Praktické operační zesilovače

Praktické operační zesilovače se přibližují ideál v některých důležitých ohledech. Je důležité, aby návrhář obvodu pochopil rozdíly mezi skutečnými zesilovači a ideálními zesilovači, protože tyto rozdíly mohou nepříznivě ovlivnit výkon obvodu.

Naším cílem je vyvinout podrobný model praktického operačního zesilovače - model, který zohlední nejvýznamnější vlastnosti neideálního zařízení. Začneme definováním parametrů použitých k popisu praktických operačních zesilovačů. Tyto parametry jsou specifikovány v seznamech na datových listech dodaných výrobcem operačního zesilovače.

Tabulka 1 uvádí hodnoty parametrů pro tři konkrétní operační zesilovače, z nichž jeden je μA741. Operační zesilovače μA741 používáme v mnoha příkladech a problémech na konci kapitoly z následujících důvodů: (1) byly vyrobeny mnoha výrobci IC (2), které se nacházejí ve velkém množství v elektronickém průmyslu a ( 3) jsou univerzální interně kompenzované op-ampéry a jejich vlastnosti mohou být použity jako reference pro účely porovnávání při řešení jiných typů op-amp. Vzhledem k tomu, že různé parametry jsou definovány v následujících kapitolách, odkazujeme na tabulku 9.1, abychom našli typické hodnoty.

Praktické operační zesilovače, operační zesilovače

Tabulka 1 - Hodnoty parametrů pro operační zesilovače

Nejvýznamnějším rozdílem mezi ideálním a skutečným zesilovačem je zesílení napětí. Ideální op-amp má zesílení napětí, které se blíží nekonečnu. Skutečný operační zesilovač má konečný zesílení napětí, které se s rostoucí frekvencí snižuje (podrobněji to zkoumáme v další kapitole).

Zisk zesílení smyčky 5.1 (G)

Zisk zesílené smyčky op-amp je poměr změny výstupního napětí ke změně vstupního napětí bez zpětné vazby. Zesílení napětí je bezrozměrné množství. Symbol G se používá k označení zesílení napětí v otevřené smyčce. Op-zesilovače mají vysoký napěťový zisk pro nízkofrekvenční vstupy. Specifikace operačního zesilovače uvádí zesílení napětí ve voltech na milivolt nebo v decibelech (dB) [definováno jako 20log₁₀(v_out/v_in)].

Modifikovaný Op-amp model 5.2

Obrázek 14 zobrazuje modifikovanou verzi idealizovaného op-amp modelu. Změnili jsme idealizovaný model přidáním vstupního odporu (R_i), výstupní odpor (R_o) a rezistence ve společném režimu (R_cm).

Obrázek 14 - Modifikovaný op-amp model

Typické hodnoty těchto parametrů (pro operační zesilovač 741) jsou

Nyní zvažujeme obvod obr. 15, abychom mohli zkoumat výkon zesilovače. Invertující a neinvertující vstupy operačního zesilovače jsou řízeny zdroji, které mají sériový odpor. Výstup op-ampu je přiváděn zpět na vstup přes odpor, R_F.

Zdroje řízení obou vstupů jsou označeny v_A a v₁a související sériové odpory jsou R_A a R₁. Pokud je vstupní obvod složitější, tyto odpory mohou být považovány za ekvivalenty tohoto obvodu.

Obrázek 15 - Op-amp obvod

5.3 Vstupní napětí (V)_io)

Když je vstupní napětí na ideální op-amp nulové, výstupní napětí je také nulové. To neplatí pro skutečný operační zesilovač. vstupní ofsetové napětí, V_io, je definován jako diferenciální vstupní napětí potřebné k tomu, aby se výstupní napětí rovnalo nule. V_io je pro ideální op-amp nulová. Typická hodnota V_io pro 741 op-amp je 2 mV. Nenulová hodnota V_io je nežádoucí, protože op-amp zesiluje jakýkoliv vstupní offset, což způsobuje větší výstup dc chyba.

Pro měření vstupního ofsetového napětí lze použít následující techniku. Namísto změny vstupního napětí za účelem vynucení výstupu na nulu se vstup nastaví na nulu, jak je znázorněno na obrázku 16, a měří se výstupní napětí.

