6. Design von Operationsverstärkerschaltungen
AKTUELL - 6. Aufbau von Operationsverstärkerschaltungen
VORHERIGER 5. Kombinierte invertierende und nicht invertierende Eingänge
Design von Operationsverstärkerschaltungen
Sobald die Konfiguration eines Operationsverstärkersystems vorliegt, können wir analysieren das System, um die Ausgabe in Bezug auf die Eingaben zu bestimmen. Wir führen diese Analyse mit dem zuvor (in diesem Kapitel) beschriebenen Verfahren durch.
Wenn Sie jetzt wollen Design Bei einer Schaltung, die sowohl invertierende als auch nichtinvertierende Eingänge kombiniert, ist das Problem komplexer. In einem Entwurfsproblem ist eine gewünschte lineare Gleichung gegeben, und die Operationsverstärkerschaltung muss entworfen werden. Die gewünschte Leistung des Operationsverstärkers Sommer kann als lineare Kombination von Eingängen ausgedrückt werden.
(30)
woher X1, X2 ...Xn sind die gewünschten Verstärkungen an den nicht invertierenden Eingängen und Ya, Yb ...Ym sind die gewünschten Verstärkungen an den invertierenden Eingängen. Gleichung (30) wird mit der Schaltung von Figur (14) implementiert.
Abbildung 14 - Mehrfacheingabe Sommer
Diese Schaltung ist eine leicht modifizierte Version der Schaltung von Abbildung (13) (Invertierende und nicht invertierende Eingänge).
Abbildung 13- Invertierende und nichtinvertierende Eingänge
Die einzige Änderung, die wir vorgenommen haben, ist das Einfügen von Widerständen zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers und Masse. Die Masse kann als zusätzlicher Eingang von Null Volt angesehen werden, der über den entsprechenden Widerstand (Ry für den invertierenden Eingang und Rx für den nicht invertierenden Eingang). Die Hinzufügung dieser Widerstände gibt uns die Flexibilität, alle Anforderungen zu erfüllen, die über die Anforderungen von Gleichung (30) hinausgehen. Beispielsweise können die Eingangswiderstände angegeben werden. Einer oder beide dieser zusätzlichen Widerstände können entfernt werden, indem ihre Werte auf unendlich gesetzt werden.
Gleichung (29) aus dem vorherigen Abschnitt zeigt, dass die Werte der Widerstände, Ra, Rb, ...Rm und R1, R2, ...Rn sind umgekehrt proportional zu den gewünschten Verstärkungen, die den jeweiligen Eingangsspannungen zugeordnet sind. Mit anderen Worten, wenn an einem bestimmten Eingangsanschluss eine große Verstärkung gewünscht wird, ist der Widerstand an diesem Anschluss klein.
Wenn die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers Gist, kann die Ausgangsspannung in Bezug auf die an den Operationsverstärker angeschlossenen Widerstände wie in Gleichung (29) geschrieben werden. Die Gleichung (31) wiederholt diesen Ausdruck mit einer leichten Vereinfachung und unter Hinzufügung der Widerstände zu Masse.
(31)
Wir definieren zwei äquivalente Widerstände wie folgt:
(32)
Anmeldeformular
Analysieren Sie die folgende Schaltung mit TINACloud, um V zu bestimmen in Bezug auf die Eingangsspannungen durch Klicken auf den Link unten.
Multiple Input Summer Circuit Simulation von TINACloud
Multiple Input Summer Circuit Simulation von TINACloud
Wir sehen, dass die Ausgangsspannung eine lineare Kombination von Eingängen ist, wobei jeder Eingang durch seinen zugeordneten Widerstand geteilt und mit einem anderen Widerstand multipliziert wird. Der Multiplikationswiderstand beträgt RF zum Invertieren von Eingängen und Req für nicht invertierende Eingänge.
Die Anzahl der Unbekannten in diesem Problem ist n + m +3 (dh die unbekannten Widerstandswerte). Wir müssen uns deshalb weiterentwickeln n + m +3-Gleichungen, um diese Unbekannten zu lösen. Wir können formulieren n + m dieser Gleichungen durch Abgleichen der gegebenen Koeffizienten in Gleichung (30). Das heißt, wir entwickeln das Gleichungssystem einfach wie folgt aus den Gleichungen (30), (31) und (32):
(33)
Da wir drei weitere Unbekannte haben, haben wir die Flexibilität, drei weitere Einschränkungen zu erfüllen. Typische zusätzliche Einschränkungen sind Überlegungen zum Eingangswiderstand und angemessene Werte für die Widerstände (z. B. Sie möchten keinen Präzisionswiderstand für verwenden) R1 gleich 10-4 Ohm!).
