6. Disseny de circuits Op-amp
ACTUALITAT - 6. Disseny de circuits d'amplificadors
ANTERIOR- 5. Entrades inverses combinades i invertides
Disseny de circuits op-amp
Una vegada que es dóna la configuració d’un sistema d’amplificador, podem analitzar aquest sistema per determinar la sortida en termes de les entrades. Realitzem aquesta anàlisi utilitzant el procediment esmentat anteriorment (en aquest capítol).
Si ara ho desitgeu disseny un circuit que combina entrades inversores i invertides, el problema és més complex. En un problema de disseny, es dóna una equació lineal desitjada i s'ha de dissenyar el circuit op-amp. La sortida desitjada de l’amplificador operatiu estiu es pot expressar com una combinació lineal d’entrada,
(30)
where X1, X2 ...Xn són els guanys desitjats en les entrades no invertides i Ya, Yb ...Ym són els guanys desitjats a les entrades inversores. L’equació (30) s’implementa amb el circuit de la figura (14).
Figura 14- Estiu de múltiples entrades
Aquest circuit és una versió lleugerament modificada del circuit de la figura (13) (Inversions invertides i invertides).
Figura 13: invertir i no invertir entrades
L’únic canvi que hem fet és incloure resistències entre les entrades de l’amplificador i el terreny. El sòl es pot veure com una entrada addicional de zero volts connectats a través de la resistència corresponent (Ry per a l’entrada inversora i Rx per a l’entrada no inversora). L’addició d’aquestes resistències ens dóna flexibilitat per satisfer qualsevol requisit més enllà de l’equació (30). Per exemple, es poden especificar les resistències d’entrada. Es pot eliminar qualsevol d'aquestes resistències addicionals o ambdues, deixant que els seus valors vagin a l'infinit.
L’equació (29) de la secció anterior mostra que els valors de les resistències, Ra, Rb, ...Rm i R1, R2, ...Rn són inversament proporcionals als guanys desitjats associats a les tensions d’entrada respectives. En altres paraules, si es vol un gran guany en un terminal d’entrada en particular, la resistència d’aquest terminal és petita.
Quan el bucle obert guanyi l’amplificador operatiu, G, és gran, la tensió de sortida es pot escriure en termes de les resistències connectades a l’amplificador operatiu com a Equació (29). L'equació (31) repeteix aquesta expressió amb una petita simplificació i amb l'addició de les resistències a terra.
(31)
Definim dues resistències equivalents de la següent manera:
(32)
APLICACIÓ
Analitzeu el circuit següent utilitzant TINACloud per determinar Vfora en termes de tensions d’entrada fent clic a l’enllaç següent.
Simulació de circuits d’estiu d’entrada múltiple per TINACloud
Simulació de circuits d’estiu d’entrada múltiple per TINACloud
Veiem que la tensió de sortida és una combinació lineal d’entrada on cada entrada es divideix per la seva resistència associada i multiplicada per una altra resistència. La resistència multiplicadora és RF per invertir entrades i Req per a entrades no invertides.
El nombre de desconeguts d’aquest problema és n + m +3 (és a dir, els valors de resistència desconeguts). Per tant, hem de desenvolupar-nos n + m +Equacions d’3 per resoldre aquestes incògnites. Podem formular n + m d’aquestes equacions fent coincidir els coeficients donats en l’equació (30). És a dir, simplement desenvolupem el sistema d'equacions de les equacions (30), (31) i (32) de la següent manera:
(33)
Com que tenim tres incògnites més, tenim la flexibilitat necessària per satisfer tres restriccions més. Les restriccions addicionals típiques inclouen consideracions de resistència d’entrada i tenen valors raonables per a les resistències (per exemple, no voldreu haver d’utilitzar una resistència de precisió per a R1 igual a 10-4 ohms!).
