5. Op-ampères pràctics

Op-ampères pràctics

Els Op-amps pràctics aproximen el seu ideal contrapartes, però difereixen en alguns aspectes importants. És important que el dissenyador de circuits comprengui les diferències entre els op-amplis reals i els op-amperes ideals, ja que aquestes diferències poden afectar negativament el rendiment del circuit.

El nostre objectiu és desenvolupar un model detallat del pràctic amplificador operatiu, un model que tingui en compte les característiques més significatives del dispositiu no ideal. Comencem definint els paràmetres que s’utilitzen per descriure amplificadors operatius pràctics. Aquests paràmetres s’especifiquen als llistats dels fulls de dades subministrats pel fabricant de l’amplificador operatiu.

La taula 1 enumera els valors dels paràmetres per a tres op-amps concrets, un dels quals és μA741. Utilitzem amplificadors operatius μA741 en molts dels exemples i problemes de final de capítol per les raons següents: (1) han estat fabricats per molts fabricants d’IC, (2) es troben en grans quantitats a tota la indústria electrònica i ( 3) són op-amperes de compensació interna amb propòsit general i les seves propietats es poden utilitzar com a referència per a la comparació quan es tracten amb altres tipus d’amplificadors. Com els diferents paràmetres es defineixen a les seccions següents, cal fer referència a la taula 9.1 per trobar valors típics.

Op-amperes pràctiques, amplificadors operacionals

Taula 1 - Valors de paràmetres per a amplificadors operatius

La diferència més significativa entre els op-amperadors ideals i reals està en el guany de tensió. L'opp-amp ideal té un guany de tensió que s'aproxima a l'infinit. L'amplificador real té un guany de tensió finit que disminueix a mesura que augmenta la freqüència (explorem-ho detalladament al capítol següent).

5.1 Gain-Loop Voltage Gain (G)

El guany de tensió de bucle obert d’un amplificador d’opció és la relació entre el canvi de tensió de sortida i el canvi de la tensió d’entrada sense retroalimentació. El guany de tensió és una quantitat adimensional. El símbol G s'utilitza per indicar el guany de tensió en bucle obert. Els op-amplificadors tenen un guany d'alta tensió per a entrades de baixa freqüència. L’especificació de l’amplificador d’opcions mostra el guany de tensió en volts per mil·livolt o en decibels (dB) [definit com a 20log10(vfora/vin)].

Model d’amplificador modificat 5.2 

La figura 14 mostra una versió modificada del model d’amplificador idealitzat. Hem modificat el model idealitzat afegint resistència d’entrada (Ri), resistència de sortida (Ro), i la resistència en mode comú (Rcm).

op-amp, op-amperes pràctiques

Figura 14: model d’amplificador modificat

Els valors típics d’aquests paràmetres (per al amplificador 741)

Ara considerem el circuit de la figura 15 per examinar el rendiment de l’amplificador op. Les entrades inversores i no invertides de l’amplificador op és conduïdes per fonts que tenen resistència de sèrie. La sortida de l’amplificador opcional es retorna a l’entrada mitjançant una resistència, RF.

Es designen les fonts que condueixen les dues entrades vA i v1, i les resistències de la sèrie associades són RA i R1. Si el circuit d’entrada és més complex, es poden considerar aquestes resistències com equivalents de Thevenin d’aquest circuit.

Op-amperes pràctiques, amplificadors operacionals

Figura 15: circuit d’amplificador op

5.3 Tensió d’offset d’entrada (V.)io)

Quan la tensió d’entrada a un amplificador òptim ideal és zero, la tensió de sortida també és zero. Això no és cert per a un amplificador real. El tensió de compensació d’entrada, Vio, es defineix com la tensió d’entrada diferencial necessària per fer la tensió de sortida igual a zero. Vio és zero per a l’opper-amp ideal. Un valor típic de Vio per a l’amplificador 741 és 2 mV. Un valor diferent de zero de Vio no és desitjable perquè l’amplificador d’opcions amplifica qualsevol desplaçament d’entrada, causant així una sortida més gran dc error

La següent tècnica es pot utilitzar per mesurar el voltatge de compensació d’entrada. En lloc de variar la tensió d’entrada per forçar la sortida a zero, l’entrada s’estableix igual a zero, com es mostra a la figura 16 i es mesura la tensió de sortida.

op-amplificadors, amplificadors operacionals

Figura 16 - Tècnica per mesurar Vio

La tensió de sortida resultant d’una tensió d’entrada nulada es coneix com a sortida de la tensió de compensació dc. La tensió d'entrada de compensació s'obté dividint aquesta quantitat pel guany en bucle obert de l'amplificador.

