Практически Op-amps- TINA и TINACloud ресурси

Практически операционни усилватели

Практическите операционни усилватели са приблизителни идеален партньори, но се различават в някои важни аспекти. Важно е за дизайнера на веригата да разберат разликите между действителните усилватели и идеалните оптични усилватели, тъй като тези разлики могат да повлияят неблагоприятно на ефективността на веригата.

Нашата цел е да разработим подробен модел на практичния операционен усилвател - модел, който отчита най-значимите характеристики на неидеалното устройство. Започваме с дефиниране на параметрите, използвани за описване на практичните операционни усилватели. Тези параметри са посочени в списъци на листове с данни, предоставени от производителя на операционната система.

Таблица 1 изброява стойностите на параметрите за три конкретни операционни усилватели, едното от които е μA741. Ние използваме операционни усилватели μA741 в много от примерите и проблеми в края на главата поради следните причини: (1), които са произведени от много производители на интегрални схеми (2), те се намират в големи количества в електронната промишленост и ( 3) те са универсални оп-усилватели с общо предназначение и техните свойства могат да се използват като референция за целите на сравнението, когато се работи с други видове операционни усилватели. Тъй като различните параметри са дефинирани в следващите раздели, трябва да се направи справка с таблица 9.1, за да се намерят типични стойности.

Таблица 1 - Стойности на параметрите за операционни усилватели

Най-значителната разлика между идеалните и действителните усилватели е в усилването на напрежението. Идеалният усилвател има напрежение, което се приближава до безкрайност. Действителният усилвател има ограничено усилване на напрежението, което намалява с увеличаването на честотата (това ще разгледаме подробно в следващата глава).

Усилване на напрежението с отворен кръг 5.1 (G)

Откритото напрежение на оп-усилвателя е съотношението на промяната на изходното напрежение към промяната на входното напрежение без обратна връзка. Усилването на напрежението е безразмерно количество. Символът G се използва за указване на усилването на напрежението в отворена верига. Op-amps имат високо напрежение за нискочестотни входове. Спецификацията на оп-усилвателя изброява напрежението в волта на миливолта или в децибели (dB) [дефинирано като 20log₁₀(v_от/v_in)].

5.2 Модифициран модел Op-amp

Фигура 14 показва модифицирана версия на идеализирания OP-AM модел. Променихме идеализирания модел, като добавим входно съпротивление (R_i), изходно съпротивление (R_o) и съпротивление при общ режим (R_cm).

Фигура 14 - Модифициран OP-AM модел

Типичните стойности на тези параметри (за 741 op-amp) са

Сега ще разгледаме схемата на фигура 15, за да разгледаме производителността на операционните усилватели. Инвертиращите и неинвертиращите входове на оп-усилвателя се управляват от източници, които имат серийно съпротивление. Изходът на оп-усилвателя се подава обратно към входа чрез резистор, R_F.

Посочват се източниците, които задвижват двата входа v_A намлява v₁и свързаните серийни съпротивления са R_A намлява R₁, Ако входната верига е по-сложна, тези съпротивления могат да се разглеждат като еквиваленти на тази схема.

Фигура 15 - верига за Op-amp

5.3 Напрежение на входното отместване (V_io)

Когато входното напрежение до идеалния оп-усилвател е нула, изходното напрежение също е нула. Това не е вярно за действителен операционен усилвател. Най- входно отместване на напрежение, V_io, се дефинира като диференциалното входно напрежение, необходимо за да се направи изходното напрежение равно на нула. V_io е нула за идеалния операционен усилвател. Типична стойност на V_io за 741 op-amp е 2 mV. Ненулева стойност от V_io е нежелателно, тъй като оп-усилвателят усилва всеки офсетов вход, като по този начин предизвиква по-голям изход dc грешка.

Следната техника може да се използва за измерване на входното напрежение на компенсиране. Вместо да се променя входното напрежение, за да се принуди изхода към нула, входът се настройва равен на нула, както е показано на фигура 16, а изходното напрежение се измерва.

