6. Проектиране на Op-amp схеми
ТОК - 6. Проектиране на Op-amp вериги
ПРЕДИШЕН - 5. Комбинирани инвертиращи и неинвертиращи входове
Проектиране на схеми на оп-усилватели
Веднъж след като конфигурацията на оп-усилващата система е дадена, можем анализирам тази система, за да определи продукцията по отношение на входящите данни. Извършваме този анализ, като използваме процедурата, дискутирана по-рано (в тази глава).
Ако сега искате дизайн верига, която комбинира инвертиращи и неинвертиращи входове, проблемът е по-сложен. При проектен проблем е дадено желаното линейно уравнение и трябва да бъде проектирана веригата на усилвателя. Желаният изход на операционния усилвател лято може да се изрази като линейна комбинация от входове,
(30)
където X1, X2 ...Xn са желаните печалби при неинвертиращите входове и Ya, Yb ...Ym са желаните печалби при инвертиращите входове. Уравнението (30) се изпълнява със схемата на фигура (14).
Фигура 14 - лятно множество входни данни
Тази схема е леко модифицирана версия на схемата на фигура (13) (Инвертиращи и неинвертиращи входове).
Фигура 13 - Инвертиращи и неинвертиращи входове
Единствената промяна, която сме направили, е да включим резистори между входовете на оп-усилвателя и земята. Земята може да се разглежда като допълнителен вход от нула волта, свързан чрез съответния резистор (Ry за инвертиращия вход и Rx за неинвертиращия вход). Добавянето на тези резистори ни дава гъвкавост при удовлетворяването на всички изисквания извън тези на уравнението (30). Например, входните съпротивления могат да бъдат определени. Всеки или и двата допълнителни резистора могат да бъдат премахнати, като се оставят техните стойности да стигнат до безкрайност.
Уравнение (29) от предишния раздел показва, че стойностите на резисторите, Ra, Rb, ...Rm намлява R1, R2, ...Rn са обратно пропорционални на желаните увеличения, свързани със съответните входни напрежения. С други думи, ако е желателно голямо усилване на конкретен входен терминал, тогава съпротивлението при този терминал е малко.
Когато печалбата на отворен цикъл на операционния усилвател, G, е голямо, изходното напрежение може да бъде записано от гледна точка на резисторите, свързани към операционния усилвател, както в уравнението (29). Уравнението (31) повтаря този израз с леко опростяване и с добавяне на резистори към земята.
(31)
Определяме две еквивалентни съпротивления, както следва:
(32)
ЗАЯВЛЕНИЕ
Анализирайте следната схема, като използвате TINACloud, за да определите Vот по отношение на входните напрежения, като кликнете върху връзката по-долу.
Симулация на многократна входна лятна верига от TINACloud
Симулация на многократна входна лятна верига от TINACloud
Виждаме, че изходното напрежение е линейна комбинация от входове, където всеки вход е разделен на съответното съпротивление и умножен по друго съпротивление. Умножаващата се съпротива е RF за инвертиране на входове и Req за неинвертиращи входове.
Броят на неизвестните в този проблем е п + m +3 (т.е. неизвестните стойности на резистора). Затова трябва да се развиваме п + m +3 уравнения за решаване на тези неизвестни. Можем да формулираме п + m на тези уравнения чрез съчетаване на дадените коефициенти в уравнение (30). Тоест, ние просто развиваме системата от уравнения от уравнения (30), (31) и (32), както следва:
(33)
Тъй като имаме още три неизвестни, имаме гъвкавостта да задоволим още три ограничения. Типичните допълнителни ограничения включват съображения за входно съпротивление и разумни стойности за резисторите (например, не бихте искали да използвате прецизен резистор за R1 равно на 10-4 ома!).
