6. Dizajn op-amp krugova
STRUJA - 6. Dizajn sklopova op-pojačala
PREVIOUS- 5. Kombinovani invertni i neinvertujući ulazi
Dizajn op-amp krugova
Jednom kada je data konfiguracija op-amp sistema, možemo analiza taj sistem da odredi izlaz u smislu inputa. Ovu analizu izvodimo koristeći proceduru o kojoj smo ranije govorili (u ovom poglavlju).
Ako sada želite dizajn krug koji kombinira inverting i ne-inverting ulaze, problem je složeniji. U projektnom zadatku se dobija željena linearna jednadžba i mora se projektovati op-amp sklop. Željeni izlaz radnog pojačala ljeto može se izraziti kao linearna kombinacija ulaza,
(30)
gdje X1, X2 ...Xn su željeni dobici na neinvertirajućim ulazima i Ya, Yb ...Ym su željeni dobici na invertirajućim ulazima. Jednadžba (30) je implementirana sa sklopom slike (14).
Slika 14 - Višestruko ulazno ljeto
Ovaj krug je malo izmijenjena verzija kruga slike (13) (Invertni i neinvertujući ulazi).
Slika 13-Inverting i neinvertujući ulazi
Jedina promjena koju smo napravili je da uključimo otpornike između ulaza op-amp i uzemljenja. Tlo se može posmatrati kao dodatni ulaz nula volti povezanih preko odgovarajućeg otpornika (Ry za invertujući ulaz i Rx za neinvertujući ulaz). Dodavanje ovih otpornika daje nam fleksibilnost u ispunjavanju bilo kojih zahtjeva osim onih iz jednadžbe (30). Na primjer, ulazni otpori mogu biti specificirani. Bilo koji ili oba ova dodatna otpornika mogu se ukloniti puštanjem njihovih vrijednosti u beskonačnost.
Jednadžba (29) iz prethodnog odjeljka pokazuje da su vrijednosti otpornika, Ra, Rb...Rm i R1, R2...Rn su obrnuto proporcionalni željenim dobitcima koji su povezani sa odgovarajućim ulaznim naponima. Drugim riječima, ako je poželjan veliki dobitak na određenom ulaznom terminalu, tada je otpor na tom terminalu mali.
Kada je dobitak otvorene petlje operativnog pojačala, G, je velik, izlazni napon može biti napisan u smislu otpornika spojenih na operativno pojačalo kao u jednadžbi (29). Jednadžba (31) ponavlja ovaj izraz sa blagim pojednostavljenjem i dodavanjem otpornika u masu.
(31)
Definišemo dva ekvivalentna otpora na sledeći način:
(32)
PRIJAVA
Analizirajte sljedeći krug pomoću TINACloud da odredite Vnapolje u smislu ulaznih napona klikom na link ispod.
Višestruka ulazna simulacija ljetnog kruga od strane TINACloud
Višestruka ulazna simulacija ljetnog kruga od strane TINACloud
Vidimo da je izlazni napon linearna kombinacija ulaza gdje je svaki ulaz podijeljen sa pripadajućim otporom i pomnožen s drugim otporom. Umnožavajući otpor je RF za invertovanje ulaza i Req za neinvertujuće ulaze.
Broj nepoznanica u ovom problemu je n + m +3 (tj. Nepoznate vrijednosti otpornika). Stoga se moramo razvijati n + m +3 jednadžbe kako bi se riješile te nepoznanice. Možemo formulisati n + m od ovih jednačina odgovarajućim koeficijentima u jednačini (30). To jest, mi jednostavno razvijamo sistem jednadžbi iz jednačina (30), (31) i (32) na sledeći način:
(33)
Pošto imamo još tri nepoznanice, imamo fleksibilnost da zadovoljimo još tri ograničenja. Tipična dodatna ograničenja uključuju razmatranja ulaznog otpora i razumne vrijednosti za otpornike (npr. Ne biste trebali koristiti precizni otpornik za R1 jednako 10-4 ohms!).
