Praktilised Op-amps-TINA ja TINACloud Resources

Praktilised optsioonid

Praktilised Op-amprid lähevad nende juurde ideaalne erinevates olulistes aspektides. On oluline, et vooluahela kujundaja mõistaks erinevusi tegelike optimeerijate ja ideaalsete op-amprite vahel, kuna need erinevused võivad mõjutada ahela jõudlust.

Meie eesmärk on välja töötada praktilise op-amp-i üksikasjalik mudel - mudel, mis võtab arvesse mitte-ideaalse seadme kõige olulisemaid omadusi. Alustame praktiliste op-võimendite kirjeldamiseks kasutatavate parameetrite määratlemisega. Need parameetrid on täpsustatud op-amp tootja poolt esitatud andmelehtedel.

Tabel 1 loetleb kolme konkreetse optimeerija parameetri väärtused, üks kolmest on μA741. Me kasutame μA741i operatsioonivõimendeid paljudes näidetes ja peatüki probleemides järgmistel põhjustel: (1) neid on valmistanud paljud IC tootjad (2), mida nad leidsid suurtes kogustes kogu elektroonikatööstuses, ja ( 3) need on üldkasutatavad sisemiselt kompenseeritavad op-amprid ja nende omadusi saab kasutada võrdluseks teiste op-tüüpi tüüpidega tegelemisel. Kuna erinevad parameetrid on määratletud järgmistes punktides, tuleks tüüpiliste väärtuste leidmiseks viidata tabelile 9.1.

Praktilised võimendid, operatsioonivõimendid

Tabel 1 - op-amprite parameetrite väärtused

Kõige olulisem erinevus ideaalsete ja tegelike optsioonide vahel on pinge suurendamisel. Ideaalne op-amp on pinge suurenemine, mis läheneb lõpmatusele. Tegelikul op-amp on lõplik pinge suurenemine, mis väheneb sageduse suurenemisel (seda uurime üksikasjalikult järgmises peatükis).

5.1 avatud silmuspinge tõus (G)

Op-amp-i avatud silmuspinge võimendus on väljundpinge muutuse ja sisendpinge muutuse suhe ilma tagasisideta. Pinge suurendamine on mõõtühikuta kogus. Sümbolit G kasutatakse avatud silmuspinge võimenduse näitamiseks. Op-ampritel on madal-sageduslike sisendite puhul kõrgepinge võimendus. Op-amp-spetsifikatsioonis on loetletud pinge suurendamine voltides millivoltides või detsibellides (dB) [defineeritud kui 20log₁₀(v_välja/v_in)].

5.2i muudetud op-amp-mudel

Joonis 14 näitab idealiseeritud op-amp-mudeli muudetud versiooni. Oleme muutnud ideaalset mudelit sisendresistentsuse lisamisega (R_i), väljundvastus (R_o) ja tavarežiimi vastupanu (R_cm).

Joonis 14 - modifitseeritud op-amp mudel

Nende parameetrite (741 op-amp) tüüpilised väärtused on

Nüüd kaalume joonise 15 ahelat, et uurida op-amp jõudlust. Op-amp-i inverteerivaid ja mitte-inverteerivaid sisendeid juhivad allikad, millel on seeria vastupanu. Op-amp-i väljund antakse tagasi sisendi kaudu takisti kaudu, R_F.

Allikaid, mis juhivad kahte sisendit, tähistatakse v_A ja v₁ja sellega seotud seeria takistused R_A ja R₁. Kui sisendahel on keerulisem, võib neid takistusi pidada selle skeemi Thevenini ekvivalendiks.

Joonis 15 - Op-amp-ahel

5.3 Sisendi nihke pinge (V_io)

Kui sisendpinge ideaalse op-amp on null, on väljundpinge samuti null. See ei kehti tegeliku op-amp. The sisendpinge, V_io, defineeritakse kui diferentsiaal sisendpinget, mis on vajalik väljundpinge nullimiseks. V_io on ideaalse op-amp-i jaoks null. Tüüpiline väärtus V_io 741 jaoks on op-amp 2 mV. Mitte-nullväärtus V_io on ebasoovitav, sest op-amp võimendab mis tahes sisendhälvet, põhjustades seega suurema väljundi dc Viga

Sisendi nihke pinge mõõtmiseks võib kasutada järgmist tehnikat. Sisendpinge muutmiseks, et jõuda väljundi nullini, seatakse sisend võrdseks nulliga, nagu on näidatud joonisel 16 ja mõõdetakse väljundpinge.