Obrázek 16 - Technika pro měření Vio

Výstupní napětí vyplývající z nulového vstupního napětí je známo jako výstupní stejnosměrné napětí. Vstupní ofsetové napětí se získá vydělením této veličiny ziskem z otevřené smyčky op-amp.

Účinky vstupního ofsetového napětí mohou být začleněny do op-amp modelu, jak je znázorněno na obrázku 17.

Kromě vstupního ofsetového napětí byl ideální op-amp model dále modifikován přidáním čtyř odporů. R_o je výstupní odpor, vstupní odpor op-amp, R_i, se měří mezi invertujícími a neinvertujícími svorkami. Model také obsahuje odpor připojující každý ze dvou vstupů k zemi.

Jedná se o odpory typu common-modea každá se rovná 2R_cm. Pokud jsou vstupy spojeny dohromady, jak je znázorněno na obr. 16, jsou tyto dva odpory paralelně a kombinovaný odpor Theveninu vůči zemi je R_cm. Pokud je operační zesilovač ideální, R_i a R_cm přiblížení nekonečno (tj. otevřený okruh) a R_o je nula (tj. zkrat).

Obrázek 17 - Vstupní ofsetové napětí

Externí konfigurace znázorněná na obrázku 18 (a) může být použita k potlačení vlivu ofsetového napětí. Na invertující vstupní svorku se aplikuje proměnné napětí. Správná volba tohoto napětí ruší vstupní posun. Podobně obrázek 18 (b) znázorňuje tento vyrovnávací obvod aplikovaný na neinvertující vstup.

Obrázek 18 - Vyrovnání vyvážení napětí

APLIKACE

Vyvažování vstupního posunutí napětí obvodu 18 (a) můžete otestovat online simulací TINACloud Circuit Simulator kliknutím na níže uvedený odkaz.

Simulace napěťového vyvažovacího obvodu vstupního posunu (a) pomocí TINACloud

Simulace napěťového vyvažovacího obvodu vstupního posunu (a) pomocí TINACloud

APLIKACE

Vyvažování vstupního posunu obvodu 18 (b) můžete otestovat online simulací TINACloud Circuit Simulator kliknutím na níže uvedený odkaz:

Simulace napěťového vyvažovacího obvodu vstupu (b) s TINACloud

Simulace vyrovnávacího obvodu vstupního posunutí (b) pomocí TINACloud

5.4 Vstup Bias Current (I_Předsudek)

Ačkoli ideální op-amp vstupy neberou žádný proud, skutečné op-ampéry dovolí nějaký bias proud zadat každý vstupní terminál. I_Předsudek je dc proud do vstupního tranzistoru a typická hodnota je 2 μA. Pokud je impedance zdroje nízká, I_Předsudek má malý účinek, protože způsobuje relativně malou změnu vstupního napětí. Nicméně u vysokoimpedančních budicích obvodů může malý proud vést k velkému napětí.

Biasový proud může být modelován jako dvě proudová jímky, jak je znázorněno na obrázku 19.

Obrázek 19 - Vyrovnání vyvážení napětí

Hodnoty těchto jímek jsou nezávislé na impedanci zdroje. bias proud je definována jako průměrná hodnota dvou proudových jímek. Tím pádem

(40)

Rozdíl mezi dvěma hodnotami jímky je známý jako vstupní ofsetový proud, I_ioa je dána

(41)

Jak vstupní proud, tak vstupní vstupní proud jsou závislé na teplotě. vstupní teplotní součinitel je definován jako poměr změny proudu bias ke změně teploty. Typická hodnota je 10 nA /^oC. vstupní offset aktuálního teplotního koeficientu je definován jako poměr změny velikosti ofsetového proudu ke změně teploty. Typická hodnota je -2nA /^oC.

Obrázek 20 - Vstupní předpětí aktuální model

Vstupní proudy jsou vloženy do op-amp modelu na obrázku 20, kde předpokládáme, že vstupní offsetový proud je zanedbatelný.