Obwohl dies für das Design mit idealen Operationsverstärkern nicht erforderlich ist, verwenden wir eine Designbeschränkung, die für nicht ideale Operationsverstärker wichtig ist. Für den nicht invertierenden Operationsverstärker wird der von dem invertierenden Eingang zurückblickende Thevenin-Widerstand gewöhnlich gleich dem von dem nicht invertierenden Eingang zurückblickenden gemacht. Für die in Abbildung (14) gezeigte Konfiguration kann diese Einschränkung wie folgt ausgedrückt werden:
(34)
Die letzte Gleichheit ergibt sich aus der Definition von RA aus Gleichung (32). Das Einsetzen dieses Ergebnisses in Gleichung (31) ergibt die Bedingung,
(35)
(36)
Durch Einsetzen dieses Ergebnisses in Gleichung (33) erhält man den einfachen Satz von Gleichungen.
(37)
Die Kombinationen von Gleichung (34) und Gleichung (37) geben uns die notwendigen Informationen zum Entwerfen der Schaltung. Wir wählen einen Wert von RF und dann mit Gleichung (37) nach den verschiedenen Eingangswiderständen auflösen. Wenn die Werte der Widerstände nicht in einem praktischen Bereich liegen, gehen wir zurück und ändern den Wert des Rückkopplungswiderstands. Sobald wir die Eingangswiderstände aufgelöst haben, verwenden wir Gleichung (34), um die Widerstände zu erzwingen, die von den beiden Operationsverstärkereingängen gleich sind. Wir wählen Werte von Rx und Ry diese Gleichheit zu erzwingen. Während die Gleichungen (34) und (37) die wesentlichen Informationen für das Design enthalten, ist eine wichtige Überlegung, ob die Widerstände zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers und Masse (nicht) eingeschlossen werden sollen oder nichtRx und Ry). Die Lösung erfordert möglicherweise Iterationen, um aussagekräftige Werte zu erhalten (dh Sie können die Lösung einmal ausführen und negative Widerstandswerte ermitteln). Aus diesem Grund stellen wir ein numerisches Verfahren vor, das den Rechenaufwand vereinfacht[1]
Gleichung (34) kann wie folgt umgeschrieben werden:
(38)
Einsetzen der Gleichung (37) in die Gleichung (38), die wir erhalten,
(39)
Wir möchten Sie daran erinnern, dass es unser Ziel ist, die Widerstandswerte in Bezug auf zu lösen Xi und Yj. Definieren wir Summationsbegriffe wie folgt:
(40)
Wir können dann Gleichung (39) wie folgt umschreiben:
(41)
Dies ist ein Ausgangspunkt für unser Entwurfsverfahren. Erinnere dich daran Rx und Ry sind die Widerstände zwischen Masse und den nicht invertierenden bzw. invertierenden Eingängen. Der Rückkopplungswiderstand ist bezeichnet RF und ein neuer Begriff, Z, ist definiert als
(42)
Tabelle (1) -Summing Amplifier Design
Wir können einen oder beide Widerstände eliminieren, Rx und Ryaus der Schaltung von Figur (14). Das heißt, einer oder beide dieser Widerstände können auf unendlich eingestellt werden (dh im Leerlauf). Daraus ergeben sich drei Gestaltungsmöglichkeiten. In Abhängigkeit von den gewünschten Multiplikationsfaktoren, die die Ausgabe zur Eingabe in Beziehung setzen, wird einer dieser Fälle das geeignete Design ergeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle (1) zusammengefasst.
Schaltungsdesign mit TINA und TINACloud
In TINA und TINACloud sind verschiedene Tools für das Design von Operationsverstärkern und Schaltkreisen verfügbar.
