المرجع العملي أمبير- TINA و TINACloud Resources

العملية المرجع أمبير

العملية المرجع أمبير تقريب بهم المثالي نظرائهم ولكن تختلف في بعض النواحي الهامة. من المهم لمصمم الدائرة أن يفهم الاختلافات بين الأمبيرات الفعلية والأمبير المثالية ، لأن هذه الاختلافات يمكن أن تؤثر سلبا على أداء الدائرة.

هدفنا هو تطوير نموذج مفصل لجهاز op-amp العملي - وهو نموذج يأخذ في الاعتبار أهم خصائص الجهاز غير المثالي. نبدأ بتحديد المعلمات المستخدمة لوصف عمليات التشغيل العملية. يتم تحديد هذه المعلمات في قوائم في أوراق البيانات المقدمة من قبل الشركة المصنعة op-amp.

يسرد الجدول 1 قيم المعلمات لثلاث أمبير op معينة ، واحدة من الثلاث هي μA741. نحن نستخدم مضخمات التشغيل μA741 في العديد من الأمثلة ومشاكل نهاية الفصل للأسباب التالية: (1) تم تصنيعها بواسطة العديد من الشركات المصنعة IC ، (2) تم العثور عليها بكميات كبيرة في جميع أنحاء صناعة الإلكترونيات ، و ( 3) هي عبارة عن op-amps يتم تعويضها داخليًا للأغراض العامة ، ويمكن استخدام خصائصها كمرجع لأغراض المقارنة عند التعامل مع أنواع op-amp الأخرى. نظرًا لتعريف المعلمات المختلفة في الأقسام التالية ، ينبغي الرجوع إلى جدول 9.1 للعثور على القيم النموذجية.

المرجع العملي أمبير ، مكبرات الصوت التشغيلية

الجدول 1 - قيم المعلمة لـ op-amp

الفرق الأكثر أهمية بين الأمبير المرجع المثالي والفعلي هو زيادة الجهد. لدى المرجع المثالي أمبير كسب الجهد الذي يقترب من اللانهاية. يحتوي المرجع الفعلي على كسب جهد محدود ينخفض كلما زاد التردد (نستكشف هذا بالتفصيل في الفصل التالي).

5.1 ربح الجهد المفتوح (G)

كسب الجهد في حلقة مفتوحة من المرجع أمبير هو نسبة التغير في الجهد الناتج إلى تغيير في الجهد المدخلات دون ردود الفعل. كسب الجهد هو كمية بدون أبعاد. يتم استخدام الرمز G للإشارة إلى كسب جهد الحلقة المفتوحة. Op-amps لها كسب جهد عالي للمدخلات منخفضة التردد. تسرد مواصفات المرجع أمبير زيادة الجهد في فولت لكل مللي فولت أو ديسيبل (ديسيبل) [يعرف باسم 20log₁₀(v_خارج/v_in)].

5.2 تعديل نموذج المرجع أمبير

يعرض الشكل 14 نسخة معدلة من نموذج op-amp المثالي. قمنا بتغيير النموذج المثالي من خلال إضافة مقاومة الإدخال (R_i) ، ومقاومة الانتاج (R_o) ، ومقاومة الوضع المشترك (R_cm).

الشكل 14 - تعديل نموذج المرجع أمبير

القيم النموذجية لهذه المعلمات (لـ 741 op-amp) هي

نعتبر الآن دائرة الشكل 15 من أجل فحص أداء المرجع أمبير. يتم تشغيل المدخلات المقلوبة وغير المقلوبة لـ op-amp بواسطة مصادر لها مقاومة متسلسلة. يتم إخراج إخراج المرجع أمبير إلى المدخلات من خلال المقاوم ، R_F.

يشار إلى المصادر التي تقود المدخلات v_A و v₁، والمقاومة المرتبطة سلسلة هي R_A و R₁. إذا كانت دائرة الإدخال أكثر تعقيدًا ، فيمكن اعتبار هذه المقاومة بمثابة مكافئات Thevenin لتلك الدائرة.