операционни усилватели, операционни усилватели

Фигура 16 - Техника за измерване на Vio

Изходното напрежение в резултат на нулево входно напрежение е известно като изход dc офсет напрежение. Входното компенсиращо напрежение се получава чрез разделяне на това количество от печалбата с отворен контур на оп-усилвателя.

Ефектите на входното компенсиращо напрежение могат да бъдат включени в модела OP-AMP, както е показано на фигура 17.

В допълнение към включеното напрежение за компенсиране на входа, идеалният модел с оп-усилвател е допълнително модифициран с добавянето на четири съпротивления. R_o е изходно съпротивление, Най- входно съпротивление на оп-усилвателя, R_iсе измерва между обръщащите и неинвертиращите терминали. Моделът също така съдържа резистор, свързващ всеки от двата входа към земята.

Това са съпротивления при общ режими всеки е равен на 2R_cm, Ако входовете са свързани заедно, както е показано на фигура 16, тези два резистора са паралелни, а комбинираната устойчивост на Thevenin към земята е R_cm, Ако оп-усилвателят е идеален, R_i намлява R_cm приближете се до безкрайност (т.е. отворена верига) и R_o е нула (т.е. късо съединение).

Фигура 17 - Входно напрежение за компенсиране

Външната конфигурация, показана на фигура 18 (a), може да се използва за отричане на ефектите от компенсиращото напрежение. На инвертиращия вход се подава променливо напрежение. Правилният избор на това напрежение отменя входното отместване. По същия начин, фигура 18 (b) илюстрира тази балансираща схема, приложена към неинвертиращия вход.

Фигура 18 - компенсиране на напрежението

ЗАЯВЛЕНИЕ

Можете да тествате балансирането на входното отклонение на напрежението на веригата 18 (a) чрез симулация онлайн с TINACloud Circuit Simulator, като кликнете върху връзката по-долу.

Симулация на веригата за балансиране на напрежението на входа (a) с TINACloud

Симулация на веригата за балансиране на напрежението на входа (a) с TINACloud

ЗАЯВЛЕНИЕ

Можете да тествате балансирането на входното отместване на веригата 18 (b) чрез симулация онлайн с TINACloud Circuit Simulator, като кликнете върху връзката по-долу:

Симулация на веригата за балансиране на напрежението на входа (b) с TINACloud

Симулация на въвеждане на компенсираща компенсация (b) с TINACloud

5.4 Ток на входното отклонение (I_{Отклонение})

Въпреки, че идеалните входове на оп-усилвателя не привличат ток, действителните оп-усилватели позволяват на някакъв ток на отклонение да влиза във всеки входен терминал. I_{Отклонение} е dc ток във входния транзистор, а типичната стойност е 2 μA. Когато импедансът на източника е нисък, I_{Отклонение} има малък ефект, тъй като причинява относително малка промяна във входното напрежение. Въпреки това, с висок импеданс шофиране схеми, малък ток може да доведе до голямо напрежение.

Токът на отклонение може да бъде моделиран като две текущи мивки, както е показано на фигура 19.

Фигура 19 - компенсиране на напрежението

Стойностите на тези мивки са независими от импеданса на източника. Най- ток на отклонение се дефинира като средната стойност на двете текущи мивки. Поради това

(40)

Разликата между двете стойности на мивка е известна като входен офсетов ток, I_ioи се дава от

(41)

Както токът на входния отклонение, така и входният офсетов ток са зависими от температурата. Най- Температурен коефициент на входното отклонение се дефинира като отношението на промяната на тока на отклонение към изменението на температурата. Типична стойност е 10 nA /^oВ. входен компенсиращ температурен коефициент се дефинира като съотношението на изменението на величината на тока на отместване към промяната в температурата. Типичната стойност е -2nA /^oC.

Фигура 20 - Модел на входящото отклонение

Токовете на входните отклонения са включени в модела на оп-усилвателя на Фигура 20, където приемаме, че входният офсетов ток е незначителен.

