Praktiske Op-amp-TINA og TINACloud Resources

Praktiske op-ampere

Praktiske op-ampere svarer til deres ideal modparter, men adskiller sig i nogle vigtige henseender. Det er vigtigt for kredsløbsdesigneren at forstå forskellene mellem de faktiske op-ampere og ideelle op-ampere, da disse forskelle kan påvirke kredsløbets ydeevne negativt.

Vores mål er at udvikle en detaljeret model af den praktiske op-amp - en model, der tager højde for de mest betydningsfulde egenskaber ved den ikke-ideelle enhed. Vi begynder med at definere de parametre, der bruges til at beskrive praktiske op-forstærkere. Disse parametre er specificeret i lister på datablade leveret af op-amp-producenten.

Tabel 1 lister parameterværdierne for tre bestemte op-ampere, hvoraf en af de tre er μA741. Vi bruger μA741 operationsforstærkere i mange af eksemplerne og kapitaltilslutningsproblemer af følgende grunde: (1) De er blevet fremstillet af mange IC-producenter (2), de findes i store mængder i hele elektronikindustrien, og ( 3) er de almindeligt anvendte internt kompenserede op-ampere, og deres egenskaber kan bruges som reference til sammenligning, når de beskæftiger sig med andre op-amp typer. Da de forskellige parametre er defineret i de følgende afsnit, skal der henvises til tabel 9.1 for at finde typiske værdier.

Praktiske op-ampere, operationelle forstærkere

Tabel 1 - Parameterværdier for op-forstærkere

Den væsentligste forskel mellem ideelle og faktiske op-ampere er i spændingsgevinsten. Den ideelle op-amp har en spændingsgevinst, der nærmer sig uendelighed. Den egentlige op-amp har en endelig spændingsgevinst, der falder, da frekvensen stiger (vi undersøger dette i detaljer i næste kapitel).

5.1 Open-Loop Voltage Gain (G)

Åbningsspændingsforøgelsen for en op-amp er forholdet mellem ændringen i udgangsspænding og en ændring i indgangsspændingen uden tilbagekobling. Spændingsgevinst er en dimensionsløs mængde. Symbolet G bruges til at indikere spændingsforstærkning med åben kredsløb. Op-ampere har højspændingsforøgelse for lavfrekvente indgange. Op-amp-specifikationen viser spændingsforøgelsen i volt per millivolt eller i decibel (dB) [defineret som 20log₁₀(v_ud/v_in)].

5.2 Modificeret Op-amp Model

Figur 14 viser en modificeret version af den idealiserede op-amp model. Vi har ændret den idealiserede model ved at tilføje inputresistens (R_i), udgangsresistens (R_o) og almindelig modstandsdygtighed (R_cm).

Figur 14 - Modificeret op-amp model

Typiske værdier for disse parametre (for 741 op-amp) er

Vi overvejer nu kredsløbet i figur 15 for at undersøge OP-amp-ydeevne. De inverterende og ikke-inverterende indgange på op-amp drives af kilder, der har serieresistens. Udgangen fra op-amp sættes tilbage til indgangen via en modstand, R_F.

Kilderne der kører de to indgange er angivet v_A , v₁, og de tilhørende serie modstand er R_A , R₁. Hvis indgangskredsløbet er mere komplekst, kan disse modstande betragtes som Thevenin-ækvivalenter af det kredsløb.

Figur 15 - Op-amp-kredsløb

5.3 Input Offset Voltage (V_io)

Når indgangsspændingen til en ideel op-amp er nul, er udgangsspændingen også nul. Dette gælder ikke for en faktisk op-amp. Det indgang offset spænding, V_io, er defineret som den differentielle indgangsspænding, der kræves for at gøre udgangsspændingen lig med nul. V_io er nul for den ideelle op-amp. En typisk værdi af V_io for 741 op-amp er 2 mV. En ikke-nulværdi på V_io er uønsket, fordi op-amp forstærker enhver indgangsforskydning og derved forårsager en større udgang dc fejl.

