En cool Op-Amp demonstration: differentiell ljusmätare (10 / 12 steg)

Steg 10: Lägga till en kondensator för att göra en förbättrad Transimpedance förstärkare

Instruktioner:
1) använda en kondensator (1/2pi) / RC = 1 kHz. När det gäller våra 100kOhm motstånd, 1,5 nF fungerar bra.
2) bifoga kondensatorn parallellt med motståndet som visas i bilden.
3) titta på signalen på oscilloskopet. Signalen ska se mycket renare än det gjorde innan.

Varför fungerar detta?

Jag kommer inte att gå in (bokstavligen) "komplexa" matematiska förklaringen till denna krets, men här är en intuitiv förklaring:

Du kan räkna ut (frekvens beroende) beteendet hos transimpedance förstärkaren genom att (igen) tillämpa gyllene regler, och noterar att skillnaden mellan regelbundna transimpedance förstärkaren och den förbättrade är att i den nya förstärkaren, i(t) har "choice" för att gå igenom motståndet eller kondensatorn.

Nu hindrar ett motstånd signaler genom exakt samma belopp, oavsett vad den signal frekvens är. En kondensator, å andra sidan, verkligen hindrar lågfrekventa signaler, och verkligen hindrar inte högfrekventa signaler. I själva verket kommer att en kondensator agera som en (nästan) oändligt motstånd att rikta strömmen och som en vanlig gammal tråd till super högfrekventa signaler.

Så tänk att du var en DC signal reser från op förstärkaren utdata till en fotodiod. Skulle du välja att gå genom oändligt resistiv kondensatorn eller via ändligt resistiv motståndet? Jag skulle välja att gå igenom motståndet också. Så för DC signaler, beteendet av förbättrad amp är exakt samma som beteendet av regelbundna amp. Ingen av nuvarande passerar genom kondensatorn, och dess nästan som det var inte det alls.

Tänk dig nu att du var en mycket hög frekvens AC signal kommer från op förstärkaren utdata till en fotodiod. Du träffar samma hindret som DC signal gjorde. Men till er, kondensatorn ser ut som en tråd med nära noll motstånd! Så du glatt dansa ner kabeln, grund av dess låga impedansen, förlorar du mycket lite energi så och så du tappar mycket lite spänning så. Men här är kruxet: eftersom du inte förlorar mycket energi som går genom kondensatorn, del-av Vout på din frekvens måste vara på nästan samma spänning som V-. Det vill säga, är Vout vid höga frekvenser ungefär lika med V-, vilket är lika med 0 eftersom det är en flytande marken!

Som du kanske tror, för mellanliggande frekvenser, en komponent ju högre frekvens, bidrar desto mindre den nu till Vout. Således, lågpassfilter har lyckats i sitt uppdrag att låta lågfrekventa signaler "passera" och blockera högre frekvens signaler.

Om du vill, kan du läsa den Wikipediaartikeln om lågpass filtren, google, eller rådfråga en lärobok som Horowitz och backen för en mer teknisk (och matematiskt exakt) diskussion hur lågt passera filter arbete.

Det visar sig att det finns vad som kallas en 3dB cutoff frekvens, där bidrag på det frekvensen till Vout minskas av filtret med en faktor 1 / (kvadrat, kvadratrot 2). Denna frekvens ges av f = (1/2pi) w = (1/2pi) / RC. Vi ville f = 1kHz, så vi använde en 1,5 nF kondensator som förgyller våra 100kOhm motstånd.