To znamená,

Obrázek 21 (a) - Obvod

Tento model analyzujeme za účelem zjištění výstupního napětí způsobeného vstupními předpěťovými proudy.

Obrázek 21 (a) ukazuje op-amp obvod, kde jsou invertující a neinvertující vstupy připojeny k uzemnění prostřednictvím odporů.

Obvod je nahrazen jeho ekvivalentem na obr. 21 (b), kde jsme zanedbali V_io. Obvod dále zjednodušujeme na obr. 21 (c) zanedbáváním R_o a R_zatížení. To znamená, předpokládáme R_F >> R_o a R_zatížení >> R_o. Požadavky na výstupní zatížení obvykle zajišťují splnění těchto nerovností.

Obvod je dále zjednodušen na obr. 21 (d), kde sériová kombinace závislého zdroje napětí a odporu je nahrazena paralelní kombinací závislého zdroje proudu a odporu.

Nakonec spojíme odpory a změníme oba zdroje proudu zpět na zdroje napětí, abychom získali zjednodušený ekvivalent obrázku 21 (e).

Obrázek 21 (b) a (c) - Účinky zkreslení vstupu

K nalezení výstupního napětí používáme rovnici smyčky.

(43)

kde

(44)

Odpor ve společném režimu, R_cm, je v rozsahu několika set megohmů pro většinu op-zesilovačů. Proto

(45)

Pokud to dále předpokládáme G_o je velký, rovnice (43) se stane rovnicí.

(46)

Obrázek 21 (d) a (e) - Účinky zkreslení vstupu

Všimněte si, že pokud hodnota R₁ je vybráno, aby se rovnalo, pak je výstupní napětí nulové. Z této analýzy vyvozujeme, že dc odpor od V₊ k zemi by se měla rovnat dc odpor od V_- do země. Používáme to bias rovnováha mnohokrát v našich návrzích. Je důležité, aby oba převodní a neinvertující svorky měly a dc cesta k zemi, aby se snížily účinky vstupního zkreslení proudu.

Vstup Bias Aktuální, praktický operační zesilovač, operační zesilovač

Obrázek 22 - Konfigurace pro příklad 1

Příklad 1

Najděte výstupní napětí pro konfigurace na obrázku 22 kde I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Řešení: Pro nalezení výstupního napětí pro obvod z obrázku 46 (a) používáme zjednodušenou formu rovnice (22).

Pro obvod obr. 22 (b) získáme

APLIKACE

Tyto výpočty můžete provádět také pomocí simulátoru obvodů TINACloud pomocí nástroje Interpreter kliknutím na níže uvedený odkaz.

Simulace vstupního zkreslení proudového modelování s TINACloud

Simulace vstupního zkreslení proudového modelování s TINACloud

5.5 Odmítnutí běžného režimu

Operační zesilovač se obvykle používá k zesílení rozdílu mezi dvěma vstupními napětími. Pracuje tedy v diferenční režim. Konstantní napětí přidané ke každému z těchto dvou vstupů by nemělo ovlivnit rozdíl, a proto by nemělo být přenášeno na výstup. V praktickém případě tato konstantní nebo průměrná hodnota vstupů dělá ovlivnit výstupní napětí. Pokud vezmeme v úvahu pouze stejné části obou vstupů, uvažujeme o tom, co je známo jako režimu.

Obrázek 23 - Společný režim

Předpokládejme, že dva vstupní svorky skutečného operačního zesilovače jsou spojeny dohromady a pak se společným zdrojovým napětím. To je znázorněno na obrázku 23. Výstupní napětí by bylo v ideálním případě nulové. V praktickém případě je tento výstup nenulový. Poměr nenulového výstupního napětí k použitému vstupnímu napětí je zesílení napětí ve společném režimu, G_cm, poměr odmítnutí běžného režimu (CMRR) je definován jako poměr dc zisk s otevřenou smyčkou, G_o, ke společnému zesílení režimu. Tím pádem,

(47)

Typické hodnoty CMRR se pohybují od 80 do 100 dB. Je žádoucí mít CMRR co nejvyšší.