Joonis 16 - Vio mõõtmise tehnika

Null-sisendpingest tulenev väljundpinge on tuntud kui väljundpinge alalispinge. Sisend-nihke pinge saadakse selle koguse jagamisel op-amp-i avatud ahela võimendusega.

Sisend-nihkepinge pinge mõju saab lisada op-amp-mudelile, nagu on näidatud joonisel 17.

Lisaks sisend-nihkepinge pinge lisandumisele on ideaalne op-amp-mudel täiendavalt muudetud nelja takistuse lisamisega. R_o on väljundtakistus. sisendresistentsus op-amp, R_i, mõõdetakse ümberpööratavate ja mitte-ümberpööratavate terminalide vahel. Mudel sisaldab ka takistit, mis ühendab mõlemat sisendit maapinnaga.

Need on tavarežiimi takistusedja igaüks on võrdne 2igaR_cm. Kui sisendid on ühendatud nii nagu joonisel 16, on need kaks takistit paralleelselt ja kombineeritud Thevenini vastupidavus maapinnale on R_cm. Kui op-amp on ideaalne, R_i ja R_cm lähenemine lõpmatusele (st avatud ahel) ja R_o on null (st lühis).

Joonis 17 - sisendi nihke pinge

Joonisel 18 (a) näidatud väliskonfiguratsiooni saab kasutada nihkepinge mõju kõrvaldamiseks. Pöörlev sisendterminal rakendatakse muutuvat pinge. Selle pinge õige valimine tühistab sisendi nihke. Samamoodi illustreerib joonis 18 (b) seda tasakaalustamisahelat, mida rakendatakse mitte-pöörlevale sisendile.

Joonis 18 - nihkepinge tasakaalustamine

TAOTLUS

18 (a) vooluahela sisendpinge tasakaalustamist saab testida võrgus TINACloud Circuit Simulator abil, klõpsates alloleval lingil.

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (a) koos TINACloud'iga

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (a) koos TINACloud'iga

TAOTLUS

18i (b) ahela sisendhälbe tasakaalustamist saab testida võrgus TINACloud Circuit Simulator abil, klõpsates alloleval lingil:

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (b) koos TINACloud'iga

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) koos TINACloud'iga

5.4 Sisendbiasvool (I_Erapoolikus)

Kuigi ideaalsed op-amp-sisendid ei toeta ühtegi voolu, võimaldavad tegelikud opt-ampsid teatud sisendvoolu sisestada iga sisendterminali. I_Erapoolikus on dc voolu sisendtransistorisse ja tüüpiline väärtus on 2 μA. Kui allika takistus on madal, I_Erapoolikus sellel on vähe mõju, kuna see põhjustab sisendpinge suhteliselt väikese muutuse. Suure impedantsi juhtimisahelate puhul võib väike vool põhjustada suure pinge.

Biasvoolu saab modelleerida kahe praeguse valamu kujul, nagu on näidatud joonisel 19.

Joonis 19 - nihkepinge tasakaalustamine

Nende valamute väärtused ei sõltu allika impedantsist. The biasvool on määratletud kui kahe praeguse valamu keskmine väärtus. Seega

(40)

Kahe valamu väärtuste vahe on tuntud kui sisendi nihke vool, I_io, ja selle annab

(41)

Mõlemad sisend- ja sisendvoolu väärtused sõltuvad temperatuurist. The sisendbiasvoolu temperatuuri koefitsient on defineeritud kui biasvoolu muutuse ja temperatuuri muutumise suhe. Tüüpiline väärtus on 10 nA /^oC. sisendi nihke voolutemperatuuri koefitsient defineeritakse kui nihkevoolu suuruse muutuse ja temperatuuri muutuse suhe. Tüüpiline väärtus on -2nA /^oC.

Joonis 20 - sisendi eelpingevoolu mudel

Sisendvoolu hoovused on lisatud joonise 20 op-amp-mudelisse, kus eeldame, et sisendi nihke vool on tühine.

See on,

Joonis 21 (a) - ahel

Analüüsime seda mudelit, et leida sisendpinge põhjustatud väljundpinge.

