6. Návrh op-amp obvodů
AKTUÁLNÍ - 6. Návrh obvodů operačních zesilovačů
PREVIOUS- 5. Kombinované invertující a neinvertující vstupy
Návrh op-amp obvodů
Jakmile je dána konfigurace operačního systému, můžeme analyzovat systému, aby určil výstup z hlediska vstupů. Tuto analýzu provádíme postupem popsaným výše (v této kapitole).
Pokud teď chcete design obvod, který kombinuje jak inverzní, tak neinvertující vstupy, je problém složitější. V konstrukčním problému je uvedena požadovaná lineární rovnice a obvod op-amp musí být navržen. Požadovaný výkon operačního zesilovače může být vyjádřen jako lineární kombinace vstupů,
(30)
kde X1, X2 ...Xn jsou žádoucí zisky na neinvertujících vstupech a Ya, Yb ...Ym jsou žádoucí zisky na invertujících vstupech. Rovnice (30) je implementována s obvodem z obrázku (14).
Obrázek 14- Více letních vstupů
Tento okruh je mírně upravená verze obvodu obrázku (13) (Inverzní a neinvertující vstupy).
Obrázek 13- Inverzní a neinvertující vstupy
Jedinou změnou, kterou jsme provedli, je zahrnutí rezistorů mezi vstupy a zesilovači. Zem lze považovat za dodatečný vstup nulových voltů připojených přes odpovídající odpor (Ry pro invertující vstup a Rx pro neinvertující vstup). Přidání těchto odporů nám dává flexibilitu při plnění jakýchkoliv požadavků, které jsou nad rámec rovnic (30). Například mohou být specifikovány vstupní odpory. Buď jeden nebo oba tyto další odpory mohou být odstraněny tím, že nechají své hodnoty jít do nekonečna.
Rovnice (29) z předchozí sekce ukazuje, že hodnoty rezistorů, Ra, Rb, ...Rm a R1, R2, ...Rn jsou nepřímo úměrné požadovaným ziskům spojeným s příslušnými vstupními napětími. Jinými slovy, je-li u určitého vstupního terminálu žádoucí velký zisk, pak odpor u tohoto terminálu je malý.
Když zisk zesílení smyčky operačního zesilovače, G, je velké, výstupní napětí může být zapsáno v podmínkách odporů připojených k operačnímu zesilovači jako v rovnici (29). Rovnice (31) opakuje tento výraz s mírným zjednodušením as přidáním odporů k zemi.
(31)
Definujeme dva ekvivalentní odpory takto:
(32)
APLIKACE
Analyzujte následující obvod pomocí TINACloud k určení Vout pokud jde o vstupní napětí, klikněte na níže uvedený odkaz.
Simulace více vstupních letních obvodů pomocí TINACloud
Simulace více vstupních letních obvodů pomocí TINACloud
Vidíme, že výstupní napětí je lineární kombinací vstupů, kde každý vstup je dělen svým příslušným odporem a násoben jiným odporem. Multiplikační odpor je RF pro invertování vstupů a Req pro neinvertující vstupy.
Počet neznámých v tomto problému je n + m +3 (tj. Neznámé hodnoty rezistoru). Musíme se proto rozvíjet n + m +Rovnice 3 za účelem vyřešení těchto neznámých. Můžeme formulovat n + m těchto rovnic porovnáním daných koeficientů v rovnici (30). To znamená, že jednoduše vytvoříme systém rovnic z rovnic (30), (31) a (32) takto:
(33)
Vzhledem k tomu, že máme tři další neznámé, máme flexibilitu uspokojit tři další omezení. Typická dodatečná omezení zahrnují úvahy o vstupním odporu a mající rozumné hodnoty pro odpory (např. Byste nechtěli používat přesný rezistor pro R1 rovna 10-4 ohms!).
