aktiven Bandstoppfilters ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Beachten Sie, dass das Blockdiagramm eines aktiven Bandstoppfilters in seiner ersten Stufe aus zwei Blöcken besteht: einem aktiven Tiefpassfilter und einem aktiven Hochpassfilter. Die Ausgänge dieser beiden Blöcke werden als Eingänge an den Block angelegt, der in der zweiten Stufe vorhanden ist. Also, diesumming amplifier erzeugt einen Ausgang, der die verstärkte Version der Summe der Ausgänge des aktiven Tiefpassfilters und des aktiven Hochpassfilters ist.

Daher ist die Ausgabe des obigen Blockdiagramms die output of an active band stop , wenn wir die Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters so wählen, dass sie kleiner ist als die Grenzfrequenz eines Hochpassfilters.

Das circuit diagram eines aktiven Bandstoppfilters ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Wir haben bereits die Schaltpläne eines aktiven Tiefpassfilters, eines aktiven Hochpassfilters und eines Summierverstärkers gesehen. Beachten Sie, dass wir die oben genannten habencircuit diagram des aktiven Bandsperrfilters durch Ersetzen der Blöcke durch die jeweiligen Schaltpläne im Blockdiagramm eines aktiven Bandsperrfilters.

Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung, die ein periodisches Signal erzeugt. Wenn der Oszillator sinusförmige Schwingungen erzeugt, wird er als a bezeichnetsinusoidal oscillator. Es wandelt die Eingangsenergie einer Gleichstromquelle in eine Wechselstromausgangsenergie eines periodischen Signals um. Dieses periodische Signal hat eine bestimmte Frequenz und Amplitude.

Das block diagram eines Sinusoszillators ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Die obige Abbildung besteht hauptsächlich aus two blocks: ein Verstärker und ein Rückkopplungsnetzwerk. Das Rückkopplungsnetzwerk nimmt einen Teil des Ausgangs des Verstärkers als Eingang und erzeugt ein Spannungssignal. Dieses Spannungssignal wird als Eingang an den Verstärker angelegt.

Das oben gezeigte Blockdiagramm eines Sinusoszillators erzeugt Sinusschwingungen, wenn das Folgende two conditions sind zufrieden -

  • Das loop gain $A_{v}\beta$ des obigen Blockschaltbildes des Sinusoszillators muss größer oder gleich sein unity. Hier,$A_{v}$ und $\beta$ sind die Verstärkung des Verstärkers bzw. die Verstärkung des Rückkopplungsnetzwerks.

  • Die Summe phase shift um die Schleife des obigen Blockschaltbildes muss entweder ein Sinusoszillator sein 00 oder 3600.

Die obigen zwei Bedingungen zusammen werden als bezeichnet Barkhausen criteria.

Operationsverstärker-basierte Oszillatoren

Es gibt two Arten von Operationsverstärker-basierten Oszillatoren.

  • RC-Phasenverschiebungsoszillator
  • Wiener Brückenoszillator

In diesem Abschnitt werden die einzelnen Elemente ausführlich beschrieben.

RC-Phasenverschiebungsoszillator

Der Oszillator auf Operationsverstärkerbasis, der mit Hilfe eines invertierenden Verstärkers und eines Rückkopplungsnetzwerks am Ausgang ein sinusförmiges Spannungssignal erzeugt, ist als a bekannt RC phase shift oscillator. Dieses Rückkopplungsnetzwerk besteht aus drei kaskadierten RC-Abschnitten.

Das circuit diagram eines RC-Phasenverschiebungsoszillators ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der obigen Schaltung arbeitet der Operationsverstärker in inverting mode. Daher liefert es eine Phasenverschiebung von 180 0 . Das in der obigen Schaltung vorhandene Rückkopplungsnetzwerk liefert auch eine Phasenverschiebung von 180 0 , da jeder RC-Abschnitt eine Phasenverschiebung von 60 0 liefert . Daher liefert die obige Schaltung eine Gesamtphasenverschiebung von 360 0 bei einer bestimmten Frequenz.

  • Das output frequency eines RC-Phasenverschiebungsoszillators ist -

$$f=\frac{1}{2\Pi RC\sqrt[]{6}}$$

  • Das gain $A_{v}$ eines invertierenden Verstärkers sollte größer oder gleich -29 sein,

$$i.e.,-\frac{R_f}{R_1}\geq-29$$

$$=>\frac{R_f}{R_1}\geq-29$$

$$=>R_{f}\geq29R_{1}$$

Wir sollten also den Wert des Rückkopplungswiderstands berücksichtigen $R_{f}$mindestens das 29-fache des Widerstandswerts $R_{1}$, um anhaltende Schwingungen am Ausgang eines RC-Phasenverschiebungsoszillators zu erzeugen.

Wiener Brückenoszillator

Der auf einem Operationsverstärker basierende Oszillator, der am Ausgang mit Hilfe eines nichtinvertierenden Verstärkers und eines Rückkopplungsnetzwerks ein sinusförmiges Spannungssignal erzeugt, ist bekannt als Wien bridge oscillator.

Das circuit diagram eines Wien-Brückenoszillators ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der oben für den Wein-Brückenoszillator gezeigten Schaltung arbeitet der Operationsverstärker in non inverting mode. Daher liefert es eine Phasenverschiebung von 00. Daher sollte das in der obigen Schaltung vorhandene Rückkopplungsnetzwerk keine Phasenverschiebung liefern.

Wenn das Rückkopplungsnetzwerk eine Phasenverschiebung bietet, müssen wir dies tun balance the bridgeso, dass es zu keiner Phasenverschiebung kommt. Die obige Schaltung liefert also eine Gesamtphasenverschiebung von 0 0 bei einer bestimmten Frequenz.

  • Das output frequency des Wiener Brückenoszillators ist

$$f=\frac{1}{2\Pi RC}$$

  • Das gain $A_{v}$ des nichtinvertierenden Verstärkers sollte größer oder gleich 3 sein

$$i.e.,1+\frac{R_f}{R_1}\geq3$$

$$=>\frac{R_f}{R_1}\geq2$$

$$=>R_{f}\geq2R_{1}$$

Wir sollten also den Wert des Rückkopplungswiderstands berücksichtigen $R_{f}$ mindestens doppelt so hoch wie der Widerstandswert, $R_{1}$ um anhaltende Schwingungen am Ausgang des Wiener Brückenoszillators zu erzeugen.