Tot i que no s’exigeix per al disseny utilitzant op-amperes ideals, utilitzarem una restricció de disseny important per a op-amperes no ideals. Per a l’amplificador sense inversió, la resistència de Thevenin que mira cap enrere des de l’inversor s’aconsegueix generalment igual a la que mira cap enrere de l’entrada no inversora. Per a la configuració que es mostra a la figura (14), aquesta restricció es pot expressar de la manera següent:
(34)
La darrera igualtat resulta de la definició de RA d’Equació (32). Substituint aquest resultat a Equació (31) es produeix la restricció,
(35)
(36)
La substitució d’aquest resultat a l’equació (33) produeix el conjunt simple d’equacions,
(37)
Les combinacions d’equacions (34) i d’equacions (37) ens proporcionen la informació necessària per dissenyar el circuit. Seleccionem un valor de RF i després solucioneu les diferents resistències d’entrada utilitzant l’equació (37). Si els valors de les resistències no es troben en un rang pràctic, tornem a canviar el valor de la resistència de retroalimentació. Un cop resolem les resistències d’entrada, utilitzem l’equació (34) per forçar les resistències a ser iguals mirant cap enrere des de les dues entrades d’amplificador. Seleccionem valors de Rx i Ry per forçar aquesta igualtat. Tot i que les equacions (34) i (37) contenen la informació essencial per al disseny, una consideració important és si s’inclouen o no les resistències entre les entrades d’amplificador operacional i terra (Rx i Ry). La solució pot requerir iteracions per obtenir valors significatius (és a dir, podeu realitzar la solució una vegada i obtenir valors de resistència negativa). Per aquest motiu, presentem un procediment numèric que simplifica la quantitat de càlculs[1]
L’equació (34) es pot reescriure de la manera següent:
(38)
Substituint l’equació (37) a l’equació (38) obtenim,
(39)
Recordem que el nostre objectiu és resoldre els valors de les resistències en termes de Xi i Yj. Definim els termes de sumació de la següent manera:
(40)
A continuació, podem reescriure l’equació (39) de la següent manera:
(41)
Aquest és un punt de partida per al nostre procediment de disseny. Recordeu-ho Rx i Ry són les resistències entre terra i les entrades no inversores i inversores, respectivament. Es denota la resistència de retroalimentació RF i un nou terme, Z, es defineix com
(42)
Taula (1) - Disseny de l'amplificador
Podem eliminar qualsevol o les dues resistències, Rx i Ry, del circuit de la figura (14). És a dir, qualsevol d'aquestes resistències o les dues es poden configurar a l'infinit (és a dir, en circuit obert). Això produeix tres possibilitats de disseny. Depenent dels factors multiplicadors desitjats que relacionin la sortida amb l'entrada, un d'aquests casos donarà el disseny adequat. Els resultats es resumeixen a la Taula (1).
Disseny de circuits amb TINA i TINACloud
Hi ha diverses eines disponibles a TINA i TINACloud per a l’amplificador operatiu i el disseny de circuits.
Optimització
TINAEls paràmetres del circuit desconegut del mode d'optimització es poden determinar automàticament de manera que la xarxa pugui produir un valor de sortida objectiu predefinit, mínim o màxim. L’optimització és útil no només en el disseny de circuits, sinó també en l’ensenyament, per construir exemples i problemes. Tingueu en compte que aquesta eina no només funciona per a amplificadors operatius i circuits lineals ideals, sinó per a qualsevol circuit no lineal amb models de dispositius reals i no lineals.
Penseu en el circuit amplificador inversor amb un amplificador operatiu real OPA350.
Amb la configuració predeterminada d’aquest circuit, la tensió de sortida del circuit és 2.5
Podeu comprovar-ho fàcilment prement el botó DC a TINACloud.
APLICACIÓ
Analitzeu el circuit següent mitjançant el simulador de circuits en línia TINACloud per determinar la Vfora en termes de tensions d’entrada fent clic a l’enllaç següent.
Simulació de circuits OPA350 amb TINACloud
Simulació de circuits OPA350 amb TINACloud
Per tal de preparar-ho, hauríem de seleccionar el destinatari Out = 3V i el paràmetre del circuit a determinar (Object Optimization) Vref. Per a aquest objecte també hem de definir una regió que ajudi a la cerca, però també representa les restriccions.
Per seleccionar i establir l’objectiu d’optimització a TINACloud, feu clic a Pin de voltatge de Vout i establiu l’objectiu d’optimització en Sí
A continuació, feu clic al botó ... de la mateixa línia i establiu el valor a 3.
Premeu OK a cada diàleg per acabar la configuració.
Ara seleccionem i configurem l'objecte d'optimització de Vref.
Feu clic a Vref i després al botó ... de la mateixa línia
Seleccioneu l'Optimització d'objectes de la llista que apareix a dalt i marqueu la casella Optimització / Objecte.
Premeu OK a tots dos diàlegs.
Si la configuració de l’optimització s’ha realitzat correctament, veureu un signe >> a la sortida i un signe << a Vref, tal com es mostra a continuació.
Ara seleccioneu Optimització al menú Anàlisi i premeu RUN al quadre de diàleg Optimització.
Després de completar l’optimització, es mostrarà el Vref trobat, el valor òptim, al diàleg d’optimització de CC
Podeu estudiar la configuració i executar l’Optimització en línia i comprovar per Circuit Simulation mitjançant l’enllaç següent.
Executeu l'optimització des del menú Anàlisi i premeu el botó CC per tal de veure el resultat al circuit optimitzat (3V)
Optimització en línia i simulació de circuits amb TINACloud
Tingueu en compte que en aquest moment a TINACloud només s’inclou una optimització de CC simple. S'inclouen més funcions d’optimització a la versió fora de línia de TINA.