Въпреки, че не се изисква за проектиране, използвайки идеални оп-усилватели, ние ще използваме ограничение на дизайна, което е важно за неидеални оп-усилватели. За неинвертиращия оп-усилвател, съпротивлението на Thevenin, гледащо назад от инвертиращия вход, обикновено е равно на това, което гледа назад от неинвертиращия вход. За конфигурацията, показана на фигура (14), това ограничение може да бъде изразено както следва:
(34)
Последното равенство произтича от дефиницията на RA от Уравнение (32). Подмяната на този резултат в уравнение (31) дава ограничението,
(35)
(36)
Подмяната на този резултат в уравнение (33) дава прост набор от уравнения,
(37)
Комбинациите от уравнение (34) и уравнение (37) ни дават необходимата информация за проектиране на веригата. Избираме стойност от RF и след това решаване на различните входни резистори с помощта на уравнение (37). Ако стойностите на резисторите не са в практичен диапазон, ние се връщаме и променяме стойността на резистора за обратна връзка. След като решим за входните резистори, тогава използваме Уравнение (34), за да принудим съпротивленията да бъдат равни, гледайки назад от двата оп-усилвателни входа. Избираме стойности на Rx намлява Ry да наложи това равенство. Докато уравнения (34) и (37) съдържат основната информация за дизайна, едно важно съображение е дали да се включат или не резисторите между входовете на операционния усилвател и земята (Rx намлява Ry). Решението може да изисква повторения, за да се получат значими стойности (т.е. можете да извършите решението един път и да получите отрицателни стойности на съпротивление). По тази причина представяме цифрова процедура, която опростява изчисленията[1]
Уравнението (34) може да бъде пренаписано както следва:
(38)
Заменяйки уравнението (37) в уравнение (38), получаваме,
(39)
Спомнете си, че нашата цел е да решим стойностите на резисторите по отношение на Xi намлява Yj. Нека дефинираме сумиране като:
(40)
След това можем да пренапишем уравнението (39), както следва:
(41)
Това е отправна точка за нашата процедура за проектиране. Спомнете си това Rx намлява Ry са резисторите между земята и съответно неинвертиращия и инвертиращия входове. Обозначен е резисторът за обратна връзка RF и нов термин, Z, се определя като
(42)
Таблица (1) - Дизайн на усилвател за сън
Можем да елиминираме единия или и двата резистора, Rx намлява Ryот веригата на фигура (14). Това означава, че единият или и двата резистора могат да бъдат настроени на безкрайност (т.е. отворен кръг). Това дава три възможности за дизайн. В зависимост от желаните коефициенти за умножение, свързани с изхода към входа, един от тези случаи ще даде подходящ дизайн. Резултатите са обобщени в Таблица (1).
Дизайн на верига с TINA и TINACloud
Има няколко инструмента, налични в TINA и TINACloud за операционен усилвател и схема.
Оптимизация
TINAНеизвестните параметри на схемата в режима на оптимизация могат да бъдат определени автоматично, така че мрежата да може да генерира предварително зададена стойност на изхода, минимална или максимална. Оптимизацията е полезна не само при проектирането на вериги, но и при преподаването, за да се конструират примери и проблеми. Имайте предвид, че този инструмент работи не само за идеални операционни усилватели и линейна схема, но и за всяка нелинейна схема с реални нелинейни и други модели устройства.
Разгледайте обръщащата схема на усилвателя с реален операционен усилвател OPA350.
По подразбиране на тази верига изходното напрежение на веригата е 2.5
Лесно можете да проверите това, като натиснете бутона DC в TINACloud.
ЗАЯВЛЕНИЕ
Анализирайте следната схема, като използвате онлайн симулатора на вериги TINACloud, за да определите Vот по отношение на входните напрежения, като кликнете върху връзката по-долу.
Симулация на верига OPA350 с TINACloud
Симулация на верига OPA350 с TINACloud
Ако за да подготвим това, трябва да изберем целта Out = 3V и да определим параметъра на веригата (Optimization Object) Vref. За този обект трябва също да дефинираме регион, който помага за търсенето, но също така представлява ограничения.
За да изберете и зададете целта на оптимизацията в TINACloud, натиснете Vout Voltage pin и настройте Target на оптимизацията на Yes
След това щракнете върху бутона… в същия ред и задайте Стойност на 3.
Натиснете OK във всеки диалог, за да завършите настройките.
Сега нека изберете и задайте обекта за оптимизация на Vref.
Щракнете върху Vref, след това върху бутона… в същия ред
Изберете Оптимизационен обект в списъка на върха и задайте квадратчето за Оптимизация / Обект.
Натиснете OK в двата диалога.
Ако настройките за оптимизация бяха успешни, ще видите знак >> в Out и знак << в Vref, както е показано по-долу.
Сега изберете Optimization от менюто Analysis и натиснете RUN в диалоговия прозорец Optimization.
След завършване на оптимизацията, намереният Vref, оптималната стойност, ще бъде показан в диалоговия прозорец Оптимизация за постоянен ток
Можете да изучавате настройките и да стартирате Оптимизацията онлайн и да проверите чрез Симулация на верига, като използвате линка по-долу.