Els efectes de la tensió de compensació d'entrada es poden incorporar al model op-amp, tal com es mostra a la figura 17.

A més d’incloure la tensió de compensació d’entrada, el model d’amplificador ideal s’ha modificat encara més amb l’addició de quatre resistències. Ro és el resistència de sortida. La resistència d’entrada de l’opper-amp, Ri, es mesura entre els terminals inversors i no invertits. El model també conté una resistència que connecta cadascuna de les dues entrades a terra.

Aquests són el resistències en mode comú, i cadascun és igual a 2Rcm. Si les entrades estan connectades entre si com a la figura 16, aquestes dues resistències es troben en paral·lel i la resistència combinada de Thevenin a terra és Rcm. Si l’amplificador és ideal, Ri i Rcm aproximació infinitat (és a dir, circuit obert) i Ro és zero (és a dir, curtcircuit).

Figura 17: voltatge de compensació d'entrada

La configuració externa que es mostra a la figura 18 (a) es pot utilitzar per negar els efectes de la tensió de desplaçament. A la terminal d’entrada d’inversió s’aplica una tensió variable. L'elecció adequada d'aquesta tensió cancel·la el desplaçament d'entrada. De la mateixa manera, la figura 18 (b) il·lustra aquest circuit d’equilibri aplicat a l’entrada no inversora.

op-amperes pràctiques, op-amperes

Figura 18 - Equilibri de tensió de compensació

APLICACIÓ

Podeu provar l’equilibri de voltatge de compensació d’entrada del circuit 18 (a) mitjançant simulació en línia amb el simulador de circuits TINACloud fent clic a l’enllaç següent.

Simulació del circuit d’equilibri de tensió d’offset d’entrada (a) amb TINACloud

Simulació del circuit d’equilibri de tensió d’offset d’entrada (a) amb TINACloud

Simulació del circuit d’equilibri de tensió d’offset d’entrada (a) amb TINACloud

APLICACIÓ

Podeu provar l’equilibri d’offset d’entrada del circuit 18 (b) mitjançant una simulació en línia amb el simulador de circuits TINACloud fent clic a l’enllaç següent:

Simulació del circuit d’equilibri de tensió d’offset d’entrada (b) amb TINACloud

Simulació del circuit d’equilibri de tensió d’offset d’entrada (b) amb TINACloud

Simulació d’equilibrat de l’offset d’entrades (b) amb TINACloud

5.4 Entrada de corrent de bias (I.)Parcialitat)

Tot i que les entrades op-amp ideals no generen actuals, els op-amps reals permeten que alguns corrents de biaix entren en cada terminal d'entrada. IParcialitat és el dc corrent al transistor d’entrada, i un valor típic és 2 μA. Quan la impedància de font és baixa, IParcialitat té poc efecte, ja que provoca un canvi relativament petit de la tensió d’entrada. No obstant això, amb circuits de conducció d’alta impedància, una petita intensitat pot conduir a una gran tensió.

El corrent de polarització es pot modelar com dos embornals de corrent, com es mostra a la figura 19.

op-amplificadors, amplificadors operacionals

Figura 19 - Equilibri de tensió de compensació

Els valors d'aquests embornals són independents de la impedància de font. El corrent de biaix es defineix com el valor mitjà dels dos embornals de corrent. Per tant

(40)

La diferència entre els dos valors del dipòsit es coneix com a corrent d'offset d'entrada, Iio, i és donat per

(41)

Tant el corrent d’entrada com el de corrent de la compensació d’entrada són dependents de la temperatura. El biaix d’entrada coeficient de temperatura actual es defineix com la relació de canvi de corrent de biaix per canviar de temperatura. Un valor típic és 10 nA /oC. La coeficient de temperatura de corrent de compensació d'entrada es defineix com la relació entre el canvi de magnitud del corrent de desplaçament i el canvi de temperatura. Un valor típic és -2nA /oC.

amplificador operatiu op-amp

Figura 20: model actual del biaix d’entrada

Els corrents de biaix d’entrada s’incorporen al model d’amplificador op de la figura 20, on assumim que el corrent de compensació d’entrada és insignificant.

Això és,

amplificador operatiu op-amp

Figura 21 (a) - El circuit

Analitzem aquest model per trobar la tensió de sortida causada pels corrents de biaix d’entrada.