Optimització de CA
Utilitzant la versió fora de línia de TINA també podeu optimitzar i redissenyar els circuits AC.
Obriu el circuit de pas baix MFB 2nd Order Ordre Chebyshev LPF.TSC, del Exemples: Texas Instruments: carpeta Filters_FilterPro de TINA, mostrat a continuació.
Executeu una característica d'anàlisi de CA / transferència de CA.
Apareixerà el següent diagrama:
El circuit té la unitat de guany (0dB) i la freqüència de tall 1.45kHz.
Ara redissenyem el circuit usant AC Optimization i definiu el guany de baixa freqüència a 6dB i la freqüència de tall a 900Hz.
Nota que normalment l’eina d’optimització només s’aplica als canvis. En cas de filtres, és possible que vulgueu utilitzar una eina de disseny de filtres. Més endavant tractarem aquest tema.
Ara, utilitzant l’optimització, el guany i la freqüència de tall són els objectius d’optimització.
Feu clic a la icona "Selecciona un objectiu d'optimització" a la barra d'eines o al menú Anàlisi "Seleccioneu un objectiu d'optimització".
El cursor canviarà a la icona: 
. Feu clic al pin de voltatge Vout amb el nou símbol del cursor.
Apareixerà el següent diàleg:
Feu clic als botons de funcions de l’objectiu de l’AC. Apareixerà el següent diàleg:
Marqueu la casella de pas baixa i configureu la freqüència de tall de destinació 900. Ara marqueu la casella de selecció Màxim i configureu l'objectiu a 6.
A continuació, seleccioneu els paràmetres del circuit que voleu canviar per assolir els objectius d’Optimització.
Feu clic al 
símbol o la línia Selecciona objecte de control al menú Anàlisi.
El cursor canviarà al símbol anterior. Feu clic al condensador C1 amb aquest nou cursor. Apareixerà el següent diàleg:
Premeu el botó de selecció. Apareixerà el següent diàleg:
El programa estableix automàticament un interval (restricció) on es buscarà el valor òptim. Finalitzeu el valor a 20n, tal com es mostra més amunt.
Ara repetiu el mateix procediment per a R2. Establiu el valor final a 20k.
Després d'acabar la configuració d'optimització, seleccioneu Optimització / Optimització de CA (Transferència) al menú Anàlisi.
Apareixerà el següent diàleg:
Accepteu la configuració per defecte prement OK.
Després d'un càlcul curt, es troba l’òptim i apareixen els paràmetres dels components:
Finalment, comproveu el resultat amb la simulació de circuits que s'executa executant Anàlisi de CA / Característiques de transferència de CA.
Com es mostra al diagrama, s’han aconseguit els valors d’objectiu (Gain 6db, Freqüència de tall 900Hz).
Ús de l’eina de disseny de circuits a TINA i TINACloud
Un altre mètode de mètode per dissenyar circuits a TINA i TINAcloud és utilitzar l’eina construïda per al disseny de circuits anomenada simplement eina de disseny.
L'eina de disseny funciona amb les equacions de disseny del vostre circuit per garantir que les entrades especificades resultin en la resposta de sortida especificada. L’eina us requereix una declaració de les entrades i sortides i de les relacions entre els valors dels components. L’eina us ofereix un motor de solució que podeu utilitzar per resoldre de manera repetitiva i precisa per a diversos escenaris. Els valors dels components calculats s’instal·len automàticament en l’esquema i podeu comprovar el resultat mitjançant la simulació.
Dissenyem l’amplificació de CA del mateix circuit mitjançant l’eina de disseny de circuits.
Obriu el circuit des de la carpeta de l'eina de disseny de TINACloud. Apareixerà la pantalla següent.
Ara anem a executar AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Apareixerà el següent diagrama:
Ara redissenyarem el circuit per obtenir guany d’unitat (0dB)
Invoqueu el redisseny d'aquest circuit al menú Eines
Apareixerà el següent diàleg.
Definiu Gain a -1 (0 dB) i premeu el botó Executar.
Els valors calculats dels components nous apareixeran immediatament a l’editor esquemàtic, dibuixat en color vermell.
Premeu el botó Accept.
Els canvis seran finalitzats. Executeu de nou les característiques de transferència de CA / anàlisi de CA per comprovar el circuit redissenyat.
——————————————————————————————————————————————————— —-
1Aquesta tècnica va ser ideada per Phil Vrbancic, estudiant de la Universitat Estatal de Califòrnia, Long Beach, i presentada en un document presentat al concurs de paper del Premi IEEE Region VI.