Това е,

Фигура 21 (а) - Веригата

Анализираме този модел, за да намерим изходното напрежение, причинено от токовете на входните отклонения.

Фигура 21 (а) показва схема на оп-усилвател, където инвертиращите и неинвертиращите входове са свързани към земята чрез съпротивления.

Веригата е заменена с еквивалентната на фигура 21 (b), където сме пренебрегнали V_io, По-нататъшно опростяване на веригата на фигура 21 (c) чрез пренебрегване R_o намлява R_{натоварване}, Това е, предполагаме R_F >> R_o намлява R_{натоварване} >> R_o, Изискванията за натоварване на изхода обикновено гарантират, че тези неравенства са изпълнени.

Схемата е допълнително опростена на фигура 21 (d), където серийната комбинация на зависимия източник на напрежение и резистор се заменя с паралелна комбинация от зависим източник на ток и резистор.

И накрая, ние съчетаваме съпротивления и променяме двата източника на ток обратно към източници на напрежение, за да получим опростения еквивалент на фигура 21 (e).

Фигура 21 (б) и (в) - Ефекти на входното отклонение

Ние използваме уравнение, за да намерим изходното напрежение.

(43)

където

(44)

Съпротивлението при общ режим, R_cm, е в диапазона от няколко стотин мегаома за повечето оп-ампера. Следователно

(45)

Ако предположим това G_o е голямо, уравнението (43) става уравнение.

(46)

Фигура 21 (г) и (д) - Ефекти на входното отклонение

Имайте предвид, че ако стойността на R₁ е избрано да бъде равно на, тогава изходното напрежение е нула. От този анализ заключаваме, че dc устойчивост от V₊ на земята трябва да е равна на dc устойчивост от V_- на земята. Ние използваме това баланс на пристрастия много пъти в нашите проекти. Важно е, че и инвертиращите и неинвертиращите терминали имат a dc път към земята, за да се намалят ефектите на тока на входното отклонение.

Input Bias Current, практически усилватели, операционни усилватели

Фигура 22 - Конфигурации за пример 1

Пример 1

Намерете изходното напрежение за конфигурациите на фигура 22, където I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Решение: Използваме опростената форма на уравнението (46), за да намерим изходните напрежения за веригата от фигура 22 (a).

За веригата от фигура 22 (b) получаваме

ЗАЯВЛЕНИЕ

Също така, можете да извършите тези изчисления с TINACloud симулатор на веригата, като използвате инструмента за интерпретация, като кликнете върху линка по-долу.

Моделиране на токовата верига за симулация на входно отклонение

Моделиране на токовата верига за въвеждане на симулация с TINACлоуд

Моделиране на токовата верига за въвеждане на симулация с TINACлоуд

5.5 Отхвърляне от общ режим

Оп-усилвателят обикновено се използва за усилване на разликата между две входни напрежения. Следователно тя действа в. \ T диференциален режим. Постоянно напрежение, добавено към всеки от тези два входа, не трябва да влияе на разликата и следователно не трябва да се прехвърля към изхода. В практическия случай тази константа или средната стойност на входовете прави влияят на изходното напрежение. Ако разгледаме само равните части на двата входа, ние обмисляме това, което е известно като общ режим.

Фигура 23 - Общ режим

Да приемем, че двата входни терминала на действителен оп-усилвател са свързани заедно и след това към общ източник на напрежение. Това е илюстрирано на фигура 23. Изходното напрежение ще бъде нула в идеалния случай. В практиката този изход не е нула. Съотношението на ненулевото изходно напрежение към приложеното входно напрежение е усилване на общото напрежение, G_cm, Най- коефициент на отхвърляне при общ режим (CMRR) се дефинира като съотношението на dc печалба с отворен цикъл, G_o, до общата печалба режим. Поради това,

(47)

Типичните стойности на CMRR варират от 80 до 100 dB. Желателно е CMRR да бъде възможно най-високо.