Ačkoli to není nutné pro návrh používající ideální op-zesilovače, použijeme konstrukční omezení, které je důležité pro neideální zesilovače. Pro neinvertující op-amp je Theveninův odpor, který se dívá zpět od invertujícího vstupu, obvykle roven odporu, který se dívá zpět od neinvertujícího vstupu. Pro konfiguraci znázorněnou na obrázku (14) lze toto omezení vyjádřit následovně:
(34)
Poslední rovnost vyplývá z definice RA z rovnice (32). Nahrazením tohoto výsledku do rovnice (31) se získá omezení,
(35)
(36)
Nahrazením tohoto výsledku do rovnice (33) se získá jednoduchý soubor rovnic,
(37)
Kombinace rovnice (34) a rovnice (37) nám poskytují potřebné informace pro návrh obvodu. Vybereme hodnotu RF a pak řešit pro různé vstupní rezistory pomocí rovnice (37). Pokud hodnoty odporů nejsou v praktickém rozsahu, vracíme se zpět a změníme hodnotu zpětnovazebního odporu. Jakmile vyřešíme vstupní rezistory, pak použijeme rovnici (34) k vynucení stejných odporů při pohledu z obou vstupů op-amp. Vybíráme hodnoty Rx a Ry prosadit tuto rovnost. Zatímco rovnice (34) a (37) obsahují základní informace pro návrh, jedním důležitým hlediskem je, zda zahrnout rezistory mezi vstupy op-amp a zem (nebo ne) (Rx a Ry). Řešení může vyžadovat opakování, aby se dosáhlo smysluplných hodnot (tj. Můžete provést roztok jednou a přijít s negativními hodnotami rezistence). Z tohoto důvodu předkládáme numerický postup, který zjednodušuje výpočet[1]
Rovnice (34) může být přepsána následovně:
(38)
Substituting Equation (37) do rovnice (38), kterou získáme,
(39)
Připomeňme si, že naším cílem je řešit hodnoty odporů z hlediska Xi a Yj. Definujme souhrnné termíny takto:
(40)
Pak můžeme rovnici (39) přepsat následovně:
(41)
To je výchozí bod pro náš návrh. Odvolej to Rx a Ry jsou odpory mezi zemí a neinvertujícími a invertujícími vstupy. Je označen zpětnovazební odpor RF a nový termín, Z, je definován jako
(42)
Tabulka (1) - Návrh zesilovače zesilovače
Můžeme eliminovat jeden nebo oba odpory, Rx a Ry, z obvodu obrázku (14). To znamená, že jeden nebo oba tyto rezistory mohou být nastaveny na nekonečno (tj. Otevřené). To poskytuje tři možnosti návrhu. V závislosti na požadovaných násobících faktorech, které se vztahují k výstupu na vstup, bude jeden z těchto případů poskytovat odpovídající návrh. Výsledky jsou shrnuty v tabulce (1).
Konstrukce obvodu s TINA a TINACloud
V TINA a TINACloud je k dispozici několik nástrojů pro operační zesilovač a návrh obvodů.
Optimalizace
TINAParametry neznámého obvodu optimalizačního režimu lze určit automaticky, takže síť může produkovat předdefinovanou cílovou výstupní hodnotu, minimální nebo maximální. Optimalizace je užitečná nejen při navrhování obvodů, ale také při výuce pro konstrukci příkladů a problémů. Všimněte si, že tento nástroj funguje nejen pro ideální operační zesilovače a lineární obvod, ale pro jakýkoli nelineární obvod se skutečnými nelineárními a jinými modely zařízení.
Zvažte inverzní obvod zesilovače s reálným operačním zesilovačem OPA350.
Ve výchozím nastavení tohoto obvodu je výstupní napětí obvodu 2.5
To lze snadno zkontrolovat stisknutím tlačítka DC v TINACloud.
APLIKACE
Analyzujte následující obvod pomocí online simulátoru obvodu TINACloud a určete Vout pokud jde o vstupní napětí, klikněte na níže uvedený odkaz.
Simulace obvodů OPA350 s TINACloud
Simulace obvodů OPA350 s TINACloud
Pokud si to přejete, měli bychom zvolit cílový Out = 3V a parametr obvodu, který má být určen (Optimalizační objekt) Vref. Pro tento objekt bychom také měli definovat oblast, která pomáhá vyhledávání, ale také představuje omezení.
Chcete-li vybrat a nastavit cíl optimalizace v TINACloud, klepněte na tlačítko Vout Voltage pin a nastavte cíl Optimization na Yes
Dále klikněte na tlačítko… ve stejném řádku a nastavte hodnotu na hodnotu 3.
Nastavení dokončete stisknutím OK v každém dialogu.
Nyní vybereme a nastavíme objekt optimalizace Vref.
Klikněte na tlačítko Vref a poté na tlačítko… ve stejném řádku
Vyberte Optimalizační objekt v seznamu nahoře a zaškrtněte políčko Optimalizace / Objekt.
V obou dialogových oknech stiskněte tlačítko OK.
Pokud bylo nastavení Optimalizace úspěšně zobrazeno, uvidíte >> odhlášení na Out a << označení na Vref, jak je uvedeno níže.
Nyní vyberte Optimalizace z nabídky Analýza a stiskněte RUN v dialogovém okně Optimalizace.
Po dokončení Optimalizace se v dialogu Optimalizace DC zobrazí nalezená hodnota Vref, Optimum Value
Můžete prostudovat nastavení a spustit optimalizaci online a zkontrolovat simulací obvodu pomocí odkazu níže.