EIN waveform generatorist eine elektronische Schaltung, die eine Standardwelle erzeugt. Es gibt zwei Arten von Wellenformgeneratoren auf Operationsverstärkerbasis:

  • Rechteckwellengenerator
  • Dreieckwellengenerator

In diesem Kapitel wird jeder dieser auf Operationsverstärkern basierenden Wellenformgeneratoren ausführlich beschrieben.

Rechteckwellengenerator

EIN square wave generatorist eine elektronische Schaltung, die Rechteckwellen erzeugt. In diesem Abschnitt werden Rechteckwellengeneratoren auf Operationsverstärkerbasis erläutert.

Das circuit diagram In der folgenden Abbildung ist ein Rechteckwellengenerator auf Operationsverstärkerbasis dargestellt

Beachten Sie, dass im oben gezeigten Schaltplan der Widerstand $R_{1}$ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und seinem Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen. Also der Widerstand$R_{1}$ wird in der verwendet negative feedback. Ebenso der Widerstand$R_{2}$ist zwischen dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und seinem Ausgang angeschlossen. Also der Widerstand$R_{2}$ wird in der verwendet positive feedback Pfad.

Ein Kondensator C ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und Masse geschaltet. Also, dievoltage across capacitor Cist die Eingangsspannung an diesem invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers. Ebenso ein Widerstand$R_{3}$ist zwischen dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und Masse angeschlossen. Also, dievoltage across resistor $R_{3}$ ist die Eingangsspannung an diesem nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers.

Das operation eines Rechteckwellengenerators wird unten erklärt -

  • Angenommen, es gibt no chargezunächst im Kondensator gespeichert. Dann beträgt die am invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anliegende Spannung null Volt. Am nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers liegt jedoch eine gewisse Offset-Spannung an. Aus diesem Grund ist der am Ausgang der obigen Schaltung vorhandene Wert$+V_{sat}$.

  • Nun startet der Kondensator C. charging durch einen Widerstand $R_{1}$. Der am Ausgang der obigen Schaltung vorhandene Wert ändert sich zu$-V_{sat}$, wenn die Spannung am Kondensator C gerade größer als die Spannung (positiver Wert) am Widerstand ist $R_{3}$.

  • Der Kondensator C startet discharging durch einen Widerstand $R_{1}$, wenn der Ausgang der obigen Schaltung ist $-V_{sat}$. Der am Ausgang der obigen Schaltung vorhandene Wert ändert sich zu$+V_{sat}$, wenn die Spannung am Kondensator C gerade weniger als (negativer) die Spannung (negativer Wert) am Widerstand erreicht $R_{3}$.

Somit erzeugt die im obigen Diagramm gezeigte Schaltung a square wave am Ausgang wie in der folgenden Abbildung gezeigt -

Aus der obigen Abbildung können wir ersehen, dass der Ausgang des Rechteckwellengenerators einen der beiden Werte hat: $+V_{sat}$ und $-V_{sat}$. Die Ausgabe bleibt also für eine gewisse Dauer auf einem Wert und wechselt dann zu einem anderen Wert und bleibt dort für eine gewisse Dauer. Auf diese Weise geht es weiter.

Dreieckwellengenerator

Ein Dreieckswellengenerator ist eine elektronische Schaltung, die eine Dreieckswelle erzeugt. Dasblock diagram eines Dreieckwellengenerators ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Das Blockschaltbild eines Dreieckwellengenerators enthält hauptsächlich zwei Blöcke: einen Rechteckwellengenerator und einen Integrator. Diese beiden Blöcke sindcascaded. Das heißt, der Ausgang des Rechteckwellengenerators wird als Eingang des Integrators angelegt. Beachten Sie, dass die Integration einer Rechteckwelle nichts anderes als eine Dreieckswelle ist.

Das circuit diagram eines Dreieckswellengenerators auf Operationsverstärkerbasis ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Wir haben bereits die Schaltpläne eines Rechteckwellengenerators und eines Integrators gesehen. Beachten Sie, dass wir die oben genannten habencircuit diagram eines auf einem Operationsverstärker basierenden Dreieckwellengenerators durch Ersetzen der Blöcke durch die jeweiligen Schaltpläne im Blockdiagramm eines Dreieckwellengenerators.

Das 555 Timer IC erhielt seinen Namen von den drei $5K\Omega$Widerstände, die in seinem Spannungsteilernetzwerk verwendet werden. Dieser IC ist nützlich, um genaue Zeitverzögerungen und Schwingungen zu erzeugen. In diesem Kapitel wird der 555 Timer ausführlich erläutert.

Pin-Diagramm und Funktionsdiagramm

Lassen Sie uns in diesem Abschnitt zunächst das Pin-Diagramm des 555 Timer IC und dann dessen Funktionsdiagramm erläutern.

Pin-Diagramm

Der 555 Timer IC ist ein 8-poliges Mini-Dual-Inline-Paket (DIP). Daspin diagram eines 555 Timer IC ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Die Bedeutung jedes Pins ist aus dem obigen Diagramm selbsterklärend. Dieser 555-Timer-IC kann mit einer Gleichstromversorgung von +5 V bis +18 V betrieben werden. Es ist hauptsächlich zum Generieren nützlichnon-sinusoidal Wellenformen wie Quadrat, Rampe, Puls & etc.

Funktionsdiagramm

Die bildliche Darstellung der internen Details eines 555-Timers wird als Funktionsdiagramm bezeichnet.

Das functional diagram von 555 Timer IC ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Beachten Sie, dass das Funktionsdiagramm des 555-Timers ein Spannungsteilernetzwerk, zwei Komparatoren, ein SR-Flipflop, zwei Transistoren und einen Wechselrichter enthält. In diesem Abschnitt wird der Zweck jedes Blocks oder jeder Komponente ausführlich erläutert.

