Praktični Op-Amps- TINA i TINACloud resursi

Praktične op-pojačala

Praktične op-amperi približavaju svoje idealan ali se razlikuju u nekim važnim aspektima. Važno je za dizajnera kola da razume razlike između stvarnih op-ampera i idealnih op-ampera, jer te razlike mogu negativno uticati na performanse sklopa.

Cilj nam je razviti detaljan model praktičnog opcijskog pojačala - model koji uzima u obzir najznačajnije karakteristike neidealnog uređaja. Počinjemo definiranjem parametara koji se koriste za opisivanje praktičnih pojačala. Ovi su parametri navedeni u popisima na tehničkim listovima koje je isporučio proizvođač opcijskih pojačala.

Tabela 1 navodi vrijednosti parametara za tri pojedinačna op-ampera, od kojih je jedan μA741. Mi koristimo μA741 operativna pojačala u mnogim primjerima i problemima na kraju poglavlja iz sljedećih razloga: (1) oni su proizvedeni od strane mnogih IC proizvođača, (2) i nalaze se u velikim količinama u elektronskoj industriji, i ( 3) su op-amp-pojačala opšte namene, a njihova svojstva se mogu koristiti kao referenca za svrhe poređenja kada se radi sa drugim op-amp tipovima. Kako su različiti parametri definirani u sljedećim odjeljcima, treba navesti tablicu 9.1 kako bi se pronašle tipične vrijednosti.

Praktična op-pojačala, operativna pojačala

Tabela 1 - Vrijednosti parametara za op-pojačala

Najznačajnija razlika između idealnog i stvarnog op-ampera je u naponskom pojačanju. Idealan op-amp ima napon koji se približava beskonačnosti. Stvarni op-amp ima konačni napon koji se smanjuje kako se frekvencija povećava (ovo ćemo detaljno istražiti u sljedećem poglavlju).

5.1 Open-Loop napon napona (G)

Dobit napona otvorene petlje op-amp je omjer promjene izlaznog napona i promjene ulaznog napona bez povratne sprege. Dobitak napona je bezdimenzionalna količina. Simbol G se koristi da označi dobitak napona otvorene petlje. Op-amperi imaju visok napon za niskofrekventne ulaze. Specifikacija op-amp navodi listu napona u voltima po milivoltu ili u decibelima (dB) [definisano kao 20log₁₀(v_napolje/v_in)].

Modul X-NUMX modifikovan op-amp

Slika 14 prikazuje modifikovanu verziju idealizovanog op-amp modela. Izmijenili smo idealizirani model dodavanjem ulaznog otpora (R_i), izlazni otpor (R_o), i opšteg otpora (R_cm).

Slika 14 - Modifikovani op-amp model

Tipične vrijednosti ovih parametara (za 741 op-amp) su

Sada ćemo razmotriti kolo sa slike 15 da bismo ispitali performanse op-amp-a. Invertujući i neinvertujući ulazi op-amp-a pokreću izvori koji imaju serijski otpor. Izlaz op-amp se vraća na ulaz kroz otpornik, R_F.

Označeni su izvori koji pokreću ova dva ulaza v_A i v₁, a pridruženi serijski otpori su R_A i R₁. Ako je ulazni sklop složeniji, ovi otpori se mogu smatrati Thevenin ekvivalentima tog kruga.

Slika 15 - Op-amp sklop

5.3 Ulazni offset napon (V_io)

Kada je ulazni napon idealne op-amp nula, izlazni napon je također nula. Ovo nije tačno za stvarni op-amp. The ulazni offset napon, V_io, definiše se kao diferencijalni ulazni napon potreban da bi izlazni napon bio jednak nuli. V_io je nula za idealnu op-amp. Tipična vrijednost V_io za 741 op-amp je 2 mV. Ne-nula vrednost od V_io je nepoželjno jer op-amp pojačava bilo koji ulazni offset, uzrokujući tako veći izlaz dc greška.

Sljedeća tehnika se može koristiti za mjerenje ulaznog offset napona. Umjesto da se mijenja ulazni napon kako bi se izlaz učinio nulom, ulaz se postavlja jednak nuli, kao što je prikazano na slici 16, a izlazni napon se mjeri.

