6. Diseño de circuitos de amplificador operacional.
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Diseño de circuitos op-amp.
Una vez que se da la configuración de un sistema de amplificador operacional, podemos analizar Ese sistema para determinar la salida en términos de las entradas. Realizamos este análisis utilizando el procedimiento descrito anteriormente (en este capítulo).
Si ahora desea personalizable un circuito que combina entradas tanto de inversión como de no inversión, el problema es más complejo. En un problema de diseño, se proporciona una ecuación lineal deseada y se debe diseñar el circuito del amplificador operacional. La salida deseada del verano del amplificador operacional se puede expresar como una combinación lineal de entradas,
(30)
donde X1, X2 ...Xn son las ganancias deseadas en los insumos no inversores y Ya, Yb ...Ym Son las ganancias deseadas en las entradas de inversión. La ecuación (30) se implementa con el circuito de la Figura (14).
Figura 14- Entrada múltiple de verano.
Este circuito es una versión ligeramente modificada del circuito de la Figura (13) (Entradas invertidas y no invertidas).
Figura 13- Entradas invertidas y no invertidas
El único cambio que hemos hecho es incluir resistencias entre las entradas del amplificador operacional y tierra. El suelo se puede ver como una entrada adicional de cero voltios conectada a través de la resistencia correspondiente (Ry para la entrada de inversión y Rx para la entrada no inversora). La adición de estos resistores nos da flexibilidad para cumplir con cualquier requisito más allá de los de la Ecuación (30). Por ejemplo, las resistencias de entrada pueden ser especificadas. Cualquiera o ambos de estos resistores adicionales pueden eliminarse dejando que sus valores lleguen al infinito.
La ecuación (29) de la sección anterior muestra que los valores de las resistencias, Ra, Rb, salpicadero de coches y etc.Rm y R1, R2, salpicadero de coches y etc.Rn son inversamente proporcionales a las ganancias deseadas asociadas con los respectivos voltajes de entrada. En otras palabras, si se desea una gran ganancia en un terminal de entrada particular, entonces la resistencia en ese terminal es pequeña.
Cuando la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional, G, es grande, la tensión de salida se puede escribir en términos de las resistencias conectadas al amplificador operacional como en la Ecuación (29). La ecuación (31) repite esta expresión con una ligera simplificación y con la adición de las resistencias al suelo.
(31)
Definimos dos resistencias equivalentes de la siguiente manera:
(32)
SOLICITUD
Analice el siguiente circuito usando TINACloud para determinar Vsalir en términos de los voltajes de entrada haciendo clic en el enlace de abajo.
Simulación de circuitos de verano de entradas múltiples por TINACloud
Simulación de circuitos de verano de entradas múltiples por TINACloud
Vemos que el voltaje de salida es una combinación lineal de entradas donde cada entrada se divide por su resistencia asociada y se multiplica por otra resistencia. La resistencia multiplicadora es RF para invertir entradas y Req Para entradas no inversoras.
El número de incógnitas en este problema es n + m +3 (es decir, los valores de resistencia desconocidos). Por lo tanto necesitamos desarrollar n + m +Ecuaciones 3 para resolver estas incógnitas. Podemos formular n + m de estas ecuaciones haciendo coincidir los coeficientes dados en la ecuación (30). Es decir, simplemente desarrollamos el sistema de ecuaciones de Ecuaciones (30), (31) y (32) de la siguiente manera:
(33)
Ya que tenemos tres incógnitas más, tenemos la flexibilidad para satisfacer tres restricciones más. Las restricciones adicionales típicas incluyen consideraciones de resistencia de entrada y tener valores razonables para las resistencias (por ejemplo, no desearía tener que usar una resistencia de precisión para R1 igual a 10-4 ohms!).