Spannungsteilernetzwerk

  • Das Spannungsteilernetz besteht aus drei $5K\Omega$ Widerstände, die zwischen der Versorgungsspannung in Reihe geschaltet sind $V_{cc}$ und Boden.

  • Dieses Netzwerk liefert eine Spannung von $\frac{V_{cc} }{3}$ zwischen einem Punkt und einem Boden, wenn es nur einen gibt $5K\Omega$Widerstand. Ebenso liefert es eine Spannung von$\frac{2V_{cc} }{3}$ zwischen einem Punkt und Boden, wenn es nur zwei gibt $5K\Omega$ Widerstände.

Komparator

  • Das Funktionsdiagramm eines 555-Timer-IC besteht aus zwei Komparatoren: einem oberen Komparator (UC) und einem unteren Komparator (LC).

  • Denken Sie daran, dass a comparator vergleicht die beiden darauf angewendeten Eingänge und erzeugt einen Ausgang.

  • Wenn die am nichtinvertierenden Anschluss eines Operationsverstärkers anliegende Spannung größer ist als die an seinem invertierenden Anschluss anliegende Spannung, ist der Ausgang des Komparators $+V_{sat}$. Dies kann als betrachtet werdenLogic High ('1') in digitaler Darstellung.

  • Wenn die am nichtinvertierenden Anschluss des Operationsverstärkers anliegende Spannung kleiner oder gleich der Spannung an seinem invertierenden Anschluss ist, ist der Ausgang des Komparators $-V_{sat}$. Dies kann als betrachtet werdenLogic Low ('0') in digitaler Darstellung.

SR Flip-Flop

  • Denken Sie daran, dass a SR flip-floparbeitet entweder mit positiven Taktübergängen oder negativen Taktübergängen. Es hat zwei Eingänge: S und R und zwei Ausgänge: Q (t) und Q (t) '. Die Ausgänge Q (t) und Q (t) 'ergänzen sich.

  • Die folgende Tabelle zeigt die state table eines SR-Flip-Flops

S. R. Q (t + 1)
0 0 Q (t)
0 1 0
1 0 1
1 1 - -
  • Hier sind Q (t) und Q (t + 1) jeweils der aktuelle Zustand und der nächste Zustand. Daher kann das SR-Flipflop für eine dieser drei Funktionen wie Halten, Zurücksetzen und Setzen basierend auf den Eingangsbedingungen verwendet werden, wenn ein positiver (negativer) Übergang des Taktsignals angelegt wird.

  • Die Ausgänge des unteren Komparators (LC) und des oberen Komparators (UC) werden als angewendet inputs of SR flip-flop wie im Funktionsdiagramm des 555 Timer IC gezeigt.

Transistoren und Wechselrichter

  • Das Funktionsdiagramm eines 555-Timer-IC besteht aus einem npn-Transistor $Q_{1}$ und ein pnp-Transistor $Q_{2}$. Der npn-Transistor$Q_{1}$wird eingeschaltet, wenn die Basis-Emitter-Spannung positiv und größer als die Einschaltspannung ist. Andernfalls wird es ausgeschaltet.

  • Der PNP-Transistor $Q_{2}$ wird verwendet als buffer um den Rücksetzeingang von SR-Flipflop und npn-Transistor zu isolieren $Q_{1}$.

  • Das inverter Das im Funktionsdiagramm eines 555-Timer-IC verwendete IC führt nicht nur die Invertierungsaktion aus, sondern verstärkt auch den Leistungspegel.

Der 555-Timer-IC kann im monostabilen Betrieb verwendet werden, um einen Impuls am Ausgang zu erzeugen. In ähnlicher Weise kann es in einem stabilen Betrieb verwendet werden, um eine Rechteckwelle am Ausgang zu erzeugen.

Phasenregelkreis (PLL)ist einer der wichtigsten Blöcke in linearen Systemen. Es ist nützlich in Kommunikationssystemen wie Radar, Satelliten, FMs usw.

In diesem Kapitel wird das Blockdiagramm von PLL und IC 565 ausführlich erläutert.

Blockdiagramm der PLL

Ein Phase Locked Loop (PLL) besteht hauptsächlich aus Folgendem three blocks - -

  • Phasendetektor
  • Aktiver Tiefpassfilter
  • Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)

Das block diagram von PLL ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Der Ausgang eines Phasendetektors wird als Eingang eines aktiven Tiefpassfilters angelegt. In ähnlicher Weise wird der Ausgang des aktiven Tiefpassfilters als Eingang des VCO angelegt.

Das working einer PLL ist wie folgt -

  • Phase detector erzeugt eine Gleichspannung, die proportional zur Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal mit einer Frequenz von ist $f_{in}$ und Rückkopplungssignal (Ausgangssignal) mit einer Frequenz von $f_{out}$.

  • EIN Phase detector ist ein Multiplikator und erzeugt an seinem Ausgang zwei Frequenzkomponenten - die Summe der Frequenzen $f_{in}$ und $f_{out}$ und Frequenzunterschied $f_{in}$ & $f_{out}$.

  • Ein active low pass filtererzeugt an seinem Ausgang eine Gleichspannung, nachdem die im Ausgang des Phasendetektors vorhandene Hochfrequenzkomponente beseitigt wurde. Es verstärkt auch das Signal.

  • EIN VCOerzeugt ein Signal mit einer bestimmten Frequenz, wenn kein Eingang angelegt wird. Diese Frequenz kann durch Anlegen einer Gleichspannung an beide Seiten verschoben werden. Daher ist die Frequenzabweichung direkt proportional zur Gleichspannung, die am Ausgang eines Tiefpassfilters anliegt.

Die obigen Operationen finden statt, bis die VCO-Frequenz gleich der Eingangssignalfrequenz ist. Abhängig von der Art der Anwendung können wir entweder den Ausgang eines aktiven Tiefpassfilters oder den Ausgang eines VCO verwenden. PLLs werden in vielen verwendetapplications wie FM-Demodulator, Taktgenerator usw.