La figura 21 (a) mostra un circuit d’amplificador d’opcions en què les entrades d’inversió i no invertides estan connectades a terra a través de resistències.

El circuit es substitueix pel seu equivalent a la figura 21 (b), on hem descuidat Vio. Simplificem encara més el circuit de la figura 21 (c) descuidant Ro i Rcàrrega. És a dir, suposem RF >> Ro i Rcàrrega >> Ro. Els requisits de càrrega de sortida normalment garanteixen que es compleixin aquestes desigualtats.

El circuit es simplifica encara més a la figura 21 (d), on la combinació de sèrie de la font i la resistència de tensió dependents se substitueix per una combinació paral·lela d’una font de corrent dependent i de la resistència.

Finalment, combinem resistències i canviam les dues fonts actuals de nou a fonts de tensió per obtenir l’equivalent simplificat de la figura 21 (e).

amplificador operatiu op-amp

Figura 21 (b) i (c): efectes de biaix d’entrada

Utilitzem una equació de bucle per trobar la tensió de sortida.

(43)

where

(44)

La resistència en mode comú, Rcm, és a l’abast de diversos centenars d’megohms per a la majoria d’amplificadors op. Per tant

(45)

Si suposem això Go és gran, l’equació (43) es converteix en equació.

(46)

amplificador operatiu op-amp

Figura 21 (d) i (e): efectes de biaix d’entrada

Tingueu en compte que si el valor de R1 es selecciona per ser igual a, llavors la tensió de sortida és zero. Conclusions d’aquesta anàlisi conclouen que: dc resistència de V+ a terra hauria de ser igual a la dc resistència de V- a terra. Utilitzem això balanç de biaix restricció moltes vegades en els nostres dissenys. És important que els terminals inversors i no invertits tinguin una dc camí a terra per reduir els efectes de la corrent de biaix d’entrada.

Biaix d’entrada Amplificadors operatius actuals i pràctics

Figura 22 - Configuracions per a l'exemple 1

Exemple 1

Cerqueu la tensió de sortida per a les configuracions de la figura 22 on IB = 80 nA = 8 10-8 A.
Solució: Utilitzem la forma simplificada de l’equació (46) per trobar les tensions de sortida del circuit de la figura 22 (a).

Per al circuit de la figura 22 (b), obtenim

APLICACIÓ

A més, podeu realitzar aquests càlculs amb el simulador de circuits TINACloud, utilitzant la seva eina d'Interpret mitjançant el següent enllaç.

Simulació de circuits de modelització actual de biaix d’entrada

Simulació de circuits de modelització actual de biaix d’entrada amb TINACloud

Simulació de circuits de modelització actual de biaix d’entrada amb TINACloud

5.5 Rebuig del mode comú

L’amplificador op és normalment utilitzat per amplificar la diferència entre dues tensions d’entrada. Per tant, opera al mode diferencial. Un voltatge constant afegit a cadascuna d’aquestes dues entrades no hauria d’afectar la diferència i, per tant, no s’hauria de transferir a la sortida. En el cas pràctic, aquest valor mitjà o constant de les entrades fa afecten la tensió de sortida. Si considerem només les parts iguals de les dues entrades, estem considerant el que es coneix com a mode comú.

amplificador operatiu op-amp

Figura 23: mode comú

Suposem que els dos terminals d’entrada d’un amplificador operatiu real es connecten entre si i després a un voltatge de font comú. Això es mostra a la figura 23. La tensió de sortida seria zero en el cas ideal. En el cas pràctic, aquesta sortida no és de zero. La relació entre la tensió de sortida diferent de zero i la tensió d’entrada aplicada és la guany de tensió en mode comú, Gcm. La relació de rebuig en mode comú (CMRR) es defineix com la proporció de la dc guany de bucle obert, Go, al guany del mode comú. Així,

(47)

Els valors típics de la CMRR van des de 80 a 100 dB. És convenient tenir el CMRR el més alt possible.

5.6 Relació de rebuig d’alimentació

La relació de rebuig de la font d’alimentació és una mesura de la capacitat de l’amplificador d’opció d’ignorar els canvis en la tensió de la font d’alimentació. Si l'etapa de sortida d'un sistema genera una quantitat de corrent variable, la tensió d'alimentació podria variar. Aquest canvi de tensió de subministrament induït per la càrrega podria provocar canvis en el funcionament d'altres amplificadors que comparteixen el mateix subministrament. Això es coneix com conversa, i pot conduir a la inestabilitat.