Iako nije potreban za dizajniranje pomoću idealnog op-ampa, koristićemo ograničenje dizajna koje je važno za ne-idealne op-ampere. Za ne-invertirajući op-amp, Thevenin otpor koji gleda unazad od invertujućeg ulaza obično je jednak onom koji gleda unazad od neinvertujućeg ulaza. Za konfiguraciju prikazanu na slici (14), ovo ograničenje se može izraziti na sljedeći način:
(34)
Posljednja jednakost proizlazi iz definicije RA iz jednačine (32). Supstitucija ovog rezultata u Equation (31) daje ograničenje,
(35)
(36)
Zamena ovog rezultata u jednačinu (33) daje jednostavan skup jednadžbi,
(37)
Kombinacije jednačina (34) i jednačine (37) daju nam potrebne informacije za dizajniranje kruga. Mi biramo vrednost od RF i onda riješiti za različite ulazne otpornike pomoću jednadžbe (37). Ako vrijednosti otpornika nisu u praktičnom rasponu, vraćamo se i mijenjamo vrijednost otpornika povratne veze. Nakon što riješimo ulazne otpornike, tada koristimo Equation (34) kako bi prisilili otpore da budu jednaki gledajući unatrag od dva ulaza op-amp. Izabiremo vrednosti od Rx i Ry da se iznudi ova jednakost. Iako jednadžbe (34) i (37) sadrže bitne informacije za dizajn, jedno važno razmatranje je hoće li se otpori uključiti između ulaza op-pojačala i uzemljenja ili ne (Rx i Ry). Rješenje može zahtijevati ponavljanje da bi se dobile smislene vrijednosti (tj. Rješenje se može izvesti jednokratno i doći do negativnih vrijednosti otpora). Iz tog razloga predstavljamo numerički postupak koji pojednostavljuje količinu proračuna[1]
Jednadžba (34) može se prepisati na sljedeći način:
(38)
Zamjenjujući jednadžbu (37) u jednadžbu (38) dobijamo,
(39)
Podsjetimo se da je naš cilj riješiti vrijednosti otpornika u smislu Xi i Yj. Definišite termine sumiranja na sledeći način:
(40)
Tada možemo ponovo napisati Equation (39) na sledeći način:
(41)
Ovo je polazna tačka za našu proceduru dizajniranja. Sjetite se toga Rx i Ry su otpornici između tla i neinvertirajućih i invertirajućih ulaza. Označen je povratni otpor RF i novi termin, Z, definiše se kao
(42)
Tabela (1) - Dizajn pojačala sumnje
Možemo eliminisati jedan ili oba otpornika, Rx i Ry, iz kruga slike (14). To jest, bilo koji ili oba ova otpornika mogu biti podešeni na beskonačnost (tj. Otvorena kola). To daje tri mogućnosti dizajna. U zavisnosti od željenih faktora množenja koji se odnose na izlaz na ulaz, jedan od ovih slučajeva će dati odgovarajući dizajn. Rezultati su sumirani u tabeli (1).
Dizajn kola sa TINA-om i TINAC-om
Postoji nekoliko alata dostupnih u TINA i TINACloud za operativno pojačalo i dizajn krugova.
optimizacija
TINANepoznati parametri sklopa u načinu optimizacije mogu se automatski odrediti tako da mreža može proizvesti unaprijed definiranu ciljnu izlaznu vrijednost, minimalnu ili maksimalnu. Optimizacija je korisna ne samo u dizajnu kola, već i u nastavi, kako bi se konstruirali primjeri i problemi. Imajte na umu da ovaj alat ne radi samo za idealna op-pojačala i linearni krug, već i za bilo koji nelinearni krug sa stvarnim nelinearnim i drugim modelima uređaja.
Razmotrimo inverting krug pojačala sa pravim operativnim pojačalom OPA350.
Podrazumevana postavka ovog kruga je izlazni napon kruga 2.5
To možete lako proveriti pritiskom na dugme DC u TINACloud.
PRIJAVA
Analizirajte sljedeći krug pomoću mrežnog simulatora TINACloud kako biste odredili Vnapolje u smislu ulaznih napona klikom na link ispod.
OPA350 simulacija kruga sa TINACloud
OPA350 simulacija kruga sa TINACloud
Ako želite da ovo pripremite, treba da izaberete ciljni Out = 3V i parametar kola koji treba da se odredi (Optimization Object) Vref. Za ovaj objekat trebalo bi da definišemo i region koji pomaže u pretraživanju, ali i predstavlja ograničenja.
Da biste odabrali i postavili cilj optimizacije u TINACloud, kliknite Vout Voltage pin i postavite Optimization Target na Yes
Zatim kliknite na dugme… u istoj liniji i postavite vrednost na 3.
Pritisnite OK u svakom dijalogu da biste završili podešavanja.
Sada odaberimo i postavimo objekt optimizacije Vref.
Kliknite Vref, a zatim dugme… u istoj liniji
Izaberite opciju Optimization Object u listi na vrhu i postavite polje za optimizaciju / objekat.
Pritisnite OK u oba dijaloga.
Ako su postavke optimizacije bile uspješne, vidjet ćete znak >> na Out i znak << na Vrefu, kao što je prikazano dolje.
Sada izaberite Optimizacija iz menija Analiza i pritisnite RUN u okviru za dijalog Optimizacija.
Nakon završetka optimizacije, pronađeni Vref, Optimalna vrijednost, će biti prikazan u dijalogu DC Optimization
Možete proučiti postavke i pokrenuti optimizaciju online i provjeriti simulacijom kruga pomoću linka ispod.
