6. Σχεδιασμός κυκλωμάτων Op-amp
ΤΡΕΧΟΝ - 6. Σχεδιασμός κυκλωμάτων Op-amp
ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΟ- 5. Συνδυασμένες αντιστρεπτές και μη αντιστρεπτές εισόδους
Σχεδιασμός κυκλωμάτων op-amp
Μόλις δοθεί η διαμόρφωση ενός συστήματος op-amp, μπορούμε αναλύσει αυτό το σύστημα για τον προσδιορισμό της παραγωγής σε όρους εισροών. Πραγματοποιούμε αυτήν την ανάλυση χρησιμοποιώντας τη διαδικασία που συζητήσαμε προηγουμένως (σε αυτό το κεφάλαιο).
Εάν θέλετε τώρα σχέδιο ένα κύκλωμα που συνδυάζει εισόδους αναστροφής και μη αντιστροφής, το πρόβλημα είναι πιο πολύπλοκο. Σε ένα πρόβλημα σχεδίασης, δίνεται μια επιθυμητή γραμμική εξίσωση και πρέπει να σχεδιαστεί το κύκλωμα op-amp. Η επιθυμητή έξοδος του καλοκαιριού του λειτουργικού ενισχυτή μπορεί να εκφραστεί ως ένας γραμμικός συνδυασμός εισόδων,
(30)
όπου X1, X2 ...Xn είναι τα επιθυμητά κέρδη στις εισόδους που δεν αντιστρέφουν και Ya, Yb ...Ym είναι τα επιθυμητά κέρδη στις εισροές αναστροφής. Η εξίσωση (30) υλοποιείται με το κύκλωμα του Σχήματος (14).
Εικόνα 14 - Πολλαπλό εισερχόμενο καλοκαίρι
Αυτό το κύκλωμα είναι μια ελαφρώς τροποποιημένη έκδοση του κυκλώματος του Σχήματος (13) (Είσοδοι αντιστροφής και μη αντιστροφής).
Εικόνα 13 - Είσοδοι μετατροπής και μη αντιστροφής
Η μόνη αλλαγή που έχουμε κάνει είναι να συμπεριλάβουμε αντιστάσεις μεταξύ των εισόδων op-amp και του εδάφους. Το έδαφος μπορεί να θεωρηθεί ως πρόσθετη είσοδος μηδενικών τάσεων συνδεδεμένη μέσω της αντίστοιχης αντιστάσεως (Ry για την αντίστροφη είσοδο και Rx για την είσοδο που δεν αντιστρέφεται). Η προσθήκη αυτών των αντιστάσεων μας δίνει ευελιξία στην ικανοποίηση τυχόν απαιτήσεων πέρα από αυτές της Εξίσωσης (30). Για παράδειγμα, οι αντιστάσεις εισόδου μπορούν να καθοριστούν. Και οι δύο ή και οι δύο από αυτές τις πρόσθετες αντιστάσεις μπορούν να αφαιρεθούν αφήνοντας τις τιμές τους να φτάσουν στο άπειρο.
Η εξίσωση (29) από την προηγούμενη ενότητα δείχνει ότι οι τιμές των αντιστάσεων, Ra, Rb, ...Rm και R1, R2, ...Rn είναι αντιστρόφως ανάλογες με τα επιθυμητά κέρδη που σχετίζονται με τις αντίστοιχες τάσεις εισόδου. Με άλλα λόγια, εάν είναι επιθυμητό ένα μεγάλο κέρδος σε ένα συγκεκριμένο τερματικό εισόδου, τότε η αντίσταση σε αυτό το τερματικό είναι μικρή.
Όταν το κέρδος ανοικτού βρόχου του λειτουργικού ενισχυτή, G, είναι μεγάλη, η τάση εξόδου μπορεί να γραφτεί από την άποψη των αντιστάσεων που συνδέονται με τον επιχειρησιακό ενισχυτή όπως στην εξίσωση (29). Η εξίσωση (31) επαναλαμβάνει αυτή την έκφραση με ελαφρά απλοποίηση και με την προσθήκη των αντιστάσεων στη γείωση.
(31)
Ορίζουμε δύο ισοδύναμες αντιστάσεις ως εξής:
(32)
ΑΙΤΗΣΗ
Αναλύστε το ακόλουθο κύκλωμα χρησιμοποιώντας το TINACloud για να προσδιορίσετε το Vέξω όσον αφορά τις τάσεις εισόδου κάνοντας κλικ στον παρακάτω σύνδεσμο.