El relació de rebuig de la font d’alimentació (PSRR) és la proporció del canvi de vfora al canvi total de la tensió de l’alimentació. Per exemple, si els subministraments positius i negatius varien de ± 5 V a ± 5.5 V, el canvi total és d'11 a 10 = 1 V. El PSRR s'acostuma a especificar en microvolts per voltatge o, de vegades, en decibels. Els amplificadors operatius típics tenen un PSRR d’uns 30 μV / V.

Per disminuir els canvis en la tensió de subministrament, hauria de ser la font d'alimentació de cada grup d'opper-amplificadors desacoblat (és a dir, aïllat) d’altres dels grups. Això limita la interacció amb un sol grup d’amplificadors opcionals. A la pràctica, cada targeta de circuit imprès ha de tenir les línies de subministrament ignorades a terra mitjançant un condensador 0.1-μF de ceràmica o 1-μF. Això garanteix que les variacions de càrrega no s’alimentin significativament a través del subministrament a altres targetes.

5.7 Resistència de sortida

Com a primer pas per determinar la resistència de sortida, Rfora, trobem l’equivalent de Thevenin per a la part del circuit d’amplificador op-opuscular que es mostra a la caixa inclosa entre línies traçades a la figura 24. Tingueu en compte que ignorem el corrent i la tensió de desplaçament en aquesta anàlisi.

(24)

Com que el circuit no conté fonts independents, el voltatge equivalent de Thevenin és zero, de manera que el circuit equival a una sola resistència. El valor de la resistència no es pot trobar mitjançant combinacions de resistències. Per trobar la resistència equivalent, suposem que s'aplica una font de tensió, v, als cables de sortida. A continuació, calculem el corrent resultant, i, i prengui la proporció v/i. Això produeix la resistència a Thevenin.

amplificador operatiu op-amp

Figura 25 (part a): circuits equivalents a Thevenin

amplificador operatiu op-amp

Figura 25 (part b)

 

 

 

 

 

 

 

La figura 25 (a) il·lustra la font de tensió aplicada. El circuit es simplifica al que es mostra a la figura 25 (b).

El circuit es pot reduir encara més a la que es mostra a la figura 25 (c), on es defineixen dues noves resistències de la següent manera:

(48)

Assumim això R 'A << (R '1 + Ri) I Ri >> R '1. El circuit simplificat dels resultats de la figura 25 (d).

La tensió diferencial d’entrada, vd, es troba a partir d’aquest circuit simplificat utilitzant una relació divisor de tensió.

(49)

Per trobar la resistència de sortida, començarem escrivint l’equació del bucle de sortida.

(50)

amplificador operatiu op-amp

Figura 25 (parts c i d): circuits equivalents de Thevenin reduïts

La resistència de sortida és donada per l’equació (51).

(51)

En la majoria dels casos, Rcm és tan gran que R 'A»RA i R1'»R1. L’equació (51) es pot simplificar utilitzant el guany de tensió de freqüència zero Go. El resultat és Equació (52).

(52)

APLICACIÓ

Podeu calcular la impedància de sortida del circuit 25 (a) amb simulació de circuits mitjançant el simulador de circuits TINACloud fent clic a l'enllaç següent.

Impedància de sortida d'una simulació de circuit Opamp amb TINACloud

Impedància de sortida d'una simulació de circuit Opamp amb TINACloud

Impedància de sortida d'una simulació de circuit Opamp amb TINACloud

 

Exemple 2

Cerqueu la impedància de sortida d’una memòria intermèdia de guany d’unitat com es mostra a la figura 26.

amplificadors operatius pràctics amb amplificadors operatius

Figura 26: memòria intermèdia de guany de la unitat

 

Solució:  Quan es compara el circuit de la figura 26 amb el circuit de retroalimentació de la figura 24, ho trobem

Per tant,

No es pot utilitzar l’equació (51), ja que no estem segurs que les desigualtats que condueixen a la simplificació de la figura 25 (c) s’apliquen en aquest cas. És a dir, la simplificació ho requereix

Sense aquesta simplificació, el circuit pren la forma que es mostra a la figura 27.

Memòria intermèdia de guany d'unitat, op-amperes pràctiques, amplificadors operacionals,

Figura 27: circuit equivalent per al buffer de guany Unity

Aquest circuit s’analitza per trobar les següents relacions:

En la primera d’aquestes equacions, hem assumit que Ro<< (R '1+Ri) << 2Rcm. La resistència de sortida es dóna llavors per

On tornem a utilitzar el guany de tensió de freqüència zero Go.