PLL arbeitet in einem der following three modes - -

  • Freilaufmodus
  • Aufnahmemodus
  • Verriegelter Zustand

Zunächst arbeitet PLL in free running modewenn keine Eingabe darauf angewendet wird. Wenn ein Eingangssignal mit einer bestimmten Frequenz an PLL angelegt wird, beginnt sich die Ausgangssignalfrequenz von VCO zu ändern. Zu diesem Zeitpunkt soll die PLL in dercapture mode. Die Ausgangssignalfrequenz von VCO ändert sich kontinuierlich, bis sie der Eingangssignalfrequenz entspricht. Nun heißt es, PLL sei in derlock mode.

IC 565

Der IC 565 ist der am häufigsten verwendete IC mit Phasenregelkreis. Es handelt sich um ein 14-poliges Dual-Inline-Paket (DIP). Daspin diagram des IC 565 ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Der Zweck jedes Pins ist aus dem obigen Diagramm selbsterklärend. Von 14 Pins werden nur 10 Pins (Pin Nr. 1 bis 10) für den Betrieb von PLL verwendet. Die verbleibenden 4 Pins (Pin 11 bis 14) sind also mit NC (No Connection) gekennzeichnet.

Das VCOerzeugt einen Ausgang an Pin Nummer 4 des IC 565, wenn die Pin-Nummern 2 und 3 geerdet sind. Mathematisch können wir die Ausgangsfrequenz schreiben,$f_{out}$ des VCO als.

$$f_{out}=\frac{0.25}{R_VC_V}$$

wo,

$R_{V}$ ist der externe Widerstand, der an Pin 8 angeschlossen ist

$C_{V}$ ist der externe Kondensator, der an Pin 9 angeschlossen ist

  • Durch Auswahl der richtigen Werte von $R_{V}$ und $C_{V}$können wir die Ausgangsfrequenz festlegen (bestimmen), $f_{out}$ von VCO.

  • Pin numbers 4 and 5sind mit einem externen Draht kurzzuschließen, damit der Ausgang von VCO als einer der Eingänge des Phasendetektors angelegt werden kann.

  • Der IC 565 hat einen Innenwiderstand von $3.6K\Omega$. Ein Kondensator C muss zwischen Pin Nr. 7 und 10 geschaltet werden, um a herzustellenlow pass filter mit diesem Innenwiderstand.

Beachten Sie, dass wir die Pins des IC 565 gemäß den Anforderungen ordnungsgemäß konfigurieren müssen.

Die Funktion von a voltage regulatorist es, eine konstante Gleichspannung am Ausgang aufrechtzuerhalten, unabhängig von Spannungsschwankungen am Eingang und (oder) Schwankungen des Laststroms. Mit anderen Worten erzeugt der Spannungsregler eine geregelte DC-Ausgangsspannung.

Spannungsregler sind auch in IC-Form (Integrated Circuits) erhältlich. Diese werden als bezeichnetvoltage regulator ICs.

Arten von Spannungsreglern

Es gibt two types von Spannungsreglern -

  • Festspannungsregler
  • Einstellbarer Spannungsregler

In diesem Kapitel werden diese beiden Arten von Spannungsreglern nacheinander erläutert.

Festspannungsregler

EIN fixed voltage regulatorerzeugt eine feste DC-Ausgangsspannung, die entweder positiv oder negativ ist. Mit anderen Worten, einige Festspannungsregler erzeugen positive feste Gleichspannungswerte, während andere negative feste Gleichspannungswerte erzeugen.

78xx Spannungsregler-ICs erzeugen positive feste Gleichspannungswerte, während 79xx-Spannungsregler-ICs negative feste Gleichspannungswerte erzeugen.

Die folgenden Punkte sind bei der Arbeit mit zu beachten 78xx und 79xx Spannungsregler-ICs -

  • "Xx" entspricht einer zweistelligen Zahl und repräsentiert die Menge (Größe) der Spannung, die der Spannungsregler-IC erzeugt.

  • Sowohl 78xx- als auch 79xx-Spannungsregler-ICs haben 3 pins Jeder und der dritte Pin wird zum Sammeln der Ausgabe von ihnen verwendet.

  • Der Zweck des ersten und zweiten Pins dieser beiden Arten von ICs ist unterschiedlich -

    • Der erste und zweite Stift von 78xx Spannungsregler-ICs werden zum Verbinden des Eingangs bzw. der Masse verwendet.

    • Der erste und zweite Stift von 79xx Spannungsregler-ICs werden zum Verbinden von Masse bzw. Eingang verwendet.

Beispiele

  • Der Spannungsregler-IC 7805 erzeugt eine Gleichspannung von +5 Volt.
  • Der Spannungsregler-IC 7905 erzeugt eine Gleichspannung von -5 Volt.

Die folgende Abbildung zeigt, wie ein fixed positive voltage am Ausgang durch Verwendung eines festen positiven Spannungsreglers mit notwendigen Anschlüssen.

In der obigen Figur, die einen festen positiven Spannungsregler zeigt, wird der Eingangskondensator C i verwendet, um unerwünschte Schwingungen zu verhindern, und der Ausgangskondensator C 0 wirkt als Leitungsfilter, um das Einschwingverhalten zu verbessern.

Note - ein bekommen ein fixed negative voltage am Ausgang durch Verwendung eines festen negativen Spannungsreglers mit geeigneten Anschlüssen.

Einstellbarer Spannungsregler

Ein einstellbarer Spannungsregler erzeugt eine DC-Ausgangsspannung, die auf jeden anderen Wert eines bestimmten Spannungsbereichs eingestellt werden kann. Daher wird ein einstellbarer Spannungsregler auch als bezeichnetvariable voltage regulator.

Der DC-Ausgangsspannungswert eines einstellbaren Spannungsreglers kann entweder positiv oder negativ sein.

Spannungsregler-IC LM317

LM317 Der Spannungsregler-IC kann verwendet werden, um einen gewünschten positiven festen Gleichspannungswert des verfügbaren Spannungsbereichs zu erzeugen.