Стартирайте оптимизацията от менюто Анализ, след това натиснете бутона DC, за да видите резултата в оптимизираната верига (3V)
Онлайн оптимизация и симулация на вериги с TINACloud
Имайте предвид, че по това време в TINACloud е включена само обикновена DC оптимизация. Още опции за оптимизация са включени в офлайн версията на TINA.
AC Оптимизация
С помощта на офлайн версията на TINA можете да оптимизирате и препроектирате AC веригите.
Отворете нискочестотната верига MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC от Примери Texas Instruments Filters_FilterPro папка на TINA, показано по-долу.
Изпълнение на AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Ще се появи следната диаграма:
Веригата има единство (0dB) Gain и 1.45kHz гранична честота.
Сега нека препроектираме веригата, използвайки AC Optimization и настройте нискочестотното усилване на 6dB и граничната честота на 900Hz.
Забележка това обикновено е инструмент за оптимизиране, приложим само за промени. В случай на филтри може да искате да използвате инструмент за проектиране на филтри. Ще разгледаме тази тема по-късно.
Сега, използвайки Оптимизация, честотата на Gain и Cutoff са оптимизационните цели.
Щракнете върху иконата „Избор на цел за оптимизация“ в лентата с инструменти или в менюто „Анализ“ „Избор на цел за оптимизация“
Курсорът ще се промени в иконата: 
, Кликнете на Vout Voltage pin с новия символ на курсора.
Ще се появи следният диалог:
Кликнете върху бутоните AC Goal Functions. Ще се появи следният диалог:
Поставете отметка в квадратчето Low Pass (Ниско пропускане) и настройте честотата на прекъсване на целта 900. Сега поставете отметка в квадратчето Maximum и задайте Target на 6.
След това изберете параметрите на веригата, които искате да промените, за да достигнете целите на оптимизацията.
Щракнете върху 
или в реда Избери контролен обект в менюто Анализ.
Курсорът ще се промени на горния символ. Щракнете върху кондензатора C1 с този нов курсор. Ще се появи следният диалог:
Натиснете бутона за избор. Ще се появи следният диалог:
Програмата автоматично задава диапазон (ограничение), където ще се търси оптималната стойност. Крайната стойност към 20n, както е показано по-горе.
Сега повторете същата процедура за R2. Задайте крайната стойност на 20k.
След приключване на настройката за оптимизация изберете Оптимизация / Оптимизация на AC (Прехвърляне) от менюто Анализ.
Ще се появи следният диалог:
Приемете настройките по подразбиране, като натиснете OK.
След кратко изчисление се открива оптимум и се появяват променени параметри на компонента:
Накрая проверете резултата със симулация на веригата, която работи с AC AC / AC Transfer Characteristic.
Както е показано на диаграмата, са достигнати целевите стойности (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz).
Използване на инструмента за проектиране на верига в TINA и TINACloud
Друг метод за проектиране на схеми в TINA и TINAcloud е използването на вградения инструмент Circuit Designer, наречен просто Design Tool.
Design Tool работи с уравненията на дизайна на вашата верига, за да гарантира, че зададените входове водят до зададения изходен отговор. Инструментът изисква от вас декларация за входове и изходи и взаимоотношенията между стойностите на компонентите. Инструментът предлага решение, което можете да използвате, за да решавате многократно и точно за различни сценарии. Изчислените стойности на компонента се задават автоматично в схемата и можете да проверите резултата чрез симулация.
Нека проектираме AC усилването на една и съща верига, използвайки нашия инструмент Designer Circuit Designer.
Отворете веригата от папката Design Tool на TINACloud. Ще се появи следният екран.
Сега нека изпълним AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Ще се появи следната диаграма:
Сега да препроектираме веригата, за да получим единично усилване (0dB)
Извикайте Redesign this Circuit от менюто Tools
Ще се появи следният диалог.
Задайте Gain to -1 (0 dB) и натиснете бутона Run.
Изчислените стойности на новия компонент веднага ще се появят в редактора на схеми, начертани в червен цвят.
Натиснете бутона Приеми.
Промените ще бъдат финализирани. Пуснете отново AC Analysis / AC Transfer Characteristics, за да проверите новата верига.
————————————————————————————————————————————————— —-
1Тази техника е разработена от Фил Врбанчич, студент в Калифорнийския държавен университет, Лонг Бийч, и представена в доклад, представен на IEEE Регионален конкурс за награда за печат.