6. تصميم الدوائر المرجع أمبير

تصميم الدوائر المرجع أمبير

بمجرد إعطاء تكوين نظام op-amp ، يمكننا ذلك تحليل هذا النظام لتحديد الإخراج من حيث المدخلات. نقوم بإجراء هذا التحليل باستخدام الإجراء الذي تمت مناقشته مسبقًا (في هذا الفصل).

إذا كنت ترغب الآن في صمم المشكلة التي تجمع بين المدخلات المقلوبة وغير المقلوبة ، المشكلة أكثر تعقيدًا. في مشكلة التصميم ، يتم إعطاء معادلة خطية مرغوبة ، ويجب تصميم دائرة المرجع أمبير. يمكن التعبير عن المخرجات المطلوبة من مضخم التشغيل التشغيلي في شكل مجموعة خطية من المدخلات ،

30

أين X1, X2 ...Xn هي المكاسب المرجوة في المدخلات غير المقلوبة و Ya, Yb ...Ym هي المكاسب المرجوة في مدخلات عكس. يتم تنفيذ المعادلة (30) مع دائرة الشكل (14).

مضخم تشغيلي مثالي ، تصميم الدوائر الأمبيرية

الرقم 14- الصيف مدخلات متعددة

هذه الدائرة هي نسخة معدلة قليلا من دائرة الشكل (13) (المدخلات العكسية وغير المقلوبة).

مضخم تشغيلي مثالي ، مضخم تشغيلي

الشكل 13- المدخلات المقلوبة وغير المقلوبة

التغيير الوحيد الذي قمنا به هو تضمين مقاومات بين مدخلات المرجع أمبير والأرض. يمكن أن ينظر إلى الأرض كمدخل إضافي من صفر فولت متصلة من خلال المقاوم المطابق (Ry لعكس المدخلات و Rx للمدخلات غير مقلوب). تمنحك إضافة هذه المقاومات مرونة في تلبية أي متطلبات تتجاوز متطلبات المعادلة (30). على سبيل المثال ، قد يتم تحديد مقاومة المدخلات. يمكن إزالة كل من هذه المقاومات الإضافية أو كليهما عن طريق السماح لقيمها بالوصول إلى ما لا نهاية.

المعادلة (29) من القسم السابق توضح أن قيم المقاومات ، Ra, Rb، ...Rm و R1, R2، ...Rn تتناسب عكسيا مع المكاسب المطلوبة المرتبطة الفولتية المدخلات المعنية. بمعنى آخر ، إذا كانت هناك حاجة إلى مكسب كبير في محطة إدخال معينة ، فإن المقاومة في تلك المحطة تكون صغيرة.

عندما كسب حلقة مفتوحة من مكبر للصوت التشغيلي ، G، كبير ، يمكن كتابة الجهد الناتج من حيث المقاومات المتصلة مكبر للصوت التشغيلي كما في المعادلة (29). المعادلة (31) تكرر هذا التعبير مع تبسيط بسيط وإضافة مقاومات إلى الأرض.

31

نحدد مقاومتين مكافئتين على النحو التالي:

32

تطبيق

قم بتحليل الدائرة التالية باستخدام TINACloud لتحديد V.خارج من حيث الفولتية المدخلات من خلال النقر على الرابط أدناه.

محاكاة متعددة المدخلات الصيفية من قبل TINACloud

محاكاة متعددة المدخلات الصيفية من قبل TINACloud

محاكاة متعددة المدخلات الصيفية من قبل TINACloud

نحن نرى أن الجهد الناتج هو مزيج خطي من المدخلات حيث يتم تقسيم كل إدخال على المقاومة المرتبطة به وضربه في مقاومة أخرى. المقاومة المضاعفة هي RF لعكس المدخلات و Req للمدخلات غير قلب.

عدد المجهولين في هذه المشكلة هو ن + م +3 (أي قيم المقاوم غير معروفة). لذلك نحن بحاجة لتطوير ن + م +معادلات 3 من أجل حل لهذه المجهولة. يمكننا صياغة ن + م من هذه المعادلات عن طريق مطابقة معاملات معينة في المعادلة (30). أي أننا ببساطة نطور نظام المعادلات من المعادلات (30) و (31) و (32) على النحو التالي:

33

نظرًا لأن لدينا ثلاثة مجهولين آخرين ، لدينا المرونة اللازمة لتلبية ثلاثة قيود أخرى. تتضمن القيود الإضافية المعتادة اعتبارات مقاومة الإدخال والحصول على قيم معقولة للمقاومات (على سبيل المثال ، لن ترغب في استخدام مقاوم دقيق ل R1 يساوي 10-4 أوم!).