OPTIMIERUNG
TINAUnbekannte Schaltungsparameter im Optimierungsmodus können automatisch ermittelt werden, sodass das Netzwerk einen vordefinierten Zielausgangswert (Minimum oder Maximum) erzeugen kann. Optimierung ist nicht nur beim Schaltungsdesign nützlich, sondern auch beim Lehren, um Beispiele und Probleme zu konstruieren. Beachten Sie, dass dieses Tool nicht nur für ideale Operationsverstärker und lineare Schaltungen geeignet ist, sondern auch für alle nichtlinearen Schaltungen mit realen nichtlinearen und anderen Gerätemodellen.
Betrachten Sie die invertierende Verstärkerschaltung mit einem echten Operationsverstärker OPA350.
In der Standardeinstellung dieser Schaltung ist die Ausgangsspannung der Schaltung 2.5
Sie können dies leicht überprüfen, indem Sie die DC-Taste in TINACloud drücken.
Anmeldeformular
Analysieren Sie die folgende Schaltung mit dem TINACloud-Online-Schaltungssimulator, um V zu bestimmen in Bezug auf die Eingangsspannungen durch Klicken auf den Link unten.
OPA350-Schaltungssimulation mit TINACloud
OPA350-Schaltungssimulation mit TINACloud
Um dies vorzubereiten, sollten wir das Ziel Out = 3V und den zu bestimmenden Schaltungsparameter (Optimierungsobjekt) Vref auswählen. Für dieses Objekt sollten wir auch einen Bereich definieren, der die Suche erleichtert, aber auch die Einschränkungen darstellt.
Um das Optimierungsziel in TINACloud auszuwählen und einzustellen, klicken Sie auf den Pin Vout Voltage und setzen Sie das Optimierungsziel auf Yes
Klicken Sie anschließend in derselben Zeile auf die Schaltfläche… und setzen Sie den Wert auf 3.
Klicken Sie in jedem Dialogfeld auf OK, um die Einstellungen abzuschließen.
Nun wählen wir das Vref-Optimierungsobjekt aus und legen es fest.
Klicken Sie auf Vref und dann auf die Schaltfläche… in derselben Zeile
Wählen Sie in der Liste oben Optimierungsobjekt aus und aktivieren Sie das Kontrollkästchen Optimierung / Objekt.
Drücken Sie in beiden Dialogen OK.
Wenn die Optimierungseinstellungen erfolgreich waren, sehen Sie ein >> Zeichen bei Out und ein << Zeichen bei Vref, wie unten gezeigt.
Wählen Sie nun im Menü "Analyse" die Option "Optimierung" und drücken Sie im Dialogfeld "Optimierung" auf "Ausführen".
Nach Abschluss der Optimierung wird die gefundene Vref, der optimale Wert, im Dialogfeld DC-Optimierung angezeigt
Sie können die Einstellungen studieren und die Optimierung online ausführen und mithilfe der Schaltkreissimulation über den folgenden Link überprüfen.
Führen Sie die Optimierung aus dem Menü Analyse aus und drücken Sie dann die Taste DC, um das Ergebnis in der optimierten Schaltung (3V) anzuzeigen.
Online-Optimierung und Schaltungssimulation mit TINACloud
Beachten Sie, dass derzeit in TINACloud nur eine einfache DC-Optimierung enthalten ist. Weitere Optimierungsfunktionen sind in der Offline-Version von TINA enthalten.
AC-Optimierung
Mit der Offline-Version von TINA können Sie auch Wechselstromkreise optimieren und neu gestalten.
Öffnen Sie den Tiefpass-Schaltkreis MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC von der Examples \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro-Ordner von TINA, unten gezeigt.
Führen Sie AC Analysis / AC Transfer Characteristic aus.
Das folgende Diagramm wird angezeigt:
Die Schaltung hat eine Verstärkung von 1 (0dB) und eine Grenzfrequenz von 1.45kHz.
Lassen Sie uns nun die Schaltung mit AC-Optimierung und neu gestalten Stellen Sie die Niederfrequenzverstärkung auf 6dB und die Grenzfrequenz auf 900Hz ein.
Note Das ist normalerweise das Optimierungswerkzeug, das nur für Änderungen gilt. Im Falle von Filtern möchten Sie möglicherweise eher ein Filterdesign-Tool verwenden. Wir werden uns später mit diesem Thema befassen.
Bei Verwendung der Optimierung sind die Verstärkung und die Grenzfrequenz die Optimierungsziele.