Slika 16 - Tehnika mjerenja Vio

Izlazni napon koji proizlazi iz nultog ulaznog napona poznat je kao izlazni napon istosmjernog napona. Ulazni offset napon se dobija dijeljenjem te količine s dobitkom otvorene petlje op-amp.

Efekti ulaznog offset napona mogu se ugraditi u op-amp model kao što je prikazano na slici 17.

Pored uključivanja ulaznog offset napona, idealan op-amp model je dodatno modifikovan dodavanjem četiri otpora. R_o je izlazni otpor. The ulazni otpor op-amp, R_i, se mjeri između invertujućih i neinvertirajućih terminala. Model takođe sadrži otpornik koji povezuje svaki od dva ulaza sa masom.

To su otpori u zajedničkom režimu, i svaki je jednak 2-uR_cm. Ako su ulazi povezani zajedno kao na slici 16, ova dva otpornika su paralelna, a kombinovana otpornost Thevenin na masu je R_cm. Ako je op-amp idealan, R_i i R_cm pristupiti beskonačnosti (tj. otvorenom krugu) i R_o je nula (tj. kratki spoj).

Slika 17 - Input offset voltage

Vanjska konfiguracija prikazana na slici 18 (a) može se koristiti za negiranje efekata ofset napona. Promjenjivi napon se primjenjuje na invertirajući ulazni terminal. Pravilan izbor ovog napona poništava ulazni offset. Slično tome, slika 18 (b) ilustrira ovaj krug balansiranja koji se primjenjuje na neinvertirajući ulaz.

Slika 18 - uravnoteženje napona

PRIJAVA

Možete testirati balansiranje ulaznog offset napona 18 (a) kola simulacijom na mreži sa TINACloud simulatorom kruga klikom na link ispod.

Simulacija kola za balansiranje napona na ulazu (a) sa TINACloud

Simulacija kola za balansiranje napona na ulazu (a) sa TINACloud

PRIJAVA

Možete testirati balansiranje ulaznog offset-a 18 (b) kola simulacijom na mreži sa TINACloud simulatorom kruga klikom na link ispod:

Simulacija kola za balansiranje napona na ulazu (b) sa TINACloud

Simulacija kola za uravnoteženje ulaza (b) sa TINACloud

5.4 Ulazna struja (I_sklonost)

Iako idealni op-amp ulazi ne izvlače struju, stvarni op-amperi dopuštaju da neka struja pristranosti uđe u svaki ulazni terminal. I_sklonost je dc struja u ulazni tranzistor, a tipična vrijednost je 2 μA. Kada je impedancija izvora niska, I_sklonost ima mali efekat, jer uzrokuje relativno malu promjenu ulaznog napona. Međutim, kod krugova pogona visoke impedancije, mala struja može dovesti do velikog napona.

Struja bias-a može se modelirati kao dva trenutna ponora, kao što je prikazano na slici 19.

Slika 19 - uravnoteženje napona

Vrijednosti ovih odvoda su neovisne o impedanciji izvora. The struja pristranosti definira se kao prosječna vrijednost dva trenutna ponora. Tako

(40)

Razlika između dvije vrijednosti sudopera poznata je kao ulazna ofset struja, I_io, a daje se po

(41)

I ulazna struja i ulazna ofset struja zavise od temperature. The temperaturni koeficijent ulazne pristranosti se definira kao omjer promjene struje pristranosti i promjene temperature. Tipična vrijednost je 10 nA /^oC. The ulazni offset trenutni temperaturni koeficijent definira se kao omjer promjene veličine mjerne struje i promjene temperature. Tipična vrijednost je -2nA /^oC.

Slika 20 - Ulazni trenutni model pristranosti

Ulazne struje prednapona ugrađene su u op-amp model na slici 20, gdje pretpostavljamo da je ulazna offset struja zanemariva.

To je,

Slika 21 (a) - Krug

Ovaj model analiziramo kako bismo pronašli izlazni napon uzrokovan ulaznim strujama prednapona.