5.6 Коефициент на отхвърляне на захранването

Коефициентът на отхвърляне на захранването е мярка за способността на оп-усилвателя да игнорира промените в захранващото напрежение. Ако изходният етап на системата изтегли променливо количество ток, захранващото напрежение може да варира. Това предизвикано от натоварване промяна в захранващото напрежение може да предизвика промени в работата на други усилватели, които имат една и съща доставка. Това е известно като смесване на разговоритеи това може да доведе до нестабилност.

- коефициент на отхвърляне на захранването (PSRR) е съотношението на промяната в v_от до общата промяна в захранващото напрежение. Например, ако положителните и отрицателните захранвания варират от ± 5 V до ± 5.5 V, общата промяна е 11 - 10 = 1 V. PSRR обикновено се определя в микроволта на волт или понякога в децибели. Типичните операционни усилватели имат PSRR от около 30 μV / V.

За да се намалят промените в захранващото напрежение, трябва да има захранване за всяка група операционни усилватели отделено от производството (т.е. изолирани) от тези на други групи. Това ограничава взаимодействието с една група оп-усилватели. На практика, всяка платка на печатната платка трябва да има байпас на захранващите линии към земята чрез 0.1-μF керамика или 1-μF танталов кондензатор. Това гарантира, че вариациите на натоварването няма да се подават значително чрез доставката на други карти.

5.7 Издръжливост на изхода

Като първа стъпка при определяне на изходното съпротивление, R_от, ние намираме еквивалента на Thevenin за частта от схемата на оп-усилвателя, показана в полето, затворено в пунктирани линии на фигура 24. Имайте предвид, че ние пренебрегваме компенсиращия ток и напрежение в този анализ.

(24)

Тъй като веригата не съдържа независими източници, еквивалентното напрежение на Thevenin е нула, така че веригата е еквивалентна на единичен резистор. Стойността на резистора не може да бъде намерена с помощта на резисторни комбинации. За да намерите еквивалентното съпротивление, приемете, че към изходните проводници се прилага източник на напрежение v. След това изчисляваме получения ток, iи вземете съотношението v/i, Това води до съпротивлението на Thevenin.

Фигура 25 (част а) - Тевенинови еквивалентни вериги

Фигура 25 (част б)

Фигура 25 (а) илюстрира приложния източник на напрежение. Схемата е опростена до тази, показана на фигура 25 (b).

Схемата може да бъде допълнително намалена до тази, показана на фигура 25 (c), където дефинираме две нови съпротивления, както следва:

(48)

Ние правим предположението, че R '_A << (R '₁ + R_i) И R_i >> R '₁, Опростената схема на Фигура 25 (d) води до резултати.

Входно диференциално напрежение, v_d, се намира от тази опростена схема, използвайки съотношение на делителя на напрежението.

(49)

За да намерите изходното съпротивление, започваме с писане на уравнението на изходния контур.

(50)

Фигура 25 (части c и d) - Редуцирани вериги за еквивалент на Thevenin

Тогава изходното съпротивление се дава с уравнение (51).

(51)

В повечето случаи, R_cm е толкова голям, че R '_A»R_A намлява R₁"»R₁, Уравнението (51) може да бъде опростено с помощта на усилване на напрежението с нулева честота, G_o, Резултатът е Уравнение (52).

(52)

ЗАЯВЛЕНИЕ

Можете да изчислите изходния импеданс на верига 25 (а) със симулация на верига, като използвате TINACloud Circuit Simulator, като щракнете върху връзката по-долу.

Изходен импеданс на симулация на Opamp Circuit с TINACloud

Изходен импеданс на симулация на Opamp Circuit с TINACloud

Пример 2

Намерете изходния импеданс на буфер за единично усилване, както е показано на фигура 26.

Фигура 26 - буфер за увеличаване на единството

Решение: Когато схемата на фигура 26 се сравнява с веригата за обратна връзка от фигура 24, ние откриваме, че

Ето защо,

Уравнение (51) не може да се използва, тъй като не сме сигурни, че неравенствата, водещи до опростяване на фигура 25 (c), се прилагат в този случай. Това означава, че опростяването изисква това