على الرغم من أنه ليس مطلوبًا للتصميم باستخدام op-amps المثالي ، إلا أننا سوف نستخدم قيدًا في التصميم يعد أمرًا مهمًا في op-amps غير المثالي. بالنسبة إلى op-amp غير المعكوسة ، عادةً ما تكون مقاومة Thevenin عند الرجوع إلى الوراء من المدخلات المقلوبة مساوية لتلك التي ننظر إلى الخلف من المدخلات غير المقلوبة. للتكوين الموضح في الشكل (14) ، يمكن التعبير عن هذا القيد على النحو التالي:

34

المساواة الأخيرة ناتجة عن تعريف RA من المعادلة (32). استبدال هذه النتيجة في المعادلة (31) يعطي القيد ،

35

36

استبدال هذه النتيجة في المعادلة (33) يعطي مجموعة بسيطة من المعادلات ،

37

توفر لنا تركيبات المعادلات (34) والمعادلة (37) المعلومات اللازمة لتصميم الدائرة. نختار قيمة RF ثم قم بحل مقاومات الإدخال المختلفة باستخدام المعادلة (37). إذا كانت قيم المقاومات ليست في نطاق عملي ، فإننا نعود ونغير قيمة مقاوم التغذية المرتدة. بمجرد حلنا لمقاومات المدخلات ، نستخدم المعادلة (34) لإجبار المقاومة على أن ننظر إلى الوراء من مدخلات op-amp. نختار قيم Rx و Ry لفرض هذه المساواة. بينما تحتوي المعادلتان (34) و (37) على المعلومات الأساسية للتصميم ، فإن أحد الاعتبارات المهمة هو ما إذا كان سيتم تضمين المقاومات بين مدخلات op-amp والأرض (Rx و Ry). قد يتطلب الحل التكرارات للحصول على قيم ذات معنى (أي يمكنك تنفيذ الحل مرة واحدة والتوصل إلى قيم مقاومة سلبية). لهذا السبب ، نقدم إجراءً عدديًا يبسط مقدار العمليات الحسابية[1]

يمكن إعادة كتابة المعادلة (34) كما يلي:

38

استبدال المعادلة (37) في المعادلة (38) نحصل عليها ،

39

أذكر أن هدفنا هو حل لقيم المقاومات من حيث Xi و Yj. دعنا نحدد مصطلحات الجمع كما يلي:

40

يمكننا بعد ذلك إعادة كتابة المعادلة (39) على النحو التالي:

41

هذه نقطة انطلاق لإجراء التصميم لدينا. أذكر ذلك Rx و Ry هي المقاومات بين الأرض والمدخلات غير المقلوبة والمقلوبة ، على التوالي. يشار إلى المقاوم ردود الفعل RF وفترة جديدة ، Z، يعرف ب

42

الجدول (1) - تصميم مضخم صوت صامت

يمكننا القضاء على أي من المقاومات أو كليهما ، Rx و Ry، من دائرة الشكل (14). وهذا يعني أنه يمكن ضبط أحد هذين المقاومين أو كليهما على ما لا نهاية (أي ، الدائرة المفتوحة). هذا يعطي ثلاثة احتمالات التصميم. بناءً على عوامل الضرب المرغوب فيها والتي تتعلق بالإخراج إلى المدخلات ، فإن إحدى هذه الحالات سوف تسفر عن التصميم المناسب. يتم تلخيص النتائج في الجدول (1). 

تصميم الدوائر مع TINA و TINACloud

هناك العديد من الأدوات المتاحة في TINA و TINACloud للمكبر التشغيلي وتصميم الدوائر.