Der Spannungsregler-IC LM317 hat 3 Pins. Der erste Pin dient zum Einstellen der Ausgangsspannung, der zweite Pin zum Sammeln des Ausgangs und der dritte Pin zum Anschließen des Eingangs.

Der einstellbare Pin (Anschluss) ist mit einem variablen Widerstand versehen, mit dem der Ausgang in einem weiten Bereich variieren kann.

Die obige Abbildung zeigt eine ungeregelte Stromversorgung, die einen üblicherweise verwendeten Spannungsregler-IC LM 317 ansteuert. Dieser IC kann einen Laststrom von 1,5 A über einen einstellbaren Ausgangsbereich von 1,25 V bis 37 V liefern.

Alle realen Größen sind analoger Natur. Wir können diese Größen elektrisch als analoge Signale darstellen. Einanalog signal ist ein zeitvariables Signal, das für einen bestimmten Zeitschlitz eine beliebige Anzahl von Werten (Variationen) aufweist.

Im Gegensatz dazu a digital signal variiert plötzlich von einer Ebene zur anderen und hat nur eine begrenzte Anzahl von Werten (Variationen) für einen bestimmten Zeitschlitz.

In diesem Kapitel werden die Arten von Datenkonvertern und ihre Spezifikationen erläutert.

Arten von Datenkonvertern

Die elektronischen Schaltungen, die mit analogen Signalen betrieben werden können, werden als analoge Schaltungen bezeichnet. Ebenso werden die elektronischen Schaltungen, die mit digitalen Signalen betrieben werden können, als digitale Schaltungen bezeichnet. Ein Datenkonverter ist eine elektronische Schaltung, die Daten einer Form in eine andere konvertiert.

Es gibt zwei types of data converters - -

  • Analog-Digital-Wandler
  • Digital-Analog-Wandler

Wenn wir den Ausgang einer analogen Schaltung als Eingang einer digitalen Schaltung verbinden wollen, müssen wir eine Schnittstellenschaltung zwischen ihnen platzieren. Diese Schnittstellenschaltung, die das analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt, wird als bezeichnetAnalog to Digital Converter.

Wenn wir den Ausgang einer digitalen Schaltung als Eingang einer analogen Schaltung verbinden möchten, müssen wir ebenfalls eine Schnittstellenschaltung zwischen ihnen platzieren. Diese Schnittstellenschaltung, die das digitale Signal in ein analoges Signal umwandelt, wird als bezeichnetDigital to Analog Converter.

Beachten Sie, dass einige Analog-Digital-Wandler möglicherweise einen Digital-Analog-Wandler als internen Block für ihren Betrieb benötigen.

Spezifikationen

Das Folgende sind die specifications die sich auf Datenkonvertierungen beziehen -

  • Resolution
  • Umwandlungszeit

Auflösung

Auflösung ist die minimum amount of changewird in einer analogen Eingangsspannung benötigt, damit sie im binären (digitalen) Ausgang dargestellt wird. Dies hängt von der Anzahl der Bits ab, die im digitalen Ausgang verwendet werden.

Mathematically, Auflösung kann dargestellt werden als

$$Resolution=\frac{1}{2^{N}}$$

Dabei ist 'N' die Anzahl der Bits, die im digitalen Ausgang vorhanden sind.

Aus der obigen Formel können wir beobachten, dass es eine gibt inverse relationshipzwischen der Auflösung und der Anzahl der Bits. Daher nimmt die Auflösung mit zunehmender Anzahl von Bits ab und umgekehrt.

Resolution kann auch als das Verhältnis der maximalen analogen Eingangsspannung, die binär dargestellt werden kann, und der äquivalenten Binärzahl definiert werden.

Mathematically, Auflösung kann dargestellt werden als

$$Resolution=\frac{V_{FS}}{2^{N}-1}$$

wo,

$V_{FS}$ ist die vollständige Eingangsspannung oder die maximale analoge Eingangsspannung,

'N' ist die Anzahl der Bits, die im digitalen Ausgang vorhanden sind.

Umwandlungszeit

Die Zeit, die ein Datenkonverter benötigt, um die Daten (Informationen) eines Formulars in seine entsprechenden Daten in einem anderen Formular umzuwandeln, wird als bezeichnet conversion time. Da wir zwei Arten von Datenkonvertern haben, gibt es zwei Arten von Konvertierungszeiten:

  • Analog-Digital-Konvertierungszeit
  • Konvertierungszeit von Digital zu Analog

Die Zeit, die ein Analog-Digital-Wandler (ADC) benötigt, um die analoge Eingangsspannung in ihren äquivalenten binären (digitalen) Ausgang umzuwandeln, wird als bezeichnet Analog to Digital conversion time. Dies hängt von der Anzahl der Bits ab, die im digitalen Ausgang verwendet werden.

Die Zeit, die ein Digital-Analog-Wandler (DAC) benötigt, um den binären (digitalen) Eingang in seine äquivalente analoge Ausgangsspannung umzuwandeln, wird als bezeichnet Digital to Analog conversion time. Dies hängt von der Anzahl der Bits ab, die im binären (digitalen) Eingang vorhanden sind.

EIN Digital to Analog Converter (DAC)wandelt ein digitales Eingangssignal in ein analoges Ausgangssignal um. Das digitale Signal wird mit einem Binärcode dargestellt, der eine Kombination der Bits 0 und 1 darstellt. In diesem Kapitel werden Digital-Analog-Wandler ausführlich behandelt.

Das block diagram von DAC ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) besteht aus mehreren Binäreingängen und einem einzelnen Ausgang. Im Allgemeinen ist dienumber of binary inputs eines DAC wird eine Zweierpotenz sein.

Arten von DACs

Es gibt two types von DACs

  • Gewichteter Widerstand DAC
  • R-2R Leiter DAC

In diesem Abschnitt werden diese beiden Arten von DACs ausführlich erläutert.

Gewichteter Widerstand DAC

Ein gewichteter Widerstands-DAC erzeugt einen analogen Ausgang, der durch Verwendung fast dem digitalen (binären) Eingang entspricht binary weighted resistorsin der invertierenden Addiererschaltung. Kurz gesagt wird ein binär gewichteter Widerstands-DAC als gewichteter Widerstands-DAC bezeichnet.