الشكل 15 - الدائرة المرجع أمبير

5.3 إدخال الجهد إزاحة (الخامس_io)

عندما يكون الجهد الكهربي لإدخال أمبير مثالي هو صفر ، يكون جهد الخرج صفرًا أيضًا. هذا ليس صحيحًا بالنسبة إلى المرجع الفعلي. ال مساهمة الجهد تعويض, V_io، يتم تعريفه على أنه جهد الدخل التفاضلي المطلوب لجعل الجهد الناتج يساوي الصفر. V_io هو صفر للمرجع المثالي. قيمة نموذجية لل V_io بالنسبة إلى 741 op-amp هو 2 mV. قيمة غير صفرية لـ V_io أمر غير مرغوب فيه لأن المرجع يعمل على تضخيم أي إزاحة إدخال ، وبالتالي يتسبب في إخراج أكبر dc خطأ.

يمكن استخدام التقنية التالية لقياس جهد تعويض الإدخال. بدلاً من تغيير الجهد الكهربي للإدخال لإجبار الإخراج على الصفر ، يتم تعيين الإدخال مساوياً للصفر ، كما هو موضح في الشكل 16 ، ويتم قياس جهد الخرج.

الشكل 16 - تقنية لقياس Vio

الجهد الناتج الناتج عن صفر مساهمة الجهد هو المعروف باسم الناتج العاصمة تعويض الجهد. يتم الحصول على جهد إزاحة الإدخال بقسمة هذه الكمية على كسب الحلقة المفتوحة للأمبير المرجع.

يمكن دمج تأثيرات إزاحة جهد الجهد في نموذج المرجع أمبير كما هو موضح في الشكل 17.

بالإضافة إلى تضمين جهد تخالف المدخلات ، تم تعديل نموذج op-amp المثالي مع إضافة أربع مقاومات. R_o هل مقاومة الانتاج. مقاومة المدخلات من المرجع أمبير ، R_i، يقاس بين المحولات المقلوبة وغير المقلوبة. يحتوي النموذج أيضًا على المقاوم الذي يربط بين كل من المدخلين إلى الأرض.

هذه هي وضع مشترك المقاومة، وكل منهما يساوي 2R_cm. إذا كانت المدخلات متصلة معًا كما هو موضح في الشكل 16 ، فهذه المقاومات هما متوازيتان ، وتكون مقاومة Thevenin المدمجة للأرض R_cm. إذا كان المرجع أمبير مثالي ، R_i و R_cm اقتراب اللانهاية (أي الدائرة المفتوحة) و R_o هو صفر (أي ، ماس كهربائى).

الشكل 17 - جهد إزاحة الإدخال

يمكن استخدام التكوين الخارجي الموضح في الشكل 18 (a) لإنكار تأثيرات جهد الإزاحة. يتم تطبيق الجهد متغير على محطة الإدخال عكس. الاختيار الصحيح لهذا الجهد يلغي إزاحة الإدخال. وبالمثل ، يوضح الشكل 18 (ب) دائرة الموازنة هذه المطبقة على المدخلات غير المقلوبة.

الشكل 18 - موازنة جهد الإزاحة

تطبيق

يمكنك اختبار موازنة الجهد الكهربي للإدخال في دائرة 18 (أ) عن طريق المحاكاة عبر الإنترنت باستخدام TINACloud Circuit Simulator بالضغط على الرابط أدناه.