Joonisel 21 (a) on näidatud op-amp-ahel, kus inverteerivad ja mitte-inverteerivad sisendid on maandusega ühendatud takistuste kaudu.

Joonisel 21 (b) asendatakse ahel selle ekvivalendiga, kus me oleme unustanud V_io. Järgnevalt lihtsustame joonisel 21 (c) olevat ahelat, jättes tähelepanuta R_o ja R_koormus. See tähendab, et me eeldame R_F >> R_o ja R_koormus >> R_o. Väljundi laadimise nõuded tagavad tavaliselt, et need ebavõrdsused on täidetud.

Joonist 21 (d) lihtsustatakse ahelat, kus sõltuva pinge allika ja takisti seeria kombinatsioon on asendatud sõltuva vooluallika ja takisti paralleelse kombinatsiooniga.

Lõpuks ühendame takistused ja muudame mõlemad vooluallikad pinge allikateks, et saada joonise 21 (e) lihtsustatud ekvivalent.

Joonis 21 (b) ja (c) - sisendvõimsuse mõju

Väljundpinge leidmiseks kasutame silmus võrrandit.

(43)

kus

(44)

Üldrežiimi vastupanu, R_cm, on vahemikus mitu sadu megohme enamiku op-amprite jaoks. Seetõttu

(45)

Kui me eeldame ka seda G_o on suur, võrrand (43) muutub võrrandiks.

(46)

Joonis 21 (d) ja (e) - sisendvõimsuse mõju

Pange tähele, et kui väärtus R₁ on valitud võrdseks, siis väljundpinge on null. Sellest analüüsist järeldub, et dc vastupanu V₊ maapinnale peaks olema võrdne dc vastupanu V_- maapinnale. Me kasutame seda bias tasakaal piiranguid meie disainilahendustes. Oluline on, et nii ümberpööratavatel kui mitte-ümberpööratavatel terminalidel oleks a dc tee maapinnale, et vähendada sisendprioriteedi mõju.

Sisendvõimsus Praegune, praktiline op-võimendi

Joonis 22 - näite 1 konfiguratsioonid

Näiteks 1

Leidke joonise 22 konfiguratsioonide väljundpinge I_B = 80 nA = 8^-8 A.
Lahendus: Me kasutame võrrandi (46) lihtsustatud vormi, et leida väljundpinge joonisel 22 (a) olevale ahelale.

Joonisel 22 (b) oleva ahela jaoks saame

TAOTLUS

Samuti saate neid arvutusi läbi viia TINACloud-ahela simulaatoriga, kasutades oma tõlketööriista, klõpsates alloleval lingil.

Sisendvoolu praegune modelleerimisskeemi simulatsioon

Sisendvõimsuse praegune modelleerimisskeemi simulatsioon TINACloud'iga

Sisendvõimsuse praegune modelleerimisskeemi simulatsioon TINACloud'iga

5.5 Üldrežiimi tagasilükkamine

Op-amp kasutatakse tavaliselt kahe sisendpinge erinevuse võimendamiseks. Seepärast tegutseb see ELis diferentsiaalrežiimis. Mõlemale sisendile lisatud püsiv pinge ei tohiks erinevust mõjutada ja seetõttu ei tohiks seda väljundisse üle kanda. Praktilisel juhul on see sisendite konstant ehk keskmine väärtus ei mõjutada väljundpinget. Kui arvestame ainult kahe sisendi võrdsete osadega, siis kaalume seda, mida tuntakse kui tavarežiimis.

Joonis 23 - ühine režiim

Oletame, et tegeliku op-amp-i kaks sisendterminali on ühendatud omavahel ja seejärel ühise allika pinge. Seda illustreerib joonis 23. Ideaalsel juhul oleks väljundpinge null. Praktilisel juhul ei ole see väljund null. Mitte-null-väljundpinge ja rakendatava sisendpinge suhe on tavarežiimi pinge suurendamine, G_cm. ühise režiimi tagasilükkamise suhe (CMRR) määratletakse kui dc avatud ahela võimendus, G_o, tavalisele režiimile. Seega

(47)

CMRR-i tüüpilised väärtused on vahemikus 80 kuni 100 dB. Soovitav on, et CMRR oleks võimalikult kõrge.