Spusťte Optimalizaci z nabídky Analýza a stiskněte tlačítko DC, abyste viděli výsledek v Optimalizovaném obvodu (3V)
Online optimalizace a simulace obvodu s TINACloud
Všimněte si, že v této době v TINACloud je zahrnuta pouze jednoduchá optimalizace DC. Další funkce optimalizace jsou součástí offline verze programu TINA.
AC Optimalizace
Pomocí offline verze TINA můžete také optimalizovat a redesign AC obvodů.
Otevřete nízkoprůchodový okruh MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, z Příklady Texas Instruments Filters_FilterPro složka TINA, je uvedeno níže.
Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Zobrazí se následující schéma:
Obvod má jednotnost (0dB) Gain a 1.45kHz Cutoff frekvenci.
Nyní nechme přepracovat obvod pomocí AC optimalizace a nastavte nízkofrekvenční zesílení na 6dB a frekvenci Cutoff na 900Hz.
Poznámka normálně je nástroj pro optimalizaci použitelný pouze pro změny. V případě filtrů můžete použít spíše nástroj pro návrh filtru. Toto téma se budeme zabývat později.
Nyní pomocí Optimalizace Gain a Cutoff frekvence jsou optimalizační cíle.
Klikněte na ikonu „Vybrat optimalizační cíl“ na panelu nástrojů nebo v nabídce Analýza „Vybrat optimalizační cíl“
Kurzor se změní na ikonu: 
. Klikněte na pin Vout Voltage s novým symbolem kurzoru.
Zobrazí se následující dialog:
Klepněte na tlačítka Funkce AC. Zobrazí se následující dialog:
Zaškrtněte políčko Nízký průchod a nastavte mezní frekvenci cíle na 900. Nyní zaškrtněte políčko Maximum a nastavte Target na 6.
Dále vyberte parametry obvodu, které chcete změnit, abyste dosáhli cílů optimalizace.
Klepněte na tlačítko 
nebo vyberte příkaz Řídicí objekt v nabídce Analýza.
Kurzor se změní na výše uvedený symbol. Klikněte na tento kondenzátor C1. Zobrazí se následující dialog:
Stiskněte tlačítko výběru. Zobrazí se následující dialog:
Program automaticky nastaví rozsah (omezení), kde bude hledána hodnota Optimum. Koncová hodnota pro 20n, jak je uvedeno výše.
Nyní opakujte stejný postup pro R2. Nastavte koncovou hodnotu na 20k.
Po dokončení nastavení Optimalizace vyberte Optimalizace / Optimalizace AC (Přenos) z nabídky Analýza.
Zobrazí se následující dialog:
Potvrďte výchozí nastavení stisknutím tlačítka OK.
Po krátkém výpočtu se zjistí optimální hodnota a objeví se změněné parametry komponent:
Nakonec zkontrolujte výsledek se simulací obvodu s Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Jak je znázorněno na diagramu, bylo dosaženo cílových hodnot (Gain 6db, Cut-off frekvence 900Hz).
Použití nástroje Circuit Designer Tool v TINA a TINACloud
Další metodou navrhování obvodů v TINA a TINAcloud je použití vestavěného nástroje Circuit Designer nazývaného jednoduše Design Tool.
Konstrukční nástroj pracuje s návrhovými rovnicemi vašeho obvodu, aby zajistil, že zadané vstupy vyústí ve specifikovanou výstupní odezvu. Nástroj vyžaduje od vás výpis vstupů a výstupů a vztahy mezi hodnotami komponent. Nástroj nabízí řešení, které můžete použít k opakovanému a přesnému řešení různých scénářů. Vypočtené hodnoty komponent se automaticky nastaví do schématu a výsledek můžete zkontrolovat simulací.
Pojďme navrhnout AC zesílení stejného obvodu pomocí našeho nástroje Circuit Designer.
Okno otevřete ze složky Design Tool v TINACloud. Zobrazí se následující obrazovka.
Nyní spustíme AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Zobrazí se následující schéma:
Nyní nechme přepracovat okruh tak, aby měl jednotný zisk (0dB)
Vyvolejte Redesign tohoto okruhu z nabídky Nástroje
Zobrazí se následující dialog.
Nastavte Gain na -1 (0 dB) a stiskněte tlačítko Run.
Vypočtené nové hodnoty komponent se okamžitě zobrazí ve schematickém editoru nakreslené červenou barvou.
Stiskněte tlačítko Přijmout.
Změny budou dokončeny. Opětovně spusťte AC Analysis / AC Transfer Characteristics, abyste zkontrolovali přepracovaný obvod.
—————————————————————————————————————————————————— —-
1Tato technika byla navržena Philem Vrbancicem, studentem na Kalifornské státní univerzitě v Long Beach, a představila ji v příspěvku, který byl předložen do soutěže o ceny v oblasti VI.