6. Op-amp-ahelate disain
PRAEGU - 6. Op-amp ahelate kujundus
EELMINE - 5. Kombineeritud inverteerivad ja mitte-inverteerivad sisendid
Op-amp-vooluahelate disain
Kui op-amp süsteemi konfiguratsioon on antud, saame analüüsima süsteemi, et määrata toodang sisenditena. Analüüsi teostame eelnevalt (käesolevas peatükis) käsitletud protseduuri abil.
Kui soovite nüüd disain ahel, mis ühendab nii inverteerivad kui ka mitte-inverteerivad sisendid, on probleem keerulisem. Disainiprobleemis on antud soovitud lineaarne võrrand ja op-amp-ahel peab olema projekteeritud. Operatiivvõimendi suvel soovitud väljundit saab väljendada sisendite lineaarse kombinatsioonina,
(30)
kus X1, X2 ...Xn on soovitud tulud mitte-pöörlevates sisendites ja Ya, Yb ...Ym on soovitud tulud pöörlevate sisendite juures. Võrrand (30) on teostatud joonise (14) ahelaga.
Joonis 14 - mitme sisendi suvi
See ahel on joonise (13) ahela veidi muudetud versioon.Sisendite ümberpööramine ja ümberpööramine).
Joonis 13 - sisendite ümberpööramine ja ümberpööramine
Ainus muutus, mille me oleme teinud, on takistada takistid op-amp sisendite ja maapinna vahel. Maapinda võib vaadelda kui täiendavat sisendit, mis on ühendatud vastavat takistit ühendava nullvoldi (Ry pööratava sisendi ja Rx mitte-inverteeriva sisendi puhul). Nende takistite lisamine annab meile paindlikkuse mis tahes nõuete täitmisel, mis ületavad võrrandit (30). Näiteks võidakse määrata sisendresistentsid. Mõlemad või mõlemad täiendavad takistid saab eemaldada, lastes nende väärtustel lõpmatuseni minna.
Võrrand (29) eelmisest jaotisest näitab, et takistite väärtused, Ra, Rb, ...Rm ja R1, R2, ...Rn on pöördvõrdelised vastavate sisendpingetega seotud soovitud kasumitega. Teiste sõnadega, kui soovitakse kindlat sisendterminali suur võimendust, siis on selle klemmi vastupanu väike.
Kui operatiivvõimendi avatud ahela võimendus, G, on suur, väljundpinge võib kirjutada operatsioonivõimendiga ühendatud takistite järgi nagu võrrandis (29). Võrrand (31) kordab seda väljendit kerge lihtsustamisega ja vastuste lisamisega maapinnale.
(31)
Me määratleme kaks võrdväärset takistust järgmiselt:
(32)
TAOTLUS
Analüüsige V määramiseks TINACloudi abil järgmist vooluringivälja sisendpinge osas, klõpsates alloleval lingil.
TINACloud'i poolt teostatud mitme sisendi suvelahenduse simulatsioon
TINACloud'i poolt teostatud mitme sisendi suvelahenduse simulatsioon
Me näeme, et väljundpinge on sisendite lineaarne kombinatsioon, kus iga sisend jagatakse selle vastupanu ja korrutatakse teise takistusega. Korduv takistus on RF sisendite inverteerimiseks Req mitte-pöörlevate sisendite puhul.
Tundmatute arv selles probleemis on n + m +3 (st tundmatud takisti väärtused). Seetõttu peame arenema n + m +3-i võrrandid nende tundmatute lahendamiseks. Me võime sõnastada n + m nendest võrranditest, sobitades antud koefitsiendid võrrandis (30). See tähendab, et me lihtsalt arendame võrrandite süsteemi võrranditest (30), (31) ja (32) järgmiselt:
(33)
Kuna meil on veel kolm tundmatut, on meil veel kolm piirangut. Tüüpilisteks täiendavateks piiranguteks on sisendresistentsuse kaalutlused ja takistite mõistlikud väärtused (nt. Te ei soovi kasutada täpsustakisti) R1 võrdub 10iga-4 oomi!).