Følgende teknik kan bruges til at måle indgangsforskydningsspændingen. I stedet for at variere indgangsspændingen for at tvinge udgangen til nul indstilles indgangen til nul som vist i figur 16, og udgangsspændingen måles.

Figur 16 - Teknik til måling af Vio

Udgangsspændingen som følge af en nul indgangsspænding er kendt som output dc offset spænding. Indgangsforskydningsspændingen opnås ved at dividere denne mængde ved open-loop forstærkning af op-amp.

Effekten af input offset spænding kan inkorporeres i op-amp modellen som vist i figur 17.

Udover at inkludere input offset spænding er den ideelle op-amp model blevet yderligere modificeret med tilsætning af fire modstande. R_o er output modstand. Det input modstand af op-amp, R_i, måles mellem de inverterende og ikke-inverterende terminaler. Modellen indeholder også en modstand, der forbinder hver af de to indgange til jorden.

Disse er common-mode modstande, og hver er lig med 2R_cm. Hvis indgangene er forbundet sammen som i figur 16, er disse to modstande parallelle, og den kombinerede Thevenin-modstandsdygtighed over for jorden er R_cm. Hvis op-amp er ideel, R_i , R_cm tilgang til uendelig (dvs. åben kredsløb) og R_o er nul (dvs. kortslutning).

Figur 17 - Indgang offset spænding

Den eksterne konfiguration vist i figur 18 (a) kan bruges til at negere virkningerne af offset spænding. En variabel spænding påføres den inverterende indgangsterminal. Korrekt valg af denne spænding annullerer indgangsforskydningen. Tilsvarende illustrerer figur 18 (b) dette afbalanceringskredsløb, der er anvendt til den ikke-inverterende indgang.

Figur 18 - Offset spændingsbalancering

ANSØGNING

Du kan teste Input Offset Spændingsbalancering af 18 (a) kredsløb ved simulation online med TINACloud Circuit Simulator ved at klikke på linket herunder.

Input Offset Spændingsbalancering Circuit Simulation (a) med TINACloud

Input Offset Spændingsbalancering Circuit Simulation (a) med TINACloud

ANSØGNING

Du kan teste Input Offset Balancing af 18 (b) kredsløb ved simulation online med TINACloud Circuit Simulator ved at klikke på linket herunder:

Input Offset Spændingsbalancering Circuit Simulation (b) med TINACloud

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) med TINACloud

5.4 Input Bias Current (I_Bias)

Selvom ideelle op-amp-indgange ikke tegner nogen strøm, tillader de faktiske op-ampere en vis bias strøm til at indtaste hver input terminal. I_Bias er dc strøm ind i input transistoren, og en typisk værdi er 2 μA. Når kildeimpedansen er lav, I_Bias har ringe effekt, da det medfører en relativt lille ændring i indgangsspændingen. Med højimpedanskørsel kan en lille strøm imidlertid føre til stor spænding.

Forspændingsstrømmen kan modelleres som to nuværende dræn, som vist i figur 19.

Figur 19 - Offset spændingsbalancering

Værdierne for disse dræn er uafhængige af kildeimpedansen. Det bias nuværende er defineret som gennemsnitsværdien af de to nuværende dræn. Dermed

(40)

Forskellen mellem de to synke værdier er kendt som input offset strøm, I_io, og er givet af

(41)

Både input-bias strømmen og indgangsstrømmen er temperaturafhængige. Det input bias nuværende temperatur koefficient er defineret som forholdet mellem ændring i bias strømmen til temperaturændring. En typisk værdi er 10 nA /^oC. The indgang offset strøm temperatur koefficient er defineret som forholdet mellem ændringen i størrelsen af forskydningsstrømmen og temperaturændringen. En typisk værdi er -2nA /^oC.

Figur 20 - Input bias nuværende model

Indgangsforspændingsstrømmene indgår i op-amp-modellen i figur 20, hvor vi antager, at indgangsstrømmen er ubetydelig.

Det er,

Figur 21 (a) - kredsløbet

Vi analyserer denne model for at finde udgangsspændingen forårsaget af input bias strømme.