Slika 21 (a) prikazuje op-amp krug gdje su invertni i neinvertujući ulazi povezani sa uzemljenjem preko otpora.

Krug je zamijenjen ekvivalentom na slici 21 (b), gdje smo zanemarili V_io. Dalje pojednostavljujemo sklop na slici 21 (c) zanemarujući R_o i R_opterećenje. To je, pretpostavljamo R_F >> R_o i R_opterećenje >> R_o. Zahtjevi za izlaznim opterećenjem obično osiguravaju zadovoljavanje ovih nejednakosti.

Krug je dodatno pojednostavljen na slici 21 (d) gdje se serijska kombinacija ovisnog izvora napona i otpornika zamjenjuje paralelnom kombinacijom ovisnog izvora struje i otpornika.

Konačno, kombinujemo otpore i mijenjamo oba izvora struje natrag na izvore napona kako bismo dobili pojednostavljeni ekvivalent slike 21 (e).

Slika 21 (b) i (c) - Input bias effects

Koristimo jednadžbu petlje kako bismo pronašli izlazni napon.

(43)

gdje

(44)

Opšti otpor, R_cm, je u rasponu od nekoliko stotina megohma za većinu op-ampera. Zato

(45)

Ako to dalje pretpostavimo G_o je velika, jednačina (43) postaje jednadžba.

(46)

Slika 21 (d) i (e) - Ulazni efekti pristranosti

Imajte na umu da ako je vrijednost R₁ je izabran da bude jednak, onda je izlazni napon nula. Iz ove analize zaključujemo da je dc otpor od V₊ na zemlju treba da bude jednako dc otpor od V_- to ground. Koristimo ovo ravnoteža predrasuda ograničenja mnogo puta u našim nacrtima. Važno je da i invertni i neinvertujući terminali imaju a dc put do tla da bi se smanjili efekti struje ulaznih prednapona.

Ulazna struja, praktična op-amp, operativna pojačala

Slika 22 - Konfiguracije za primjer 1

primjer 1

Pronađite izlazni napon za konfiguracije na slici 22 gdje I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
rješenje: Koristimo pojednostavljeni oblik jednačine (46) kako bismo pronašli izlazne napone za krug sa slike 22 (a).

Za kolo na slici 22 (b), dobijamo

PRIJAVA

Takođe, ove proračune možete izvršiti pomoću simulatora TINACloud sklopa, koristeći alat Interpreter klikom na link ispod.

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation sa TINACloud

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation sa TINACloud

5.5 Odbijanje zajedničkog načina rada

Op-amp se obično koristi za pojačavanje razlike između dva ulazna napona. Stoga djeluje u diferencijalni mod. Stalni napon dodan na svaki od ova dva ulaza ne bi trebao utjecati na razliku i stoga se ne bi trebao prenositi na izlaz. U praktičnom slučaju, ova konstanta ili prosječna vrijednost ulaznih podataka radi utiču na izlazni napon. Ako uzmemo u obzir samo jednake delove dva ulaza, razmatramo ono što je poznato kao common mode.

Slika 23 - Common mode

Pretpostavimo da su dva ulazna terminala stvarnog op-ampa spojena zajedno, a zatim na zajednički izvor napona. Ovo je prikazano na slici 23. U idealnom slučaju izlazni napon bi bio nula. U praktičnom slučaju, ovaj rezultat nije nula. Odnos izlaznog napona koji nije nula i primijenjenog ulaznog napona je pojačanje napona u zajedničkom modu, G_cm. The omjer odbacivanja u zajedničkom modu (CMRR) se definira kao omjer dc dobitak otvorene petlje, G_o, do opšteg dobitka režima. Tako,

(47)

Tipične vrijednosti CMRR se kreću od 80 do 100 dB. Poželjno je da CMRR bude što viši.