Aunque no es necesario para el diseño que utiliza amplificadores operacionales ideales, usaremos una restricción de diseño que es importante para los amplificadores operacionales no ideales. Para el amplificador operacional que no invierte, la resistencia de Thevenin que mira hacia atrás desde la entrada invertida generalmente se hace igual a la vista hacia atrás desde la entrada que no invierte. Para la configuración que se muestra en la Figura (14), esta restricción se puede expresar de la siguiente manera:
(34)
La última igualdad resulta de la definición de RA de la ecuación (32). Sustituyendo este resultado en la ecuación (31) se obtiene la restricción,
(35)
(36)
Sustituyendo este resultado en la ecuación (33) se obtiene el conjunto simple de ecuaciones,
(37)
Las combinaciones de Ecuación (34) y Ecuación (37) nos dan la información necesaria para diseñar el circuito. Seleccionamos un valor de RF y luego resolver para las diferentes resistencias de entrada usando la ecuación (37). Si los valores de las resistencias no están en un rango práctico, retrocedemos y cambiamos el valor de la resistencia de retroalimentación. Una vez que resolvemos las resistencias de entrada, usamos la Ecuación (34) para forzar que las resistencias sean iguales mirando hacia atrás desde las dos entradas del amplificador operacional. Seleccionamos valores de Rx y Ry para forzar esta igualdad. Si bien las ecuaciones (34) y (37) contienen la información esencial para el diseño, una consideración importante es si se deben incluir o no las resistencias entre las entradas del amplificador operacional y la tierra (Rx y Ry). La solución puede requerir iteraciones para obtener valores significativos (es decir, puede realizar la solución una vez y obtener valores de resistencia negativos). Por este motivo, presentamos un procedimiento numérico que simplifica la cantidad de cálculos.[ 1 ]
La ecuación (34) se puede reescribir de la siguiente manera:
(38)
Sustituyendo la ecuación (37) en la ecuación (38) obtenemos,
(39)
Recordemos que nuestro objetivo es resolver los valores de los resistores en términos de Xi y Yj. Definamos los términos de suma de la siguiente manera:
(40)
Luego podemos reescribir la ecuación (39) de la siguiente manera:
(41)
Este es un punto de partida para nuestro procedimiento de diseño. Recordar que Rx y Ry son las resistencias entre tierra y las entradas no inversoras e inversoras, respectivamente. La resistencia de retroalimentación se denota RF y un nuevo término, Z, Se define como
(42)
Mesa (1) - Diseño del amplificador de turno
Podemos eliminar cualquiera o ambas resistencias, Rx y Ry, desde el circuito de la figura (14). Es decir, cualquiera o ambas resistencias pueden configurarse a infinito (es decir, en circuito abierto). Esto da lugar a tres posibilidades de diseño. Dependiendo de los factores de multiplicación deseados que relacionen la salida con la entrada, uno de estos casos producirá el diseño apropiado. Los resultados se resumen en la Tabla (1).
Diseño de circuitos con TINA y TINACloud.
Hay varias herramientas disponibles en TINA y TINACloud para amplificadores operacionales y diseño de circuitos.
Optimización
TINALos parámetros del circuito desconocido del modo de optimización se pueden determinar automáticamente para que la red pueda producir un valor de salida objetivo predefinido, mínimo o máximo. La optimización es útil no solo en el diseño de circuitos, sino también en la enseñanza, para construir ejemplos y problemas. Tenga en cuenta que esta herramienta funciona no solo para amplificadores operacionales ideales y circuitos lineales, sino también para cualquier circuito no lineal con modelos de dispositivos no lineales reales y otros.
Considere el circuito amplificador inversor con un amplificador operacional real OPA350.
Por la configuración predeterminada de este circuito, la tensión de salida del circuito es 2.5.
Puede verificar esto fácilmente presionando el botón DC en TINACloud.
SOLICITUD
Analice el siguiente circuito usando el simulador de circuito en línea TINACloud para determinar Vsalir en términos de los voltajes de entrada haciendo clic en el enlace de abajo.
Simulación de circuitos OPA350 con TINACloud
Simulación de circuitos OPA350 con TINACloud
Si ordenamos preparar esto, debemos seleccionar el destino Out = 3V y el parámetro del circuito a determinar (Objeto de optimización) Vref. Para este objeto también deberíamos definir una región que ayude a la búsqueda pero que también represente las restricciones.
Para seleccionar y establecer el objetivo de optimización en TINACloud, haga clic en el pin Vout Voltage Voltage y establezca el objetivo de optimización en Sí
A continuación, haga clic en el botón… en la misma línea y establezca el Valor en 3.
Presione OK en cada cuadro de diálogo para finalizar la configuración.
Ahora seleccionemos y establezcamos el objeto de optimización de Vref.
Haga clic en Vref y luego el botón ... en la misma línea
Seleccione Objeto de optimización en la lista en la parte superior y establezca la casilla de verificación Optimización / Objeto.
Pulse OK en ambos diálogos.
Si la configuración de Optimización fue exitosa, verá un signo >> en Salir y un signo << en Vref como se muestra a continuación.
Ahora seleccione Optimización en el menú Análisis y presione Ejecutar en el cuadro de diálogo Optimización.
Después de completar la optimización, el Vref encontrado, el valor óptimo, se mostrará en el cuadro de diálogo Optimización de DC
Puede estudiar la configuración, ejecutar la optimización en línea y verificar mediante Circuit Simulation utilizando el siguiente enlace.