5.6 Poměr odmítnutí napájení

Poměr odmítnutí napájení je mírou schopnosti op-amp ignorovat změny napájecího napětí. Pokud výstupní stupeň systému čerpá proměnlivé množství proudu, napájecí napětí se může lišit. Tato změna napájecího napětí vyvolaná zátěží by pak mohla způsobit změny v činnosti jiných zesilovačů, které mají stejný zdroj. Toto je známé jako cross-talka to může vést k nestabilitě.

Projekt poměr odmítnutí napájení (PSRR) je poměr změny v v_out k celkové změně napájecího napětí. Například pokud se kladné a záporné napětí mění od ± 5 V do ± 5.5 V, celková změna je 11 - 10 = 1 V. PSRR se obvykle uvádí v mikrovoltech na volt nebo někdy v decibelech. Typické operační zesilovače mají PSRR asi 30 μV / V.

Ke snížení změn napájecího napětí by měl být zdroj napájení pro každou skupinu op-zesilovačů oddělené (tj. izolované) od skupin jiných. To omezuje interakci na jednu skupinu operačních zesilovačů. V praxi by měla mít každá karta s tištěnými obvody napájecí vedení obtočené přes kostru 0.1-μF nebo tantalový kondenzátor 1-μF. Tím je zajištěno, že změny zatížení nebudou výrazně dodávány prostřednictvím jiných karet.

5.7 Výstupní odpor

Jako první krok při určování výstupního odporu, R_out, nacházíme Theveninův ekvivalent pro část op-amp obvodu ukázaného v poli uzavřeném čárkovaně na obrázku 24. Všimněte si, že v této analýze ignorujeme ofsetový proud a napětí.

(24)

Protože obvod neobsahuje žádné nezávislé zdroje, je ekvivalentní napětí Theveninu nulové, takže obvod je ekvivalentní jednomu rezistoru. Hodnotu rezistoru nelze zjistit pomocí kombinací rezistorů. Chcete-li najít ekvivalentní odpor, předpokládejte, že na výstupní vodiče je aplikován zdroj napětí v. Potom vypočítáme výsledný proud, ia vezměte si poměr v/i. To poskytuje odolnost vůči Theveninu.

Obrázek 25 (část a) - Theveninovy ekvivalentní obvody

Obrázek 25 (část b)

Obrázek 25 (a) znázorňuje použitý zdroj napětí. Obvod je zjednodušen tak, jak je znázorněno na obr. 25 (b).

Obvod může být dále redukován na obvod uvedený na obrázku 25 (c), kde definujeme dva nové odpory takto:

(48)

Dáváme předpoklad, že R '_A << (R '₁ + R_i) a R_i >> R '₁. Výsledkem je zjednodušený obvod z obrázku 25 (d).

Vstupní diferenciální napětí, v_d, je nalezen z tohoto zjednodušeného obvodu s použitím poměru děliče napětí.

(49)

Pro nalezení výstupního odporu začneme psaním rovnice výstupní smyčky.

(50)

Obrázek 25 (části c a d) - Snížené ekvivalentní obvody Thevenin

Výstupní odpor je pak dán rovnicí (51).

(51)

Většinou, R_cm je tak velký, že R '_A»R_A a R₁"»R₁. Rovnice (51) může být zjednodušena použitím nulového kmitočtového zesílení, G_o. Výsledkem je rovnice (52).

(52)

APLIKACE

Kliknutím na odkaz níže můžete vypočítat výstupní impedanci obvodu 25 (a) se simulací obvodu pomocí simulátoru obvodu TINACloud.

Výstupní impedance simulace obvodů s operačním zesilovačem s TINACloud

Výstupní impedance simulace obvodů s operačním zesilovačem s TINACloud

Příklad 2

Najděte výstupní impedanci vyrovnávací paměti unity-gain, jak je znázorněno na obrázku 26.

Obrázek 26 - Jednotný zisk buffer

Řešení: Když je obvod obrázku 26 porovnán s obvodem zpětné vazby z obrázku 24, zjistíme, že

Proto,

Rovnici (51) nelze použít, protože si nejsme jisti, zda v tomto případě platí nerovnosti vedoucí ke zjednodušení obrázku 25 (c). To znamená, že to zjednodušení vyžaduje