Πολλαπλής εισόδου προσομοίωση κύκλου καλοκαιριού από την TINACloud
Πολλαπλής εισόδου προσομοίωση κύκλου καλοκαιριού από την TINACloud
Βλέπουμε ότι η τάση εξόδου είναι ένας γραμμικός συνδυασμός εισόδων όπου κάθε είσοδος διαιρείται με τη σχετική αντίσταση και πολλαπλασιάζεται με άλλη αντίσταση. Η αντίσταση πολλαπλασιασμού είναι RF για αναστροφή εισόδων και Req για εισροές που δεν αντιστρέφουν.
Ο αριθμός των άγνωστων σε αυτό το πρόβλημα είναι n + m +3 (δηλαδή τις άγνωστες τιμές αντιστάσεων). Πρέπει λοιπόν να αναπτυχθεί n + m +3 για να επιλυθούν αυτά τα άγνωστα. Μπορούμε να διατυπώσουμε n + m των εξισώσεων αυτών με την αντιστοίχιση των συντελεστών που δίνονται στην Εξίσωση (30). Δηλαδή, απλά αναπτύσσουμε το σύστημα εξισώσεων από τις Εξισώσεις (30), (31) και (32) ως εξής:
(33)
Δεδομένου ότι έχουμε άλλα τρία άγνωστα στοιχεία, έχουμε την ευελιξία να ικανοποιήσουμε και άλλους τρεις περιορισμούς. Τυπικοί πρόσθετοι περιορισμοί περιλαμβάνουν θεωρήσεις αντίστασης εισόδου και λογικές τιμές για τις αντιστάσεις (π.χ., δεν θα θελήσατε να χρησιμοποιήσετε μια αντίσταση ακριβείας για R1 ίσο με το 10-4 ohms!).
Παρόλο που δεν απαιτείται για το σχεδιασμό χρησιμοποιώντας ιδανικούς op-amp, θα χρησιμοποιήσουμε έναν περιορισμό σχεδιασμού που είναι σημαντικός για μη ιδανικούς op-amp. Για τον μη-αντιστρέψιμο op-ενισχυτή, η αντίσταση Thevenin που κοιτάζει πίσω από την αντιστροφή της εισόδου είναι συνήθως ισούται με εκείνη που κοιτάζει πίσω από την μη αντιστρέψιμη είσοδο. Για τη διαμόρφωση που φαίνεται στο σχήμα (14), αυτός ο περιορισμός μπορεί να εκφραστεί ως εξής:
(34)
Η τελευταία ισότητα προκύπτει από τον ορισμό του RA από την εξίσωση (32). Η υποκατάσταση αυτού του αποτελέσματος στην Εξίσωση (31) αποδίδει τον περιορισμό,
(35)
(36)
Η υποκατάσταση αυτού του αποτελέσματος στην Εξίσωση (33) αποδίδει το απλό σύνολο εξισώσεων,
(37)
Οι συνδυασμοί της Εξίσωσης (34) και της Εξίσωσης (37) μας δίνουν τις απαραίτητες πληροφορίες για το σχεδιασμό του κυκλώματος. Επιλέγουμε μια τιμή RF και στη συνέχεια να λυθεί για τις διάφορες αντιστάσεις εισόδου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (37). Εάν οι τιμές των αντιστάσεων δεν βρίσκονται σε πρακτικό εύρος, επιστρέφουμε και αλλάζουμε την τιμή της αντίστασης ανάδρασης. Μόλις λύσουμε για τις αντιστάσεις εισόδου, στη συνέχεια χρησιμοποιούμε την εξίσωση (34) για να αναγκάσουμε τις αντιστάσεις να είναι ίσες πίσω από τις δύο εισόδους op-amp. Επιλέγουμε τιμές από Rx και Ry να αναγκάσει αυτήν την ισότητα. Ενώ οι Εξισώσεις (34) και (37) περιέχουν τις βασικές πληροφορίες για το σχεδιασμό, ένα σημαντικό ζήτημα είναι εάν θα συμπεριληφθούν οι αντιστάσεις μεταξύ των εισόδων op-amp και της γείωσης (Rx και Ry). Η λύση μπορεί να απαιτεί επαναλήψεις για να λάβετε σημαντικές τιμές (δηλ. Μπορείτε να εκτελέσετε τη λύση μία φορά και να εμφανίσετε αρνητικές τιμές αντίστασης). Για το λόγο αυτό, παρουσιάζουμε μια αριθμητική διαδικασία που απλοποιεί τον όγκο των υπολογισμών[1]