Kuigi need ei ole ideaalsete optimeerijate jaoks vajalikud, kasutame disainilahenduse piirangut, mis on oluline mitte-ideaalsete optimeerijate jaoks. Mitte-ümberpööratava op-amp-i jaoks tehakse inverteerivast sisendist tagasi vaadatud Thevenini takistus tavaliselt võrdseks mitte-inverteerivast sisendist tagasi vaadates. Joonisel (14) näidatud konfiguratsiooni puhul võib seda piirangut väljendada järgmiselt:
(34)
Viimane võrdsus tuleneb. \ T RA võrrandist (32). Selle tulemuse asendamine võrrandiks (31) annab piirangu,
(35)
(36)
Selle tulemuse asendamine võrrandiks (33) annab lihtsa võrrandite,
(37)
Võrdluse (34) ja võrrandi (37) kombinatsioonid annavad meile vajaliku informatsiooni ahela kujundamiseks. Me valime väärtuse RF ja seejärel lahendada erinevate sisendtakistite jaoks võrrand (37). Kui takistite väärtused ei ole praktilises vahemikus, läheme tagasi ja muudame tagasiside takistuse väärtust. Kui me sisendresistorid lahendame, kasutame siis võrrandit (34), et sundida vastupanuid võrdsust vaadates tagasi kahest op-amp sisendist. Me valime väärtused Rx ja Ry seda võrdsust sundida. Kuigi võrrandid (34) ja (37) sisaldavad disaini jaoks olulist teavet, on üks oluline kaalutlus see, kas lisada takistid op-amp sisendite ja maapinna vahele (Rx ja Ry). Lahendus võib vajada tähenduslike väärtuste saamiseks iteratsioone (st võite lahendust korraga teha ja negatiivse resistentsuse väärtused välja tuua). Sel põhjusel esitame numbrilise protseduuri, mis lihtsustab arvutuste arvu[1]
Võrrandit (34) saab ümber kirjutada järgmiselt:
(38)
Võime võrrandi (37) asendamine võrrandiks (38),
(39)
Tuletame meelde, et meie eesmärk on lahendada takistite väärtused Xi ja Yj. Määratlege summeerimise tingimused järgmiselt:
(40)
Võime siis võrrandi (39) ümber kirjutada järgmiselt:
(41)
See on meie projekteerimisprotsessi lähtepunkt. Meenuta seda Rx ja Ry on takistid vastavalt maanduse ning mitteinverteeriva ja inverteeriva sisendi vahel. Tagasiside takisti on tähistatud RF ja uus termin, Z, on defineeritud kui
(42)
Tabel (1) -Summing Amplifier Design
Võime kõrvaldada ühe või mõlemad takistid, Rx ja Ry, joonise (14) ahelast. See tähendab, et mõlemat või mõlemat neist takistitest saab seadistada lõpmatusse (st avatud ahelaga). See annab kolm kujundusvõimalust. Sõltuvalt soovitud korrutusteguritest, mis on seotud väljundiga, annab üks neist juhtudest sobiva disaini. Tulemused on kokku võetud tabelis (1).
Kontuuride disain TINA ja TINACloud'iga
TINA-s ja TINACloudis on operatsioonisüsteemi võimendi ja vooluahela disaini jaoks mitmeid tööriistu.
Optimeerimine
TINAOptimeerimisrežiimi tundmatu vooluahela parameetreid saab määrata automaatselt, nii et võrk saaks anda etteantud väljundväärtuse, miinimum või maksimum. Optimeerimine on kasulik mitte ainult vooluahela kujundamisel, vaid ka õpetamisel, et luua näiteid ja probleeme. Pange tähele, et see tööriist töötab mitte ainult ideaalsete op-amprite ja lineaarahelate, vaid ka kõigi mittelineaarsete vooluringide korral, millel on reaalsed mittelineaarsed ja muud seadmemudelid.
Mõtle inverteeriva võimendi ahelale reaalse operatsioonivõimendi OPA350.
Selle ahela vaikesätte järgi on vooluahela väljundpinge 2.5
Seda saab hõlpsasti kontrollida, vajutades DC-nuppu TINACloudis.
TAOTLUS
Analüüsige V vooluahela simulaatori abil TINACloudi vooluringi simulaatorit järgmiseltvälja sisendpinge osas, klõpsates alloleval lingil.
OPA350 vooluringi simulatsioon TINACloud'iga
OPA350 vooluringi simulatsioon TINACloud'iga
Kui soovid seda ette valmistada, peaksime valima kindlaksmääratava sihtmärgi Out = 3V ja piirparameetri (Optimeerimisobjekt) Vref. Selle objekti jaoks peaksime määratlema ka piirkonna, mis aitab otsida, kuid esindab ka piiranguid.
Optimeerimise eesmärgi valimiseks ja seadistamiseks TINACloudis klõpsake Vout Voltage pin ja seadke optimeerimise sihtmärgiks Yes
Seejärel klõpsa nupul… samal real ja seadke väärtus 3.
Seadistuste lõpetamiseks vajutage igas dialoogis nuppu OK.
Nüüd valime ja määrame Vrefi optimeerimise objekti.
Klõpsake samal real Vref ja seejärel… nuppu
Valige loendis olevas loendis optimeerimisobjekt ja valige märkeruut Optimeerimine / objekt.
Vajutage mõlemas dialoogis OK.
Kui optimeerimisseaded õnnestusid, näete väljal >> märki >> ja Vrefi juures << silti, nagu allpool näidatud.
Nüüd vali analüüsimenüüst Optimeerimine ja vajuta dialoogiaknas Optimeerimine nuppu RUN.
Pärast optimeerimise lõpetamist kuvatakse DC optimeerimise dialoogis leitud Vref, optimaalne väärtus
Saate uurida seadeid ja käivitada optimeerimise võrgus ning kontrollida allpool olevat linki.