محاكاة دائرة موازنة الجهد الكهربي للإزاحة (a) مع TINACloud

محاكاة دائرة موازنة الجهد الكهربي للإزاحة (a) مع TINACloud

تطبيق

يمكنك اختبار موازنة الإدخال في دائرة 18 (ب) عن طريق المحاكاة عبر الإنترنت باستخدام TINACloud Circuit Simulator بالنقر فوق الرابط أدناه:

محاكاة دائرة موازنة الجهد الكهربي للإزاحة (ب) مع TINACloud

محاكاة دائرة موازنة المدخلات (ب) مع TINACloud

5.4 إدخال التحيز الحالي (I_انحياز)

على الرغم من أن مدخلات op-amp المثالية لا تجذب أي تيار ، فإن op-amps الفعلية تسمح لبعض تيار التحيز بالدخول إلى كل محطة إدخال. I_انحياز هل dc الحالية في الترانزستور المدخلات ، وقيمة نموذجية هي 2 μA. عندما تكون المعاوقة المصدر منخفضة ، I_انحياز له تأثير ضئيل ، لأنه يتسبب في تغيير طفيف نسبيا في الجهد المدخلات. ومع ذلك ، مع دوائر القيادة عالية المقاومة ، يمكن أن يؤدي تيار صغير إلى جهد كبير.

يمكن تصميم تيار التحيز على أنه مصرفين حاليين ، كما هو موضح في الشكل 19.

الشكل 19 - موازنة جهد الإزاحة

قيم هذه المصارف مستقلة عن مصدر المعاوقة. ال التحيز الحالي يتم تعريفه على أنه متوسط قيمة اثنين من المصارف الحالية. وهكذا

الفرق بين القيمتين بالوعة يعرف باسم المدخلات الحالية تعويض, I_io، ويعطى من قبل

يعتمد كلا من إدخال التحيز الحالي وتيار تعويض الإدخال على درجة الحرارة. ال مدخلات التحيز معامل درجة الحرارة الحالية يعرف بأنه نسبة التغير في التحيز الحالي إلى التغير في درجة الحرارة. القيمة النموذجية هي 10 nA /^oجيم المدخلات تعويض معامل درجة الحرارة الحالية يتم تعريفه على أنه نسبة التغير في حجم تيار الإزاحة إلى التغير في درجة الحرارة. القيمة النموذجية هي -2nA /^oC.

الشكل 20 - نموذج إدخال التحيز الحالي

يتم دمج التيارات المتحيزة للإدخال في نموذج المرجع أمبير في الشكل 20 ، حيث نفترض أن تيار إزاحة الإدخال ضئيل.

وهذا هو،

الشكل 21 (أ) - الدائرة

نقوم بتحليل هذا النموذج من أجل العثور على الجهد الناتج الناتج عن التيارات التحيز الإدخال.

يوضح الشكل 21 (a) دائرة op-amp حيث يتم توصيل المدخلات المقلوبة وغير المقلوبة بالأرض من خلال المقاومة.

يتم استبدال الدائرة بمكافئها في الشكل 21 (b) ، حيث أهملنا V_io. نعمل على تبسيط الدائرة في الشكل 21 (c) من خلال الإهمال R_o و R_تحميل. هذا هو ، ونحن نفترض R_F >> R_o و R_تحميل >> R_o. عادة ما تضمن متطلبات تحميل المخرجات تلبية هذه التباينات.

تم تبسيط الدائرة بشكل أكبر في الشكل 21 (d) حيث يتم استبدال تركيبة السلسلة من مصدر الجهد المعتمد والمقاوم بمزيج متوازي من مصدر ومقاومة تيار معتمد.

أخيرًا ، نجمع بين المقاومة ونغير كلا المصدرين الحاليين إلى مصادر الجهد للحصول على المكافئ المبسط للشكل 21 (e).

الشكل 21 (ب) و (ج) - تأثيرات تحيز الإدخال

نستخدم معادلة الحلقة لإيجاد الجهد الناتج.

أين

المقاومة المشتركة الوضع ، R_cm، هو في حدود عدة مئات megohms لمعظم الامبير المرجع. وبالتالي

إذا افترضنا كذلك G_o كبيرة ، المعادلة (43) تصبح معادلة.