Η εξίσωση (34) μπορεί να ξαναγραφεί ως εξής:
(38)
Αντικαθιστώντας την Εξίσωση (37) στην Εξίσωση (38) λαμβάνουμε,
(39)
Υπενθυμίζουμε ότι ο στόχος μας είναι να λύσουμε για τις αξίες των αντιστάσεων από άποψη Xi και Yj. Ας ορίσουμε τους όρους άθροισης ως εξής:
(40)
Στη συνέχεια μπορούμε να ξαναγράψουμε την Εξίσωση (39) ως εξής:
(41)
Αυτή είναι η αφετηρία της διαδικασίας σχεδιασμού μας. Θυμηθείτε αυτό Rx και Ry είναι οι αντιστάσεις μεταξύ της γείωσης και των εισερχόμενων και ανεστραμμένων εισόδων, αντίστοιχα. Η αντίσταση ανάδρασης δηλώνεται RF και ένα νέο όρο, Z, ορίζεται ως
(42)
Πίνακας (1) - Σχεδιασμός ενισχυτή αφαίρεσης
Μπορούμε να εξαλείψουμε τις δύο ή και τις δύο αντιστάσεις, Rx και Ry, από το κύκλωμα του Σχήματος (14). Δηλαδή, οι δύο ή και οι δύο από αυτές τις αντιστάσεις μπορούν να ρυθμιστούν στο άπειρο (δηλαδή, ανοιχτό). Αυτό δίνει τρεις δυνατότητες σχεδίασης. Ανάλογα με τους επιθυμητούς πολλαπλασιαστικούς συντελεστές που σχετίζονται με την έξοδο στην είσοδο, μία από αυτές τις περιπτώσεις θα αποδώσει τον κατάλληλο σχεδιασμό. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στον Πίνακα (1).
Σχεδίαση κυκλωμάτων με TINA και TINACloud
Υπάρχουν διάφορα εργαλεία διαθέσιμα σε TINA και TINACloud για λειτουργικό ενισχυτή και σχεδιασμό κυκλώματος.
Απόδοσης
ΤΙΝΑΛειτουργία βελτιστοποίησης άγνωστες παράμετροι κυκλώματος μπορούν να προσδιοριστούν αυτόματα έτσι ώστε το δίκτυο να μπορεί να παράγει μια προκαθορισμένη τιμή εξόδου στόχου, ελάχιστη ή μέγιστη. Η βελτιστοποίηση είναι χρήσιμη όχι μόνο στο σχεδιασμό κυκλώματος, αλλά και στη διδασκαλία, για την κατασκευή παραδειγμάτων και προβλημάτων. Σημειώστε ότι αυτό το εργαλείο λειτουργεί όχι μόνο για ιδανικούς op-amp και γραμμικό κύκλωμα, αλλά και για οποιοδήποτε μη γραμμικό κύκλωμα με πραγματικά μη γραμμικά και άλλα μοντέλα συσκευών.
Εξετάστε το κύκλωμα του ενισχυτή που αναστρέφεται με έναν πραγματικό επιχειρησιακό ενισχυτή OPA350.
Με την προεπιλεγμένη ρύθμιση αυτού του κυκλώματος η τάση εξόδου του κυκλώματος είναι 2.5
Μπορείτε εύκολα να το ελέγξετε πιέζοντας το κουμπί DC στο TINACloud.
ΑΙΤΗΣΗ
Αναλύστε το ακόλουθο κύκλωμα χρησιμοποιώντας τον προσομοιωτή κυκλώματος TINACloud για να προσδιορίσετε το Vέξω όσον αφορά τις τάσεις εισόδου κάνοντας κλικ στον παρακάτω σύνδεσμο.
Προσομοίωση κυκλώματος OPA350 με TINACloud
Προσομοίωση κυκλώματος OPA350 με TINACloud
Εάν πρόκειται να προετοιμάσουμε αυτό θα πρέπει να επιλέξουμε το target Out = 3V και την παράμετρο κυκλώματος που θα καθοριστεί (Object Optimization) Vref. Για αυτό το αντικείμενο θα πρέπει επίσης να ορίσουμε μια περιοχή που βοηθά την αναζήτηση, αλλά αντιπροσωπεύει επίσης τους περιορισμούς.
Για να επιλέξετε και να ορίσετε το στόχο Βελτιστοποίησης στο TINACloud, κάντε κλικ στο pin Vout Voltage και ορίστε το στόχο βελτιστοποίησης σε Ναι
Στη συνέχεια, κάντε κλικ στο κουμπί ... στην ίδια γραμμή και ορίστε την τιμή σε 3.