Käivitage Analüüsimenüüst optimeerimine ja vajutage seejärel DC nuppu, et näha tulemust optimeeritud ahelas (3V)
Online-optimeerimine ja vooluringi simulatsioon TINACloudiga
Pange tähele, et praegu on TINACloudis ainult lihtne DC optimeerimine. Rohkem optimeerimisfunktsioone on TINA offline versioonis.
AC optimeerimine
TINA võrguühenduseta versiooni abil saate ka AC vooluahelaid optimeerida ja ümber kujundada.
Avage MFB 2nd tellimus Chebyshev LPF.TSC madalpääseahelast Näited Texas Instruments'i filtrid TINA filtrid_FilterPro, näidatud allpool.
Käivitage AC analüüs / vahelduvvoolu ülekande karakteristik.
Kuvatakse järgmine diagramm:
Kontuuril on ühtsus (0dB) Gain ja 1.45kHz Cutoff sagedus.
Nüüd ümberplaneerime vooluringi AC optimeerimise ja seadke madal sagedus Gain väärtuseks 6dB ja väljalülitussageduseks 900Hz.
märkused et tavaliselt ainult muudatuste jaoks kasutatav optimeerimisvahend. Filtrite puhul võite kasutada pigem filtri disaini. Me käsitleme seda teemat hiljem.
Nüüd on optimeerimise abil optimeerimise eesmärgid optimeerimise abil.
Klõpsake tööriistariba või menüü Analüüs „Optimeerimise sihtmärgi valimine” ikooni „Vali optimeerimise sihtmärk”
Kursor muutub ikooniks: 
. Klõpsa uue kursorimärgiga Vout Voltage pin.
Ilmub järgmine dialoog:
Klõpsake AC eesmärgi funktsioonide nuppe. Ilmub järgmine dialoog:
Märkige ruut Low Pass ja valige Target cut-off sagedus väärtuseks 900. Nüüd märkige ruut Maksimaalne ja määrake Sihtmärk väärtusele 6.
Seejärel vali välja lülitusparameetrid, mida soovite optimeerimise sihtmärkide saavutamiseks muuta.
kliki 
või menüüst Analüüs menüü Vali juhtelement.
Kursor muutub ülaltoodud sümboliks. Klõpsake selle uue kursoriga C1i kondensaatorit. Ilmub järgmine dialoog:
Vajutage valikunuppu. Ilmub järgmine dialoog:
Programm määrab automaatselt vahemiku (piirang), kus optimaalset väärtust otsitakse. Lõpeta väärtus 20n-ile, nagu eespool näidatud.
Nüüd korrake sama protseduuri R2 puhul. Määrake lõpu väärtuseks 20 k.
Pärast optimeerimise seadistamise lõpetamist valige menüüst Analüüs menüüst Optimeerimine / AC optimeerimine (Transfer).
Ilmub järgmine dialoog:
Aktsepteeri vaikesätted, vajutades OK.
Pärast lühikest arvutamist leitakse optimaalne komponent ja muutuvad komponendi parameetrid:
Lõpuks kontrollige tulemust ahela simulatsiooniga Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Nagu on näidatud skeemil, on saavutatud sihtväärtused (Gain 6db, cut-off frequency 900Hz).
Circuit Designer Tooli kasutamine TINA ja TINACloudis
Teine meetod TINA ja TINAcloudi vooluahelate projekteerimiseks on ehitatud Circuit Designer tööriist, mida nimetatakse lihtsalt disaini tööriistaks.
Disainitööriist töötab teie vooluahela projekteerimisvõrranditega tagamaks, et määratud sisendid annavad määratud väljundvastuse. Tööriist nõuab Teilt sisendite ja väljundite ning komponentide väärtuste vaheliste suhete avaldust. Tööriist pakub lahendusmootorit, mida saab kasutada korduvalt ja täpselt erinevate stsenaariumide lahendamiseks. Arvutatud komponendi väärtused seatakse skemaatiliselt automaatselt ja tulemust saab kontrollida simulatsiooniga.
Kujundame sama ahela AC võimenduse, kasutades meie Circuit Designer tööriista.
Avage lülitus TINACloud'i disainitööriista kaustast. Ilmub järgmine ekraan.
Nüüd käivitame AC analüüsi / vahelduvvoolu ülekande karakteristiku.
Kuvatakse järgmine diagramm:
Nüüd kujundame ringkonnakohtu ümber, et saada ühtsust (0dB)
Käivita menüü Tööriistad uuesti selle ümberringi ümberkujundamine
Ilmub järgmine dialoog.
Seadke Gain väärtuseks -1 (0 dB) ja vajutage nuppu Run.
Arvutatud uued komponendi väärtused ilmuvad kohe skemaatilises redaktoris, mis on joonistatud punase värviga.
Vajutage nuppu Nõustu.
Muudatused viiakse lõpule. Ümberkujundatud vooluringi kontrollimiseks käivitage uuesti AC analüüsi / vahelduvvoolu ülekande karakteristikud.
————————————————————————————————————————————————— —-
1Selle meetodi on välja töötanud Phil Vrbancic, Long Beach'i California Riikliku Ülikooli üliõpilane ja see esitati IEEE piirkonna VI auhinna paberikonkursile.