Das circuit diagram eines binär gewichteten 3-Bit-Widerstands-DAC ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Denken Sie daran, dass die Bits einer Binärzahl nur einen der beiden Werte haben können. dh entweder 0 oder 1. Lassen Sie die3-bit binary input ist $b_{2}b_{1}b_{0}$. Hier die Bits$b_{2}$ und $b_{0}$ bezeichnen die Most Significant Bit (MSB) and Least Significant Bit (LSB) beziehungsweise.

Das digital switchesDie in der obigen Abbildung gezeigte Verbindung wird mit Masse verbunden, wenn die entsprechenden Eingangsbits gleich '0' sind. In ähnlicher Weise werden die in der obigen Abbildung gezeigten digitalen Schalter an die negative Referenzspannung angeschlossen.$-V_{R}$ wenn die entsprechenden Eingangsbits gleich '1' sind.

In der obigen Schaltung ist der nichtinvertierende Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers mit Masse verbunden. Das bedeutet, dass am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers Null Volt angelegt werden.

Laut dem virtual short conceptDie Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist dieselbe wie die Spannung an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss. Die Spannung am Knoten des invertierenden Eingangsanschlusses beträgt also null Volt.

Das nodal equation Am Knoten des invertierenden Eingangsterminals befindet sich:

$$\frac{0+V_{R}b_{2}}{2^{0}R}+\frac{0+V_{R}b_{1}}{2^{1}R}+\frac{0+V_{R}b_{0}}{2^{2}R}+\frac{0-V_{0}}{R_{f}}=0$$

$$=>\frac{V_{0}}{R_{f}}=\frac{V_{R}b_{2}}{2^{0}R}+\frac{V_{R}b_{1}}{2^{1}R}+\frac{V_{R}b_{0}}{2^{2}R}$$

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}R_{f}}{R}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

Ersetzen, $R=2R_{f}$ in der obigen Gleichung.

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}R_{f}}{2R_{f}}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}}{2}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

Die obige Gleichung repräsentiert die output voltage equationeines binär gewichteten 3-Bit-Widerstands-DAC. Da die Anzahl der Bits im binären (digitalen) Eingang drei beträgt, erhalten wir sieben mögliche Werte der Ausgangsspannung, indem wir den binären Eingang für eine feste Referenzspannung von 000 bis 111 variieren.$V_{R}$.

Wir können das schreiben generalized output voltage equation eines binär gewichteten N-Bit-Widerstands-DAC, wie nachstehend gezeigt, basierend auf der Ausgangsspannungsgleichung eines binär gewichteten 3-Bit-Widerstands-DAC.

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}}{2}\left \{ \frac{b_{N-1}}{2^{0}}+ \frac{b_{N-2}}{2^{1}}+....+\frac{b_{0}}{2^{N-1}} \right \}$$

Das disadvantages eines binär gewichteten Widerstands DAC sind wie folgt -

  • Die Differenz zwischen den Widerstandswerten, die LSB und MSB entsprechen, nimmt mit zunehmender Anzahl der im Digitaleingang vorhandenen Bits zu.

  • Es ist schwierig, genauere Widerstände zu entwerfen, wenn die Anzahl der im Digitaleingang vorhandenen Bits zunimmt.

R-2R Leiter DAC

Der R-2R-Leiter-DAC überwindet die Nachteile eines binär gewichteten Widerstands-DAC. Wie der Name schon sagt, erzeugt der R-2R Ladder DAC mit a einen analogen Ausgang, der fast dem digitalen (binären) Eingang entsprichtR-2R ladder network in der invertierenden Addiererschaltung.

Dascircuit diagrameines 3-Bit-R-2R-Kontaktplan-DAC ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Denken Sie daran, dass die Bits einer Binärzahl nur einen der beiden Werte haben können. dh entweder 0 oder 1. Lassen Sie die3-bit binary input ist $b_{2}b_{1}b_{0}$. Hier die Bits$b_{2}$ und $b_{0}$ bezeichnen das höchstwertige Bit (MSB) bzw. das niedrigstwertige Bit (LSB).

Die in der obigen Abbildung gezeigten digitalen Schalter werden mit Masse verbunden, wenn die entsprechenden Eingangsbits gleich '0' sind. In ähnlicher Weise werden die in der obigen Abbildung gezeigten digitalen Schalter an die negative Referenzspannung angeschlossen.$-V_{R}$ wenn die entsprechenden Eingangsbits gleich '1' sind.

Es ist schwierig, die verallgemeinerte Ausgangsspannungsgleichung eines R-2R-Leiter-DAC zu erhalten. Die analogen Ausgangsspannungswerte des R-2R-Kontaktplan-DAC für einzelne binäre Eingangskombinationen können wir jedoch leicht finden.

Das advantages eines R-2R Ladder DAC sind wie folgt:

  • Der R-2R-Leiter-DAC enthält nur zwei Widerstandswerte: R und 2R. So ist es einfach, genauere Widerstände auszuwählen und zu entwerfen.

  • Wenn mehr Anzahl von Bits im Digitaleingang vorhanden ist, müssen wir zusätzlich die erforderliche Anzahl von R-2R-Abschnitten einbeziehen.

Aufgrund der obigen Vorteile ist der R-2R-Leiter-DAC dem binär gewichteten Widerstands-DAC vorzuziehen.

Im vorherigen Kapitel haben wir die beiden Arten von DACs erörtert. In diesem Kapitel wird ein Beispielproblem erläutert, das auf dem R-2R-Leiter-DAC basiert.

Beispiel

Lassen Sie uns den Wert der analogen Ausgangsspannung des R-2R-Kontaktplan-DAC für einen Binäreingang ermitteln. $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100.

Schaltplan und seine Vereinfachung

Das circuit diagram eines 3-Bit-R-2R-Kontaktplan-DAC bei Binäreingang, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100, die darauf angewendet werden, sind in der folgenden Abbildung dargestellt -

In der obigen Schaltung gibt es links von links Reihen- und Parallelkombinationen von Widerständen point Ain Bezug auf den Boden. Wir können also das gesamte Widerstandsnetzwerk durch einen einzelnen Widerstand mit einem Widerstand von ersetzen$2R\Omega$.