Pokrenite optimizaciju iz izbornika Analiza, a zatim pritisnite tipku DC tako da vidite rezultat u optimiziranom krugu (3V)
Online optimizacija i simulacija kruga sa TINACloud
Imajte na umu da je u ovom trenutku u TINACloud uključena samo jednostavna DC optimizacija. Više funkcija za optimizaciju uključene su u offline verziju TINA-e.
AC Optimization
Koristeći offline verziju TINA-e, možete optimizirati i redizajnirati AC strujne krugove.
Otvorite MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC niskopropusni krug, od Primeri Texas Instruments Filters_FilterPro fascikla TINA, prikazano ispod.
Pokrenite AC analizu / AC karakteristiku prenosa.
Pojavit će se sljedeći dijagram:
Krug ima jedinstvo (0dB) Gain i 1.45kHz Cutoff frequency.
Sada ćemo redizajnirati krug pomoću AC optimizacije i postavite nisku frekvenciju Gain na 6dB i Cutoff frequency na 900Hz.
Bilješka to je obično alat za optimizaciju koji je primjenjiv samo na promjene. U slučaju filtera možda želite koristiti alat za dizajn filtra. Mi ćemo se pozabaviti tom temom kasnije.
Sada, koristeći Optimizaciju, Gain i Cutoff frekvencija su ciljevi optimizacije.
Kliknite ikonu “Select Optimization Target” na traci s alatima ili na izborniku Analysis “Select Optimization Target”
Kursor će se promijeniti u ikonu: 
. Kliknite na pin Vout Voltage sa novim simbolom kursora.
Pojavit će se sljedeći dijalog:
Kliknite gumbe AC Goal Functions. Pojavit će se sljedeći dijalog:
Označite kućicu Low Pass i postavite ciljnu frekvenciju isključivanja na 900. Sada označite potvrdni okvir Maximum i postavite Target na 6.
Zatim odaberite parametre kruga koje želite promijeniti kako biste dostigli ciljeve optimizacije.
kliknite 
ili liniju Select Control Object u meniju Analysis.
Kursor će se promijeniti na gornji simbol. Kliknite na C1 kondenzator sa ovim novim kursorom. Pojavit će se sljedeći dijalog:
Pritisnite tipku za odabir. Pojavit će se sljedeći dijalog:
Program automatski postavlja raspon (ograničenje) gdje će se tražiti vrijednost Optimum. Krajnja vrijednost za 20n kao što je prikazano gore.
Ponovite isti postupak za R2. Krajnju vrijednost postavite na 20k.
Nakon završetka podešavanja optimizacije, odaberite Optimizacija / AC optimizacija (Prijenos) iz izbornika Analiza.
Pojavit će se sljedeći dijalog:
Prihvatite podrazumevane postavke pritiskom na OK.
Nakon kratke kalkulacije pronađena je optimalna i pojavljuju se promijenjeni parametri komponente:
Na kraju provjerite rezultat sa simulacijom strujnog kruga koji izvodi Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Kao što je prikazano na dijagramu, postignute su ciljne vrijednosti (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz).
Korištenje alata Circuit Designer u TINA i TINACloud
Drugi metod metoda dizajniranja krugova u TINA-u i TINAcloud-u je upotreba ugrađenog alata Circuit Designer koji se zove jednostavno Design Tool.
Alat za dizajn radi sa dizajnerskim jednadžbama vašeg kruga kako bi se osiguralo da specificirani ulazi rezultiraju navedenim izlaznim odzivom. Alat zahtijeva od vas izjavu o ulazima i izlazima i odnosima između vrijednosti komponenti. Alat vam nudi rešenje koje možete koristiti za rešavanje problema i za različite scenarije. Izračunate vrijednosti komponenti automatski se postavljaju u shemu i možete provjeriti rezultat simulacijom.
Hajde da dizajniramo AC pojačanje istog kola pomoću našeg alata Circuit Designer.
Otvorite krug iz direktorijuma Design Tool u TINACloud. Pojaviće se sledeći ekran.
Sada ćemo pokrenuti AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Pojavit će se sljedeći dijagram:
Sada ćemo redizajnirati krug da bi dobio jedinstven dobitak (0dB)
Pokrenite redizajn ovog kruga iz izbornika Alati
Pojaviće se sledeći dijalog.
Podesite Gain na -1 (0 dB) i pritisnite dugme Run.
Izračunate vrijednosti novih komponenti odmah će se pojaviti u uređivaču sheme, crtane crvenom bojom.
Pritisnite dugme Prihvati.
Promjene će biti finalizirane. Ponovo pokrenite AC Analysis / AC Transfer Characteristics kako biste provjerili redizajnirano kolo.
————————————————————————————————————————————————— —-
1Ovu tehniku je osmislio Phil Vrbancic, student na Kalifornijskom državnom univerzitetu u Long Beachu, i predstavljen u radu koji je dostavljen IEEE Region VI nagradnom papiru.