Klicken Sie in der Symbolleiste oder im Menü "Optimierungsziel auswählen" auf das Symbol "Optimierungsziel auswählen".
Der Cursor ändert sich in das Symbol: 
. Klicken Sie auf den Pin Vout Voltage mit dem neuen Cursorsymbol.
Der folgende Dialog erscheint:
Klicken Sie auf die Schaltflächen für AC-Zielfunktionen. Der folgende Dialog erscheint:
Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Tiefpass und stellen Sie die Ziel-Grenzfrequenz auf ein 900. Aktivieren Sie nun das Kontrollkästchen Maximum und setzen Sie das Ziel auf 6.
Wählen Sie als nächstes die Schaltkreisparameter aus, die Sie ändern möchten, um die Optimierungsziele zu erreichen.
Klicken Sie auf die 
Symbol oder die Zeile Kontrollobjekt auswählen im Menü Analyse.
Der Cursor wechselt zum Symbol oben. Klicken Sie mit diesem neuen Cursor auf den Kondensator C1. Der folgende Dialog erscheint:
Drücken Sie die Auswahltaste. Der folgende Dialog erscheint:
Das Programm legt automatisch einen Bereich (Einschränkung) fest, in dem nach dem optimalen Wert gesucht wird. Endwert auf 20n wie oben gezeigt.
Wiederholen Sie nun das gleiche Verfahren für R2. Setzen Sie den Endwert auf 20k.
Wählen Sie nach Abschluss des Optimierungs-Setups im Menü Analyse die Option Optimierung / AC-Optimierung (Übertragung).
Der folgende Dialog erscheint:
Übernehmen Sie die Standardeinstellungen mit OK.
Nach einer kurzen Berechnung wird das Optimum gefunden und geänderte Bauteilparameter erscheinen:
Überprüfen Sie abschließend das Ergebnis, während die Schaltkreissimulation ausgeführt wird.
Wie im Diagramm gezeigt, wurden die Zielwerte (Gain 6db, Grenzfrequenz 900Hz) erreicht.
Verwendung des Circuit Designer Tools in TINA und TINACloud
Eine andere Methode zum Entwerfen von Schaltkreisen in TINA und TINAcloud ist die Verwendung des integrierten Circuit Designer-Tools, das als einfaches Entwurfstool bezeichnet wird.
Das Designtool arbeitet mit den Designgleichungen Ihrer Schaltung, um sicherzustellen, dass die angegebenen Eingänge zu der angegebenen Ausgangsantwort führen. Das Tool erfordert von Ihnen eine Aussage über Ein- und Ausgänge und die Beziehungen zwischen den Komponentenwerten. Das Tool bietet Ihnen eine Lösungsengine, mit der Sie wiederholte und genaue Lösungen für verschiedene Szenarien erstellen können. Die berechneten Bauteilwerte werden automatisch in den Schaltplan übernommen und Sie können das Ergebnis durch Simulation überprüfen.
Lassen Sie uns die AC-Verstärkung derselben Schaltung mit unserem Circuit Designer-Tool entwerfen.
Öffnen Sie die Schaltung aus dem Design Tool-Ordner von TINACloud. Der folgende Bildschirm wird angezeigt.
Lassen Sie uns nun AC Analysis / AC Transfer Characteristic ausführen.
Das folgende Diagramm wird angezeigt:
Lassen Sie uns nun die Schaltung neu gestalten, um eine Verstärkung von 1 (0dB) zu erhalten.
Rufen Sie im Menü Extras den Befehl Diese Schaltung neu entwerfen auf
Das folgende Dialogfeld wird angezeigt.
Stellen Sie Gain auf -1 (0 dB) und drücken Sie die Run-Taste.
Die berechneten neuen Komponentenwerte werden sofort im Schaltplaneditor in roter Farbe angezeigt.
Klicken Sie auf die Schaltfläche Akzeptieren.
Die Änderungen werden abgeschlossen. Führen Sie AC Analysis / AC Transfer Characteristics erneut aus, um die neu gestaltete Schaltung zu überprüfen.
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1Diese Technik wurde von Phil Vrbancic, einem Studenten der California State University in Long Beach, entwickelt und in einem Beitrag vorgestellt, der beim IEEE Region VI Prize Paper Contest eingereicht wurde.