Das simplified circuit diagram wird in der folgenden Abbildung gezeigt -

Wir können den Teil des Netzwerks, der links von Punkt B in Bezug auf Masse angeschlossen ist, durch die Verwendung eines Thevenin-Ersatzschaltbilds ersetzen. Dasmodified circuit diagram wird in der folgenden Abbildung gezeigt -

In der obigen Schaltung existiert eine Reihenkombination von zwei Widerständen. Ersetzen Sie diese Kombination durch einen einzelnen Widerstand. Das endgültigecircuit diagram nach der Vereinfachung ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Der obige Schaltplan sieht nun wie ein aus inverting amplifier. Es hat eine Eingangsspannung von$-\frac{V_{R}}{2}$ Volt, Eingangswiderstand von $2R\Omega$ und Rückkopplungswiderstand von $2R\Omega$.

Das output voltage der oben gezeigten Schaltung wird -

$$V_{0}=-\frac{2R}{2R}\left(-\frac{V_{R}}{2}\right)$$

$$V_{0}=\frac{V_{R}}{2}$$

deshalb, die output voltage des 3-Bit R-2R Ladder DAC ist $\frac{V_{R}}{2}$ Volt für einen Binäreingang, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100.

Ein Analog-Digital-Wandler (ADC)wandelt ein analoges Signal in ein digitales Signal um. Das digitale Signal wird mit einem Binärcode dargestellt, der eine Kombination der Bits 0 und 1 ist.

Das block diagram eines ADC ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Beachten Sie, dass in der Abbildung oben ein Analog-Digital-Wandler dargestellt ist (ADC)besteht aus einem einzelnen Analogeingang und vielen Binärausgängen. Im Allgemeinen beträgt die Anzahl der Binärausgänge des ADC eine Zweierpotenz.

Es gibt two typesvon ADCs: ADCs vom direkten Typ und ADC vom indirekten Typ. In diesem Kapitel werden die ADCs vom Typ Direct ausführlich beschrieben.

Wenn der ADC die Analog-Digital-Wandlung direkt durch Verwendung des intern erzeugten äquivalenten digitalen (Binär-) Codes zum Vergleich mit dem analogen Eingang durchführt, wird dies als bezeichnet Direct type ADC.

Das Folgende sind die examples von ADCs vom direkten Typ -

  • Zählertyp ADC
  • ADC mit sukzessiver Approximation
  • Flash-Typ ADC

In diesem Abschnitt werden diese ADCs vom Typ Direct ausführlich beschrieben.

Zählertyp ADC

EIN counter type ADC erzeugt einen digitalen Ausgang, der ungefähr dem analogen Eingang entspricht, indem der Zählerbetrieb intern verwendet wird.

Das block diagram eines Zählertyps ADC ist in der folgenden Abbildung dargestellt -

Der Zählertyp ADC besteht hauptsächlich aus 5 Blöcken: Taktsignalgenerator, Zähler, DAC, Komparator und Steuerlogik.

Das working eines Zählertyp-ADC ist wie folgt -

  • Das control logic setzt den Zähler zurück und aktiviert den Taktsignalgenerator, um die Taktimpulse an den Zähler zu senden, wenn er das Startbefehlssignal empfangen hat.

  • Das counterwird für jeden Takt um eins erhöht und sein Wert wird im binären (digitalen) Format vorliegen. Dieser Ausgang des Zählers wird als Eingang des DAC angelegt.

  • DACwandelt den empfangenen binären (digitalen) Eingang, der der Ausgang des Zählers ist, in einen analogen Ausgang um. Der Komparator vergleicht diesen Analogwert.$V_{a}$ mit dem externen analogen Eingangswert $V_{i}$.

  • Das output of comparator wird sein ‘1’solange größer ist als. Die in den beiden obigen Schritten erwähnten Operationen werden fortgesetzt, solange die Steuerlogik '1' vom Ausgang des Komparators empfängt.

  • Das output of comparator wird sein ‘0’ wann $V_{i}$ ist kleiner oder gleich $V_{a}$. Die Steuerlogik empfängt also '0' vom Ausgang des Komparators. Dann deaktiviert die Steuerlogik den Taktsignalgenerator, so dass er keinen Taktimpuls an den Zähler sendet.

  • In diesem Moment wird die Ausgabe des Zählers als angezeigt digital output. Es entspricht fast dem entsprechenden externen Analogeingangswert$V_{i}$.

ADC mit sukzessiver Approximation

EIN successive approximation type ADC erzeugt einen digitalen Ausgang, der ungefähr dem analogen Eingang entspricht, indem intern eine sukzessive Approximationstechnik verwendet wird.

Das block diagram Ein ADC mit sukzessiver Approximation ist in der folgenden Abbildung dargestellt

Der sukzessive Approximations-ADC besteht hauptsächlich aus 5 Blöcken - Taktsignalgenerator, sukzessives Approximationsregister (SAR), DAC, Komparator und Steuerlogik.

Das working eines ADC mit sukzessiver Approximation ist wie folgt:

  • Das control logic Setzt alle Bits von SAR zurück und aktiviert den Taktsignalgenerator, um die Taktimpulse an SAR zu senden, wenn er das Startbefehlssignal empfangen hat.

  • Die binären (digitalen) Daten in SARwird für jeden Taktimpuls basierend auf dem Ausgang des Komparators aktualisiert. Die Ausgabe von SAR wird als Eingabe von DAC angewendet.

  • DAC wandelt den empfangenen digitalen Eingang, der der Ausgang von SAR ist, in einen analogen Ausgang um. Der Komparator vergleicht diesen Analogwert$V_{a}$ mit dem externen analogen Eingangswert $V_{i}$.

  • Das output of a comparator wird '1' sein, solange $V_{i}$ ist größer als $V_{a}$. In ähnlicher Weise ist die Ausgabe des Komparators '0', wenn$V_{i}$ ist kleiner oder gleich $V_{a}$.