Figur 21 (a) viser et op-amp-kredsløb, hvor de inverterende og ikke-inverterende indgange er forbundet til jordover-modstande.

Kredsløbet er erstattet af dets ækvivalent i figur 21 (b), hvor vi har forsømt V_io. Vi forenkler yderligere kredsløbet i figur 21 (c) ved at forsømme R_o , R_belastning. Det antager vi R_F >> R_o , R_belastning >> R_o. Output loading krav normalt sørge for at disse uligheder er opfyldt.

Kredsløbet forenkles yderligere i figur 21 (d), hvor seriekombinationen af den afhængige spændingskilde og modstanden er erstattet af en parallelkombination af en afhængig strømkilde og modstand.

Endelig kombinerer vi modstande og ændrer begge strømkilder tilbage til spændingskilder for at opnå det forenklede ækvivalent af figur 21 (e).

Figur 21 (b) og (c) - Input bias effekter

Vi bruger en loop ligning til at finde udgangsspændingen.

(43)

hvor

(44)

Common-mode modstanden, R_cm, er inden for rækkevidde af flere hundrede megohms for de fleste op-ampere. Derfor

(45)

Hvis vi yderligere antager det G_o er stor, ligning (43) bliver ligning.

(46)

Figur 21 (d) og (e) - Input bias effekter

Bemærk at hvis værdien af R₁ er valgt til at være lig med, så er udgangsspændingen nul. Vi konkluderer ud fra denne analyse, at dc modstand fra V₊ til jorden skal svare til dc modstand fra V_- At give stuearrest. Vi bruger dette bias balance begrænse mange gange i vores designs. Det er vigtigt, at både de inverterende og ikke-inverterende terminaler har a dc vej til jorden for at reducere virkningerne af input bias nuværende.

Input Bias Nuværende, praktisk op-amp, operationelle forstærkere

Figur 22 - Konfigurationer til eksempel 1

Eksempel 1

Find udgangsspændingen for konfigurationerne i figur 22 hvor I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Opløsning: Vi bruger den forenklede form af ligning (46) for at finde udgangsspændinger for kredsløbet i figur 22 (a).

For kredsløbet i figur 22 (b) opnår vi

ANSØGNING

Du kan også udføre disse beregninger med TINACloud kredsløbssimulator ved hjælp af dens tolkværktøj ved at klikke på linket herunder.

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation med TINACloud

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation med TINACloud

5.5 Common-Mode Afvisning

Op-amp bruges normalt til at forstærke forskellen mellem to indgangsspændinger. Det opererer derfor i differentieret tilstand. En konstant spænding tilføjet til hver af disse to indgange bør ikke påvirke forskellen og bør derfor ikke overføres til udgangen. I det praktiske tilfælde er denne konstante eller gennemsnitlige værdi af inputene gør påvirker udgangsspændingen. Hvis vi kun betragter de lige dele af de to indgange, overvejer vi, hvad der er kendt som fælles tilstand.

Figur 23 - Fælles tilstand

Lad os antage, at de to indgangsterminaler af en faktisk op-amp er forbundet sammen og derefter til en fælles kildespænding. Dette er illustreret i figur 23. Udgangsspændingen vil være nul i det ideelle tilfælde. I det praktiske tilfælde er denne udgang ikke-nul. Forholdet mellem udgangsspændingen og ikke-nulspændingen til den tilførte indgangsspænding er den common-mode spændingsgevinst, G_cm. Det Common Mode Afvisningsprocent (CMRR) er defineret som forholdet mellem dc open-loop gain, G_o, til den fælles tilstandsgevinst. Dermed,

(47)

Typiske værdier af CMRR spænder fra 80 til 100 dB. Det er ønskeligt at have CMRR så højt som muligt.