5.6 Toiteallika tagasilükkamise suhe

Toiteallika tagasilükkamise suhe on mõõteseadme võime ignoreerida toitepinge muutusi. Kui süsteemi väljundstaadiumis on muutuv kogus voolu, võib toitepinge varieeruda. See koormust põhjustav toitepinge muutus võib põhjustada muutusi teiste sama varustusega võimendite töös. Seda tuntakse kui räägining see võib põhjustada ebastabiilsust.

. toite tagasilükkamise suhe (PSRR) on muutuse suhe v_välja toiteallika pinge koguarvuni. Näiteks kui positiivsed ja negatiivsed varud varieeruvad vahemikus ± 5 V kuni ± 5.5 V, on kogu muutus 11 - 10 = 1 V. PSRR on tavaliselt määratud mikrovoltides voltis või mõnikord detsibellides. Tüüpiliste op-amprite PSRR on umbes 30 μV / V.

Toitepinge muutuste vähendamiseks peaks iga op-amperide grupi toiteallikaks olema lahtisidunud (st isoleeritud) teiste rühmade omadest. See piirdub suhtlemisega ühele op-amperite rühmale. Praktikas peaks igal trükiplaadil olema toiteahelad, mida mööda 0.1-μF keraamilise või 1-μF tantaalkondensaatori kaudu maandatakse. See tagab, et koormuse variatsioonid ei satu oluliselt teistele kaartidele.

5.7 Väljundtakistus

Esimese sammuna väljundtakistuse määramisel, R_väljaleiame Thevenini ekvivalendi op-amp-ahela osale, mis on näidatud joonisel 24 katkendjoonega ümbritsetud kastis. Pange tähele, et selles analüüsis ignoreerime nihutatud voolu ja pinget.

(24)

Kuna vooluahel ei sisalda sõltumatuid allikaid, on Thevenini ekvivalentpinge null, seega on vooluahel samaväärne ühe takistiga. Takisti väärtusi ei saa takisti kombinatsioonide abil leida. Samaväärse takistuse leidmiseks eeldage, et väljundjuhtmetele rakendatakse pingeallikat v. Seejärel arvutame saadud voolu, ija võtke see suhe v/i. See annab Thevenini resistentsuse.

Joonis 25 (osa a) - Thevenini ekvivalentsed ahelad

Joonis 25 (osa b)

Joonis 25 (a) illustreerib rakendatud pinge allikat. Kontuur on lihtsustatud joonisel 25 (b) näidatud ahelaga.

Kontuuri saab veelgi vähendada joonisel 25 (c) näidatule, kus me defineerime kaks uut takistust järgmiselt:

(48)

Eeldame, et R '_A << (R '₁ + R_i) Ja R_i >> R '₁. Joonisel 25 (d) esitatud lihtsustatud ahel annab tulemusi.

Sisend diferentsiaalpinge, v_d, leitakse sellest lihtsustatud ahelast, kasutades pinge jagaja suhet.

(49)

Väljundresistentsuse leidmiseks alustame väljundahela võrrandi kirjutamisega.

(50)

Joonis 25 (osad c ja d) - vähendatud Thevenini ekvivalentsed ahelad

Seejärel antakse väljundresistentsus valemiga (51).

(51)

Enamikel juhtudel, R_cm on nii suur R '_A»R_A ja R₁"»R₁. Võrrandit (51) saab lihtsustada null-sageduspinge võimenduse abil, G_o. Tulemuseks on võrrand (52).

(52)

TAOTLUS

Saate arvutada vooluahela 25 (a) väljundtakistuse koos voolu simulatsiooniga, kasutades TINACloudi voolu simulaatorit, klõpsates allolevat linki.

Opampi ahela simulatsiooni väljundvõimsus TINACloud'iga

Opampi ahela simulatsiooni väljundvõimsus TINACloud'iga

Näiteks 2

Leia ühtsuse võimenduspuhvri väljundimpedants, nagu on näidatud joonisel 26.

Joonis 26 - Ühtsuse suurendamise puhver

Lahendus: Kui joonise 26 ahelat võrreldakse joonise 24 tagasiside ahelaga, leiame selle

Seetõttu

Võrrandit (51) ei saa kasutada, sest me ei ole kindlad, et joonisel 25 (c) lihtsustamiseks vajalik ebavõrdsus kehtib antud juhul. See tähendab, et lihtsustamine nõuab seda