الشكل 21 (د) و (هـ) - تأثيرات تحيز الإدخال

لاحظ أنه إذا كانت قيمة R₁ تم تحديده ليكون مساويًا ، ثم الجهد الناتج هو صفر. نستنتج من هذا التحليل أن dc مقاومة من V₊ على الأرض يجب أن تساوي dc مقاومة من V_- إلى الأرض. نحن نستخدم هذا توازن التحيز القيد عدة مرات في تصميماتنا. من المهم أن يكون لكل من المحولات المقلوبة وغير المقلوبة أ dc الطريق إلى الأرض للحد من آثار التحيز المدخلات الحالية.

إدخال التحيز الحالي ، العملية المرجع أمبير ، مكبرات الصوت التشغيلية

الشكل 22 - تكوينات للمثال 1

مثال 1

ابحث عن الجهد الناتج لتكوينات الشكل 22 حيث I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
حل: نحن نستخدم الشكل المبسط للمعادلة (46) للعثور على الفولتية الإخراج لدائرة الشكل 22 (أ).

لدائرة الشكل 22 (ب) ، نحصل عليها

تطبيق

يمكنك أيضًا إجراء هذه العمليات الحسابية باستخدام TINACloud circuit simulator ، باستخدام أداة Interpreter الخاصة بها من خلال النقر على الرابط أدناه.

محاكاة تحيز النمذجة المدخلات الحالية مع TINACloud

محاكاة تحيز النمذجة المدخلات الحالية مع TINACloud

5.5 رفض الوضع المشترك

عادة ما يتم استخدام المرجع أمبير لتضخيم الفرق بين اثنين من الفولتية المدخلات. وهي تعمل في الوضع التفاضلي. يجب ألا يؤثر الجهد الثابت المضاف إلى كل من هذين المدخلين على الاختلاف ، وبالتالي لا ينبغي نقله إلى الخرج. في الحالة العملية ، هذا ثابت ، أو متوسط قيمة المدخلات هل يؤثر على انتاج التيار الكهربائي. إذا أخذنا في الاعتبار الأجزاء المتساوية فقط من المدخلين ، فإننا نفكر فيما يعرف باسم وضع شائع.

الشكل 23 - الوضع الشائع

دعنا نفترض أن طرفي الإدخال من op-amp الفعلي متصلان معًا ومن ثم بجهد مصدر مشترك. هذا موضح في الشكل 23. سيكون الجهد الناتج صفر في الحالة المثالية. في الحالة العملية ، يكون هذا الإخراج غير صفري. نسبة جهد الخرج غير الصفري إلى جهد الدخل المطبق هي كسب الجهد وضع مشترك, G_cm. نسبة رفض النمط الشائع (CMRR) يعرف بأنه نسبة dc كسب حلقة مفتوحة ، G_o، إلى كسب الوضع المشترك. وهكذا،

تتراوح القيم النموذجية لنموذج CMRR من 80 إلى 100 dB. من المستحسن أن يكون معدل CMRR أعلى مستوى ممكن.

5.6 نسبة رفض امدادات الطاقة

تمثل نسبة رفض وحدة تزويد الطاقة مقياسًا لقدرة المرجع أمبير على تجاهل التغييرات في جهد مزود الطاقة. إذا سحبت مرحلة الإخراج لنظام كمية متغيرة من التيار ، فقد يتغير الجهد الكهربائي. هذا التغيير الناجم عن الحمل في الجهد الكهربائي يمكن أن يسبب تغيرات في تشغيل مكبرات الصوت الأخرى التي تتقاسم نفس الإمداد. هذا هو المعروف باسم عبر الحديث، ويمكن أن يؤدي إلى عدم الاستقرار.