5.6 Strømforsyningsprocent

Strømforsyningsafvisningsforhold er et mål for op-amp'ens evne til at ignorere ændringer i strømforsyningsspændingen. Hvis udgangstrinnet i et system trækker en variabel strøm, kan forsyningsspændingen variere. Denne belastningsinducerede ændring i forsyningsspænding kan så forårsage ændringer i driften af andre forstærkere, der deler samme forsyning. Dette er kendt som krydstale, og det kan føre til ustabilitet.

strømforsyningsafvisningsforhold (PSRR) er forholdet mellem ændringen i v_ud til den samlede ændring i strømforsyningsspændingen. For eksempel, hvis de positive og negative forsyninger varierer fra ± 5 V til ± 5.5 V, er den samlede ændring 11 - 10 = 1 V. PSRR er normalt specificeret i mikrovolt pr. Volt eller undertiden i decibel. Typiske op-forstærkere har en PSRR på ca. 30 μV / V.

For at reducere ændringer i forsyningsspændingen bør strømforsyningen for hver gruppe af op-ampere være afkoblet (dvs. isoleret) fra andre gruppers. Dette begrænser samspillet til en enkelt gruppe op-ampere. I praksis skal hvert trykt kredsløbskort have forsyningsledninger omgået til jorden via en 0.1-μF keramisk eller 1-μF tantal kondensator. Dette sikrer, at belastningsvariationer ikke foder væsentligt gennem forsyningen til andre kort.

5.7 Output Resistance

Som et første skridt i bestemmelsen af udgangsbestandigheden, R_ud, finder vi Thevenin-ækvivalenten for den del af op-amp-kredsløbet, der er vist i boksen, der er vedlagt stiplede linjer i figur 24. Bemærk at vi ignorerer modstrømmen og spændingen i denne analyse.

(24)

Da kredsløbet ikke indeholder nogen uafhængige kilder, er Thevenin-ækvivalent spænding nul, så kredsløbet svarer til en enkelt modstand. Modstandens værdi kan ikke findes ved hjælp af modstandskombinationer. For at finde den ækvivalente modstand antages der, at en spændingskilde, v, påføres udgangsledningerne. Vi beregner derefter den resulterende strøm, i, og tage forholdet v/i. Dette giver Thevenin-modstanden.

Figur 25 (del a) - Thevenin-ækvivalente kredsløb

Figur 25 (del b)

Figur 25 (a) illustrerer den påførte spændingskilde. Kredsløbet forenkles til det, der er vist i figur 25 (b).

Kredsløbet kan reduceres yderligere til det, der er vist i figur 25 (c), hvor vi definerer to nye modstande som følger:

(48)

Vi antager, at R '_A << (R '₁ + R_i) og R_i >> R '₁. Det forenklede kredsløb i figur 25 (d) resulterer.

Indgangs differential spænding, v_d, findes fra dette forenklede kredsløb ved hjælp af et spændingsdelerforhold.

(49)

For at finde udgangsbestandigheden begynder vi ved at skrive output loop ligningen.

(50)

Figur 25 (del c og d) - Reducerede ækvivalente kredsløb

Udgangsresistensen er derefter givet ved ligning (51).

(51)

I de fleste tilfælde, R_cm er så stor det R '_A»R_A , R₁'»R₁. Ligning (51) kan forenkles ved brug af nulfrekvensspændingsforstærkning, G_o. Resultatet er ligning (52).

(52)

ANSØGNING

Du kan beregne outputimpedansen for kredsløbet 25 (a) med kredsløbssimulering ved hjælp af TINACloud Circuit Simulator ved at klikke på linket nedenfor.

Output Impedance af en Opamp Circuit Simulation med TINACloud

Output Impedance af en Opamp Circuit Simulation med TINACloud

Eksempel 2

Find outputimpedansen af en enhedsforstærkningsbuffer som vist i Figur 26.

praktisk op-amp, operationelle forstærkere

Figur 26 - Unity gain buffer

Opløsning: Når kredsløbet i figur 26 sammenlignes med feedbackkredsløbet i figur 24, finder vi det

Derfor,

Ligning (51) kan ikke bruges, da vi ikke er sikre på, at ulighederne, der fører til forenkling af figur 25 (c), finder anvendelse i dette tilfælde. Det kræver forenkling