5.6 Omjer odbijanja napajanja

Omjer odbijanja napajanja je mjera sposobnosti op-amp-a da ignorira promjene napona napajanja. Ako izlazni stupanj sistema izvlači varijabilnu količinu struje, napon napajanja može varirati. Ova promjena opskrbnog napona uzrokovana opterećenjem mogla bi onda uzrokovati promjene u radu drugih pojačala koja dijele istu opskrbu. To je poznato kao cross-talk, i to može dovesti do nestabilnosti.

The omjer odbijanja napajanja (PSRR) je odnos promjene u v_napolje do ukupne promjene napona napajanja. Na primjer, ako pozitivne i negativne opskrbe variraju od ± 5 V do ± 5.5 V, ukupna promjena je 11 - 10 = 1 V. PSRR se obično navodi u mikrovoltima po voltu ili ponekad u decibelima. Tipična op-pojačala imaju PSRR od oko 30 μV / V.

Da bi se smanjile promene napona napajanja, potrebno je napajanje za svaku grupu op-ampera decoupled (tj. izolirani) od onih iz drugih grupa. Ovo ograničava interakciju na jednu grupu op-ampera. U praksi, svaka štampana kartica mora imati dovodne vodove zaobilazne do tla pomoću 0.1-μF keramike ili 1-μF tantalovog kondenzatora. Time se osigurava da varijacije opterećenja neće značajno utjecati na napajanje drugih kartica.

5.7 Izlazni otpor

Kao prvi korak u određivanju izlazne otpornosti, R_napolje, nalazimo da je Thevenin ekvivalent za dio kruga op-amp prikazan u kutiji zatvorenoj isprekidanim linijama na slici 24. Napominjemo da u ovoj analizi ignoriramo struju i napon odstupanja.

(24)

Budući da krug ne sadrži nezavisne izvore, ekvivalentni napon Thevenina je nula, pa je krug ekvivalentan jednom otporu. Vrijednost otpornika ne može se pronaći pomoću kombinacija otpornika. Da biste pronašli ekvivalentni otpor, pretpostavimo da je na izlazne vodove primijenjen izvor napona v. Zatim izračunavamo rezultirajuću struju, i, i uzeti omjer v/i. To daje otpornost na Thevenin.

Slika 25 (dio a) - Teveninski ekvivalentni krugovi

Slika 25 (dio b)

Slika 25 (a) prikazuje primijenjeni izvor napona. Krug je pojednostavljen na onaj prikazan na slici 25 (b).

Krug se može dalje redukovati na onaj prikazan na slici 25 (c), gde definišemo dva nova otpora na sledeći način:

(48)

Pretpostavljamo da R '_A << (R '₁ + R_i) i R_i >> R '₁. Pojednostavljeni rezultat dijagrama 25 (d).

Ulazni diferencijalni napon, v_d, nalazi se iz ovog pojednostavljenog kruga koristeći omjer djelitelja napona.

(49)

Da bismo pronašli izlazni otpor, počinjemo pisanjem jednadžbe izlazne petlje.

(50)

Slika 25 (dijelovi c i d) - Redukovani ekvivalentni krugovi za Thevenin

Izlazni otpor se tada daje jednadžbom (51).

(51)

U većini slučajeva, R_cm je tako velika da R '_A»R_A i R₁'»R₁. Jednadžba (51) može se pojednostaviti pomoću nultog frekvencijskog pojačanja, G_o. Rezultat je Equation (52).

(52)

PRIJAVA

Izlaznu impedansu kruga 25 (a) možete izračunati simulacijom kruga pomoću TINACloud simulatora kruga klikom na donju vezu.

Izlazna impedancija simulacije opamp kruga sa TINACloudom

Izlazna impedancija simulacije opamp kruga sa TINACloudom

primjer 2

Nađite izlaznu impedanciju bafera za jedinstvenu dobit kao što je prikazano na slici 26.

Slika 26 - Unity gain buffer

rješenje: Kada se krug sa slikom 26 uporedi sa krugovom povratne veze na slici 24, to pronalazimo

Zbog toga,

Jednadžba (51) se ne može koristiti, jer nismo sigurni da se u ovom slučaju primjenjuju nejednakosti koje dovode do pojednostavljenja slike 25 (c). To znači da to pojednostavljenje zahteva