Πατήστε OK σε κάθε παράθυρο διαλόγου για να ολοκληρώσετε τις ρυθμίσεις.
Τώρα ας επιλέξουμε και ορίσουμε το αντικείμενο βελτιστοποίησης Vref.
Κάντε κλικ στο κουμπί Vref, στη συνέχεια, στο κουμπί ... στην ίδια γραμμή
Επιλέξτε το αντικείμενο βελτιστοποίησης στη λίστα στην κορυφή του και ορίστε το πλαίσιο ελέγχου Βελτιστοποίηση / Αντικείμενο.
Πατήστε OK και στα δύο παράθυρα διαλόγου.
Εάν οι ρυθμίσεις βελτιστοποίησης ήταν επιτυχής, θα δείτε μια ένδειξη >> στο Έξοδος και μια ένδειξη << στο Vref όπως φαίνεται παρακάτω.
Τώρα επιλέξτε Βελτιστοποίηση από το μενού Ανάλυση και πατήστε RUN στο παράθυρο διαλόγου Βελτιστοποίηση.
Αφού ολοκληρώσετε τη βελτιστοποίηση, το Vref που βρέθηκε, η Βέλτιστη τιμή, θα εμφανιστεί στο διάλογο DC Optimization
Μπορείτε να μελετήσετε τις ρυθμίσεις και να εκτελέσετε τη βελτιστοποίηση online και να ελέγξετε την προσομοίωση κυκλώματος χρησιμοποιώντας τον παρακάτω σύνδεσμο.
Εκτελέστε Βελτιστοποίηση από το μενού Ανάλυση και πατήστε το κουμπί DC για να δείτε το αποτέλεσμα στο κύκλωμα Optimized (3V)
Ηλεκτρονική βελτιστοποίηση και προσομοίωση κυκλώματος με TINACloud
Σημειώστε ότι αυτή τη στιγμή στο TINACloud περιλαμβάνεται μόνο μια απλή βελτιστοποίηση DC. Περισσότερες δυνατότητες βελτιστοποίησης περιλαμβάνονται στην offline έκδοση του TINA.
Βελτιστοποίηση AC
Χρησιμοποιώντας την offline έκδοση του TINA μπορείτε να βελτιστοποιήσετε και να επανασχεδιάσετε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος επίσης.
Ανοίξτε το κύκλωμα χαμηλής διέλευσης Chebyshev LPF.TSC MFB 2nd από το Παραδείγματα \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro φάκελο του TINA, Φαίνεται παρακάτω.
Εκτέλεση ανάλυσης AC / χαρακτηριστικού μεταφοράς AC.
Εμφανίζεται το παρακάτω διάγραμμα:
Το κύκλωμα έχει κέρδος ενότητας (0dB) και συχνότητα αποκοπής 1.45kHz.
Τώρα, ας επανασχεδιάσουμε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας το AC Optimization και το ρυθμίστε το κέρδος χαμηλής συχνότητας στο 6dB και τη συχνότητα αποκοπής σε 900Hz.
Note που κανονικά είναι το εργαλείο βελτιστοποίησης που ισχύει μόνο για αλλαγές. Σε περίπτωση φίλτρων ίσως θέλετε να χρησιμοποιήσετε μάλλον ένα εργαλείο σχεδιασμού φίλτρου. Θα ασχοληθούμε με αυτό το θέμα αργότερα.
Τώρα με τη χρήση της βελτιστοποίησης η κερδοφορία και η συχνότητα αποκοπής είναι οι στόχοι βελτιστοποίησης.
Κάντε κλικ στο εικονίδιο "Επιλογή στόχου βελτιστοποίησης" στη γραμμή εργαλείων ή στο μενού Ανάλυση "Επιλογή στόχου βελτιστοποίησης"
Ο κέρσορας θα αλλάξει στο εικονίδιο: 
. Κάντε κλικ στην καρφίτσα Vout Voltage με το νέο σύμβολο του κέρσορα.
Θα εμφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο διαλόγου:
Κάντε κλικ στα κουμπιά Λειτουργίες στόχου AC. Θα εμφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο διαλόγου:
Ελέγξτε το πλαίσιο ελέγχου Χαμηλή μετάβαση και ρυθμίστε τη συχνότητα αποκοπής Target στο 900. Τώρα επιλέξτε το πλαίσιο ελέγχου Μέγιστο και ορίστε το Στόχο σε 6.
Στη συνέχεια, επιλέξτε τις παραμέτρους του κυκλώματος που θέλετε να αλλάξετε για να επιτύχετε τους στόχους βελτιστοποίησης.