التحسين

TINAيمكن تحديد معلمات الدائرة غير المعروفة في وضع التحسين تلقائيًا بحيث يمكن للشبكة إنتاج قيمة خرج هدف محددة مسبقًا ، الحد الأدنى أو الأقصى. التحسين مفيد ليس فقط في تصميم الدوائر ، ولكن في التدريس ، لبناء الأمثلة والمشكلات. لاحظ أن هذه الأداة لا تعمل فقط مع المكبرات التشغيلية المثالية والدائرة الخطية ، ولكن أيضًا مع أي دائرة غير خطية مع نماذج أجهزة غير خطية حقيقية وغيرها.

النظر في دائرة مكبر للصوت عكس مع مكبر للصوت التشغيلي الحقيقي OPA350.

بواسطة الإعداد الافتراضي لهذه الدائرة ، يكون جهد خرج الدائرة هو 2.5

يمكنك التحقق من ذلك بسهولة عن طريق الضغط على زر DC في TINACloud.

تطبيق

قم بتحليل الدائرة التالية باستخدام محاكي الدائرة عبر الإنترنت TINACloud لتحديد V.خارج من حيث الفولتية المدخلات من خلال النقر على الرابط أدناه.

محاكاة الدائرة OPA350 مع TINACloud

محاكاة الدائرة OPA350 مع TINACloud

محاكاة الدائرة OPA350 مع TINACloud

افترض الآن أننا نريد ضبط هذا الجهد عن طريق تغيير جهد Vref في التصميم التخطيطي.

إذا كان الأمر لإعداد هذا ، يجب أن نحدد الهدف خارج = 3V ومعلمة الدائرة التي سيتم تحديدها (كائن التحسين) Vref. بالنسبة لهذا الكائن ، يجب علينا أيضًا تحديد المنطقة التي تساعد في البحث ولكنها تمثل القيود أيضًا.

لتحديد وتعيين هدف التحسين في TINACloud ، انقر فوق Vout Voltage pin وتعيين Optimization Target إلى Yes

انقر بعد ذلك على زر ... في نفس السطر وقم بتعيين القيمة على 3.

اضغط على موافق في كل مربع حوار لإنهاء الإعدادات.

الآن دعنا نختار ونضبط كائن Vref Optimization.

انقر فوق Vref ثم الزر ... في نفس السطر

حدد "كائن التحسين" في القائمة الموجودة على رأسه وقم بتعيين مربع الاختيار "تحسين / كائن".

اضغط على موافق في مربعي الحوار.

إذا نجحت إعدادات التحسين ، فسترى >> تسجيل الخروج و << تسجيل الدخول في Vref كما هو موضح أدناه.

الآن حدد Optimization من قائمة التحليل واضغط RUN في مربع الحوار Optimization.

بعد الانتهاء من التحسين ، سيتم عرض Vref ، القيمة المثلى ، في مربع الحوار DC Optimization

يمكنك دراسة الإعدادات وتشغيل التحسين على الإنترنت والتحقق من خلال محاكاة الدوائر باستخدام الرابط أدناه.
قم بتشغيل Optimization من قائمة التحليل ، ثم اضغط على زر DC حتى ترى النتيجة في الدائرة المحسنة (3V)

الأمثل عبر الإنترنت ومحاكاة الدوائر مع TINACloud

لاحظ أنه في هذا الوقت في TINACloud يتم تضمين تحسين DC بسيط فقط. يتم تضمين المزيد من ميزات التحسين في الإصدار غير المتصل من TINA.

AC الأمثل

باستخدام الإصدار غير المتصل من TINA ، يمكنك تحسين وإعادة تصميم دوائر التيار المتردد أيضًا.

افتح MFB 2nd Order دارة المرور المنخفضة Chebyshev LPF.TSC ، من أمثلة \ مجلد Texas Instruments \ Filters_FilterPro من TINA، ظاهر أدناه.

تشغيل تحليل AC / AC نقل سمة.

سيظهر المخطط التالي:

الدائرة لديها وحدة (0dB) كسب وتردد قطع 1.45kHz.

الآن دعونا إعادة تصميم الدائرة باستخدام AC Optimization و ضبط كسب التردد المنخفض على 6dB وتردد القطع إلى 900Hz.

ملاحظات عادة ما تكون أداة التحسين المطبقة على التغييرات فقط. في حالة المرشحات ، قد ترغب في استخدام أداة تصميم المرشح بدلاً من ذلك. سنتعامل مع هذا الموضوع لاحقًا.