• نسبة رفض امدادات الطاقة (PSRR) هي نسبة التغيير في v_خارج إلى التغيير الكلي في جهد إمداد الطاقة. على سبيل المثال ، إذا كانت الإمدادات الموجبة والسالبة تختلف من ± 5 فولت إلى ± 5.5 فولت ، فإن التغيير الإجمالي هو 11-10 = 1 فولت. عادةً ما يتم تحديد PSRR في ميكرو فولت لكل فولت أو أحيانًا بالديسيبل. تحتوي أجهزة op-Amps النموذجية على PSRR حوالي 30 μV / V

لتقليل التغييرات في جهد الإمداد ، يجب أن يكون مصدر الطاقة لكل مجموعة من الأمبير المرجع تنفصل (أي معزولة) عن تلك الخاصة بالمجموعات الأخرى. هذا يحصر التفاعل مع مجموعة واحدة من المرجع أمبير. في الممارسة العملية ، يجب أن يكون لكل بطاقة دائرة مطبوعة خطوط الإمداد التي يتم تجاوزها إلى الأرض عبر مكثف 0.1-μF أو 1-μF. هذا يضمن أن أشكال التحميل لن تغذي بشكل كبير من خلال تزويد البطاقات الأخرى.

5.7 مقاومة الإخراج

كخطوة أولى في تحديد مقاومة الإخراج ، R_خارج، نجد مكافئ Thevenin لجزء دائرة op-amp الموضح في المربع المحاط بخطوط متقطعة في الشكل 24. لاحظ أننا نتجاهل تيار الأوفست والجهد في هذا التحليل.

نظرًا لأن الدائرة لا تحتوي على مصادر مستقلة ، فإن الجهد المكافئ Thevenin يساوي صفرًا ، وبالتالي فإن الدائرة تعادل مقاومًا واحدًا. لا يمكن العثور على قيمة المقاوم باستخدام تركيبات المقاوم. للعثور على المقاومة المكافئة ، افترض أن مصدر الجهد ، v ، يتم تطبيقه على خيوط الإخراج. ثم نحسب التيار الناتج ، iوخذ النسبة v/i. هذا يعطي مقاومة Thevenin.

الشكل 25 (الجزء أ) - الدوائر المكافئة لـ Thevenin

الشكل 25 (الجزء ب)

يوضح الشكل 25 (أ) مصدر الجهد المطبق. يتم تبسيط الدائرة إلى تلك الموضحة في الشكل 25 (b).

يمكن تقليص الدائرة إلى تلك الموضحة في الشكل 25 (c) ، حيث نحدد اثنين من المقاومة الجديدة على النحو التالي:

نحن نفترض أن R '_A << (R '₁ + R_i) و R_i >> R '₁. نتائج الدائرة المبسطة من الشكل 25 (د).

مساهمة الجهد التفاضلي ، v_d، وجدت من هذه الدائرة المبسطة باستخدام نسبة مقسم الجهد.

للعثور على مقاومة الإخراج ، نبدأ بكتابة معادلة حلقة الإخراج.

الشكل 25 (الجزءان c و d) - دوائر Thevenin المكافئة المخفضة

ثم يتم إعطاء مقاومة الإخراج بواسطة المعادلة (51).

في معظم الحالات، R_cm كبير جدا أن R '_A»R_A و R₁'»R₁. يمكن تبسيط المعادلة (51) باستخدام كسب الجهد الصفري ، G_o. والنتيجة هي المعادلة (52).

تطبيق

يمكنك حساب مقاومة الإخراج للدائرة 25 (أ) باستخدام محاكاة الدائرة باستخدام TINACloud Circuit Simulator من خلال النقر على الرابط أدناه.

معاوقة الخرج لمحاكاة دارة Opamp مع TINACloud

معاوقة الخرج لمحاكاة دارة Opamp مع TINACloud

مثال 2

ابحث عن معاوقة المخزن المؤقت لوحدة كسب الربح كما هو موضح في الشكل 26.

الشكل 26 - الوحدة كسب العازلة

حل: عندما تتم مقارنة دائرة الشكل 26 بدائرة التغذية المرتدة في الشكل 24 ، نجد ذلك

ولذلك،

لا يمكن استخدام المعادلة (51) ، لأننا لسنا متأكدين من أن أوجه عدم المساواة التي تؤدي إلى تبسيط الشكل 25 (c) تنطبق في هذه الحالة. وهذا هو ، التبسيط يتطلب ذلك