Κάντε κλικ στο 
σύμβολο ή τη γραμμή επιλογής Ελέγχου αντικειμένου στο μενού Ανάλυση.
Ο δρομέας θα αλλάξει στο παραπάνω σύμβολο. Κάντε κλικ στον πυκνωτή C1 με αυτόν τον νέο δρομέα. Θα εμφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο διαλόγου:
Πατήστε το κουμπί επιλογής. Θα εμφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο διαλόγου:
Το πρόγραμμα ορίζει αυτόματα ένα εύρος (περιορισμός) όπου θα αναζητηθεί η τιμή Optimum. Η τελική τιμή στο 20n όπως φαίνεται παραπάνω.
Τώρα επαναλάβετε την ίδια διαδικασία για το R2. Ορίστε την τιμή Τέλους σε 20k.
Μετά την ολοκλήρωση της ρύθμισης βελτιστοποίησης, επιλέξτε Βελτιστοποίηση / Βελτιστοποίηση AC (Μεταφορά) από το μενού Ανάλυση.
Θα εμφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο διαλόγου:
Αποδεχτείτε τις προεπιλεγμένες ρυθμίσεις πατώντας OK.
Μετά από έναν σύντομο υπολογισμό βρεθεί το βέλτιστο και εμφανίζονται οι παράμετροι των συστατικών:
Τέλος, ελέγξτε το αποτέλεσμα με προσομοίωση κυκλώματος που εκτελείται Ανάλυση εναλλασσόμενου ρεύματος / χαρακτηριστικό μεταφοράς AC.
Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, οι τιμές στόχου (κέρδος 6db, συχνότητα αποκοπής 900Hz) έχουν επιτευχθεί.
Χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού κυκλωμάτων σε TINA και TINACloud
Μια άλλη μέθοδος της μεθόδου σχεδιασμού κυκλωμάτων σε TINA και TINAcloud χρησιμοποιεί το ενσωματωμένο εργαλείο σχεδιασμού κυκλώματος που ονομάζεται απλά εργαλείο σχεδίασης.
Το Εργαλείο Σχεδιασμού λειτουργεί με τις εξισώσεις σχεδίασης του κυκλώματος σας για να διασφαλίσει ότι οι καθορισμένες εισόδους έχουν ως αποτέλεσμα την καθορισμένη απόκριση εξόδου. Το εργαλείο απαιτεί από εσάς μια δήλωση εισόδων και εξόδων και τις σχέσεις μεταξύ των τιμών των συστατικών στοιχείων. Το εργαλείο προσφέρει μια μηχανή λύσεων που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να επιλύσετε επανειλημμένα και με ακρίβεια τα διάφορα σενάρια. Οι υπολογισμένες τιμές συνιστωσών ρυθμίζονται αυτόματα στη θέση τους στο σχήμα και μπορείτε να ελέγξετε το αποτέλεσμα με προσομοίωση.
Σχεδιάστε την ενίσχυση AC του ίδιου κυκλώματος χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδίασης κυκλωμάτων.
Ανοίξτε το κύκλωμα από το φάκελο Tool Design του TINACloud. Εμφανίζεται η παρακάτω οθόνη.
Τώρα ας κάνουμε το AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Εμφανίζεται το παρακάτω διάγραμμα:
Τώρα ας επανασχεδιάσουμε το κύκλωμα ώστε να έχουμε κέρδος ενότητας (0dB)
Καλέστε τον επανασχεδιασμό αυτού του κυκλώματος από το μενού Εργαλεία
Εμφανίζεται το παράθυρο διαλόγου που ακολουθεί.
Ορίστε κέρδος στο -1 (0 dB) και πατήστε το κουμπί Εκτέλεση.
Οι υπολογιζόμενες νέες τιμές συνιστωσών θα εμφανιστούν αμέσως στον σχηματικό επεξεργαστή, με κόκκινο χρώμα.
Πατήστε το κουμπί Αποδοχή.
Οι αλλαγές θα οριστικοποιηθούν. Εκτελέστε ξανά τα χαρακτηριστικά ανάλυσης AC / AC Transfer για να ελέγξετε το επανασχεδιασμένο κύκλωμα.
—————————————————————————————————————————————————— —-
1Αυτή η τεχνική σχεδιάστηκε από τον Phil Vrbancic, φοιτητή στο κρατικό πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Long Beach, και παρουσιάστηκε σε ένα έγγραφο που υποβλήθηκε στον διαγωνισμό IEEE Region Prize Paper.