الآن باستخدام Optimization فإن Gain وواتر Cutoff هما أهداف التحسين.

انقر فوق رمز "تحديد هدف التحسين" في شريط الأدوات أو في قائمة "تحديد هدف التحسين"

سوف يتغير المؤشر إلى الأيقونة: . انقر فوق دبوس Vout Voltage برمز المؤشر الجديد.

الحوار التالي سيظهر:

انقر فوق أزرار وظائف هدف AC. الحوار التالي سيظهر:

حدد مربع الاختيار Low Pass وضبط تردد القطع المستهدف على 900. حدد الآن مربع الاختيار الأقصى واضبط الهدف على 6.

حدد بعد ذلك معلمات الدائرة التي تريد تغييرها للوصول إلى أهداف التحسين.

انقر على   رمز أو سطر تحديد كائن التحكم في قائمة التحليل.

سيتغير المؤشر إلى الرمز أعلاه. انقر فوق مكثف C1 باستخدام هذا المؤشر الجديد. الحوار التالي سيظهر:

اضغط على زر الاختيار. الحوار التالي سيظهر:

يقوم البرنامج تلقائيًا بتعيين نطاق (قيد) حيث سيتم البحث عن القيمة المثلى. قيمة النهاية إلى 20n كما هو موضح أعلاه.

كرر الآن نفس الإجراء لـ R2. اضبط قيمة النهاية على 20 كيلو.

بعد الانتهاء من إعداد Optimization ، حدد Optimization / AC Optimization (Transfer) من قائمة التحليل.

الحوار التالي سيظهر:

اقبل الإعدادات الافتراضية عن طريق الضغط على "موافق".

بعد عملية حسابية قصيرة ، يتم العثور على الأمثل وتظهر المعلمات المكونة التي تم تغييرها:

أخيرًا تحقق من النتيجة من خلال محاكاة الدوائر التي تعمل على تشغيل خاصية تحليل AC / نقل AC.

كما هو موضح في الرسم البياني ، تم الوصول إلى القيم المستهدفة (كسب 6db ، تردد القطع 900Hz).

باستخدام أداة مصمم الدوائر في TINA و TINACloud

هناك طريقة أخرى لطريقة تصميم الدوائر في TINA و TINAcloud وهي تستخدم أداة Circuit Designer المدمجة والتي تسمى ببساطة أداة التصميم.

تعمل أداة التصميم مع معادلات التصميم في دائرتك للتأكد من أن المدخلات المحددة تؤدي إلى استجابة الإخراج المحددة. تتطلب الأداة منك بيان المدخلات والمخرجات والعلاقات بين قيم المكونات. توفر لك الأداة محرك حل يمكنك استخدامه لحل التكرار والدقة لمختلف السيناريوهات. يتم تلقائيًا تعيين قيم المكونات المحسوبة في المخطط ويمكنك التحقق من النتيجة عن طريق المحاكاة.

لنقم بتصميم تضخيم التيار المتردد في نفس الدائرة باستخدام أداة مصمم الدوائر.

افتح الدائرة من مجلد أداة التصميم في TINACloud. سوف تظهر الشاشة التالية.

الآن لنقم بتشغيل خاصية تحليل AC / AC Transfer Transfer.

سيظهر المخطط التالي:

الآن ، دعونا نعيد تصميم الدائرة للحصول على كسب الوحدة (0dB)

استدعاء إعادة تصميم هذه الدائرة من قائمة الأدوات

الحوار التالي سيظهر.

اضبط Gain to -1 (0 dB) واضغط على الزر "تشغيل".

ستظهر قيم المكونات الجديدة المحسوبة فورًا في المحرر التخطيطي ، مرسومة باللون الأحمر.

اضغط على زر قبول.

سيتم الانتهاء من التغييرات. تشغيل تحليل AC / نقل خصائص AC مرة أخرى للتحقق من الدائرة المعاد تصميمها.

 

 

—————————————————————————————————————————————————— —-

1تم ابتكار هذه التقنية بواسطة Phil Vrbancic ، وهو طالب في جامعة ولاية كاليفورنيا ، Long Beach ، وتم تقديمه في ورقة مقدمة إلى مسابقة IEEE Region VI Award Paper.