  • Die in den obigen Schritten genannten Vorgänge werden fortgesetzt, bis der digitale Ausgang gültig ist.

Der digitale Ausgang ist gültig, wenn er fast dem entsprechenden externen analogen Eingangswert entspricht $V_{i}$.

Flash-Typ ADC

EIN flash type ADCerzeugt in kürzester Zeit einen äquivalenten digitalen Ausgang für einen entsprechenden analogen Eingang. Daher ist der Flash-ADC der schnellste ADC.

Das circuit diagram eines 3-Bit-Flash-ADC ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Der 3-Bit-Flash-ADC besteht aus einem Spannungsteilernetzwerk, 7 Komparatoren und einem Prioritätscodierer.

Das working eines 3-Bit-Flash-ADC ist wie folgt.

  • Das voltage divider networkenthält 8 gleiche Widerstände. Eine Referenzspannung$V_{R}$wird über das gesamte Netzwerk in Bezug auf den Boden angewendet. Der Spannungsabfall an jedem Widerstand von unten nach oben in Bezug auf Masse beträgt die ganzzahligen Vielfachen (von 1 bis 8) von$\frac{V_{R}}{8}$.

  • Das Äußere input voltage $V_{i}$wird an den nicht invertierenden Anschluss aller Komparatoren angelegt. Der Spannungsabfall an jedem Widerstand von unten nach oben in Bezug auf Masse wird von unten nach oben an den invertierenden Anschluss der Komparatoren angelegt.

  • Alle Komparatoren vergleichen jeweils die externe Eingangsspannung mit den Spannungsabfällen am jeweiligen anderen Eingangsanschluss. Das heißt, die Vergleichsoperationen finden von jedem Komparator stattparallelly.

  • Das output of the comparator wird '1' sein, solange $V_{i}$ist größer als der am jeweiligen anderen Eingangsanschluss anliegende Spannungsabfall. In ähnlicher Weise ist die Ausgabe des Komparators '0', wenn,$V_{i}$ ist kleiner oder gleich dem Spannungsabfall am jeweiligen anderen Eingangsanschluss.

  • Alle Ausgänge der Komparatoren sind als Eingänge von verbunden priority encoderDieser Prioritätscodierer erzeugt einen Binärcode (digitaler Ausgang), der dem Eingang mit hoher Priorität entspricht, der '1' hat.

  • Daher ist der Ausgang des Prioritätscodierers nichts anderes als das binäre Äquivalent (digital output) der externen analogen Eingangsspannung, $V_{i}$.

Der Flash-ADC wird in Anwendungen verwendet, in denen die Umwandlungsgeschwindigkeit des analogen Eingangs in digitale Daten sehr hoch sein sollte.

Im vorherigen Kapitel haben wir uns mit einem ADC und den Beispielen eines ADC vom Typ Direct befasst. In diesem Kapitel wird der ADC vom indirekten Typ erläutert.

Wenn ein ADC die Analog-Digital-Wandlung durch ein indirektes Verfahren durchführt, wird er als bezeichnet Indirect type ADC. Im Allgemeinen wandelt es zuerst den analogen Eingang in eine lineare Funktion der Zeit (oder Frequenz) um und erzeugt dann den digitalen (binären) Ausgang.

Dual Slope ADC ist das Beste exampleeines ADC vom indirekten Typ. In diesem Kapitel wird ausführlich darauf eingegangen.

Dual Slope ADC

Wie der Name schon sagt, a dual slope ADC erzeugt einen äquivalenten digitalen Ausgang für einen entsprechenden analogen Eingang unter Verwendung der Zwei- (Doppel-) Steigungstechnik.

Das block diagram eines ADC mit doppelter Steigung ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Der ADC mit doppelter Steigung besteht hauptsächlich aus 5 Blöcken: Integrator, Komparator, Taktsignalgenerator, Steuerlogik und Zähler.

Das working eines ADC mit doppelter Steigung ist wie folgt:

  • Das control logic setzt den Zähler zurück und aktiviert den Taktsignalgenerator, um die Taktimpulse an den Zähler zu senden, wenn das Startbefehlssignal empfangen wird.

  • Steuerlogik drückt den Schalter sw mit dem verbinden external analog input voltage $V_{i}$, wenn es empfangen wird, das Startbefehlssignal. Diese Eingangsspannung wird an einen Integrator angelegt.

  • Die Ausgabe der integrator ist mit einem der beiden Eingänge des Komparators verbunden und der andere Eingang des Komparators ist mit Masse verbunden.

  • Comparator vergleicht den Ausgang des Integrators mit Null Volt (Masse) und erzeugt einen Ausgang, der an die Steuerlogik angelegt wird.

  • Das counterwird für jeden Takt um eins erhöht und sein Wert wird im binären (digitalen) Format vorliegen. Es erzeugt ein Überlaufsignal an die Steuerlogik, wenn es nach Erreichen des maximalen Zählwerts inkrementiert wird. Zu diesem Zeitpunkt haben alle Zählerbits nur Nullen.

  • Jetzt drückt die Steuerlogik den Schalter sw mit dem verbinden negative reference Stromspannung $-V_{ref}$. Diese negative Referenzspannung wird an einen Integrator angelegt. Es entfernt die im Kondensator gespeicherte Ladung, bis sie Null wird.

  • Zu diesem Zeitpunkt haben beide Eingänge eines Komparators Null Volt. Der Komparator sendet also ein Signal an die Steuerlogik. Jetzt deaktiviert die Steuerlogik den Taktsignalgenerator und behält (hält) den Zählerwert bei. Dascounter value ist proportional zur externen analogen Eingangsspannung.

  • In diesem Moment wird die Ausgabe des Zählers als angezeigt digital output. Es entspricht fast dem entsprechenden externen Analogeingangswert$V_{i}$.

Der ADC mit doppelter Steigung wird in den Anwendungen verwendet, in denen accuracy ist wichtiger, wenn analoge Eingänge in äquivalente digitale (binäre) Daten umgewandelt werden.