Ejecute la optimización desde el menú de análisis y luego presione el botón DC para ver el resultado en el circuito optimizado (3V)
Optimización en línea y simulación de circuitos con TINACloud
Tenga en cuenta que en este momento en TINACloud solo se incluye una optimización de DC simple. Se incluyen más funciones de optimización en la versión fuera de línea de TINA.
Optimización AC
Usando la versión fuera de línea de TINA, también puede optimizar y rediseñar los circuitos de CA.
Abra el circuito de paso bajo MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, desde el Ejemplos \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro folder de TINA, mostrado a continuación.
Ejecutar análisis de CA / característica de transferencia de CA.
Aparecerá el siguiente diagrama:
El circuito tiene ganancia de unidad (0dB) y frecuencia de corte de 1.45kHz.
Ahora rediseñemos el circuito utilizando la optimización de CA y establezca la ganancia de baja frecuencia en 6dB y la frecuencia de corte en 900Hz.
Note que normalmente la herramienta de optimización solo aplica para cambios. En el caso de los filtros, es posible que desee utilizar más bien una herramienta de diseño de filtros. Nos ocuparemos de ese tema más adelante.
Ahora utilizando Optimización, la ganancia y la frecuencia de corte son los objetivos de Optimización.
Haga clic en el icono "Seleccionar objetivo de optimización" en la barra de herramientas o en el menú Análisis "Seleccionar objetivo de optimización"
El cursor cambiará al icono: 
. Haga clic en el pin Vout Voltage con el nuevo símbolo del cursor.
Aparecerá el siguiente diálogo:
Haga clic en los botones de funciones de objetivo de CA. Aparecerá el siguiente diálogo:
Marque la casilla de verificación Paso bajo y establezca la frecuencia de corte objetivo en 900. Ahora marque la casilla de verificación Máximo y configure el Objetivo en 6.
A continuación, seleccione los parámetros del circuito que desea cambiar para alcanzar los objetivos de optimización.
Haga clic en el 
o la línea Seleccionar objeto de control en el menú Análisis.
El cursor cambiará al símbolo de arriba. Haga clic en el condensador C1 con este nuevo cursor. Aparecerá el siguiente diálogo:
Pulse el botón de selección. Aparecerá el siguiente diálogo:
El programa establece automáticamente un rango (restricción) donde se buscará el valor óptimo. Valor final a 20n como se muestra arriba.
Ahora repita el mismo procedimiento para R2. Establezca el valor final en 20k.
Después de finalizar la configuración de optimización, seleccione Optimización / Optimización de CA (Transferencia) en el menú Análisis.
Aparecerá el siguiente diálogo:
Acepte la configuración predeterminada presionando OK.
Después de un breve cálculo, se encuentra el óptimo y aparecen los parámetros de los componentes modificados:
Finalmente, verifique el resultado con la simulación de circuito ejecutando Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Como se muestra en el diagrama, se han alcanzado los valores objetivo (Ganancia 6db, Frecuencia de corte 900Hz).
Usando la herramienta de diseño de circuitos en TINA y TINACloud
Otro método del método de diseño de circuitos en TINA y TINAcloud es usar la herramienta de diseño de circuitos llamada simplemente herramienta de diseño.
La herramienta de diseño trabaja con las ecuaciones de diseño de su circuito para garantizar que las entradas especificadas resulten en la respuesta de salida especificada. La herramienta requiere de usted una declaración de entradas y salidas y las relaciones entre los valores de los componentes. La herramienta le ofrece un motor de solución que puede utilizar para resolver de forma repetitiva y precisa para varios escenarios. Los valores de los componentes calculados se establecen automáticamente en el esquema y puede verificar el resultado por simulación.
Diseñemos la amplificación de CA del mismo circuito utilizando nuestra herramienta de diseño de circuitos.
Abra el circuito desde la carpeta de herramientas de diseño de TINACloud. La siguiente pantalla aparecerá.
Ahora vamos a ejecutar AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Aparecerá el siguiente diagrama:
Ahora rediseñemos el circuito para tener ganancia unitaria (0dB)
Invoca el rediseño de este circuito desde el menú Herramientas.
Aparecerá el siguiente cuadro de diálogo.
Establezca Ganancia en -1 (0 dB) y presione el botón Ejecutar.
Los nuevos valores de componentes calculados aparecerán inmediatamente en el editor de esquemas, dibujados en color rojo.
Presione el botón Aceptar.
Los cambios serán finalizados. Ejecute el Análisis de CA / Características de transferencia de CA nuevamente para verificar el circuito rediseñado.
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1Esta técnica fue diseñada por Phil Vrbancic, un estudiante de la Universidad Estatal de California en Long Beach, y presentada en un documento presentado al Concurso de Premios IEEE para la Región VI.