6. Op-amp zirkuitu diseinua
GAUR EGUNGO - 6. Op-amp zirkuituen diseinua
AURREKOA- EZAZU. Alderantzizko sarrerako eta alderantzizko sarrera konbinatuak
Op-amp zirkuituen diseinua
Op-amp sistema baten konfigurazioa eman ostean, ezin dugu aztertzeko sistema hori irteera zehazteko sarreren arabera. Analisi hau lehenago aipatutako prozedura erabiliz egiten dugu (atal honetan).
Orain nahi baduzu diseinua Inbertsioak eta alderantzizkoak ez diren sarrerak uztartzen dituen zirkuitu bat, arazoa konplexuagoa da. Diseinu arazo batean, nahi den ekuazio lineala ematen da eta op-amp zirkuituaren diseinua behar da. Udako anplifikadore operatiboaren nahi den irteera sarrera konbinazio lineal gisa adieraz daiteke.
(30)
non X1, X2 ...Xn aldatu nahi ez diren sarrerak eta Ya, Yb ...Ym alderantzizko sarreretan nahi diren irabaziak dira. Ekuazioa (30) irudiaren zirkuituarekin (14) ezartzen da.
14 irudia - Sarrera anitzeko sarrera
Zirkuitu hau Irudiaren zirkuituaren bertsio zertxobait aldatua da (13) (Alderantzizko sarrera eta alderantzizko sarrerak.
13 irudia - Inbertsio eta ez-alderantzizko sarrerak
Egin dugun aldaketa bakarra op-amp sarreren eta lurrean arteko erresistentziak sartzea da. Lurrak zero volts sarrera gehigarri gisa ikusi ahal izango dira dagokion erresistentziaren bidez (konektatutakoa)Ry alderantzizko sarrera lortzeko eta Rx alderantzizko sarrerarako). Erresistentzia horien gehitzea malgutasuna ematen digu Ekuazioetatik haratago (30) haratago dauden eskakizunak betetzeko. Adibidez, sarrerako erresistentziak zehaztu daitezke. Erresistentzia gehigarri hauetako bat edo biak kendu egin daitezke beren balioak infinituan utziz.
Aurreko ataletik ekuazioa (29) erakusten du erresistentziaren balioak, Ra, Rb, ...Rm R1, R2, ...Rn dagokion sarrerako tentsioekin lotutako nahi diren irabaziak alderantziz proportzionalak dira. Beste era batera esanda, sarrera terminal jakin batean irabazi handi bat nahi baduzu, terminal horren erresistentzia txikia da.
Operazioaren anplifikadorearen begizta irekia lortzen denean, G, Handia da, irteerako tentsioa anplifikadore operazionalarekin konektatutako erresistentziaren arabera idatzi daiteke (Ekuazioa (29)). Ekuazioa (31) espresio hori errepikatzen du sinplifikazio txikiarekin eta erresistentziak lurrean sartuz.
(31)
Bi erresistentzia baliokideak honela definitzen ditugu:
(32)
ESKAERA
Aztertu honako zirkuitu hau TINACloud erabiliz V zehaztekoout sarrera tentsioen arabera, beheko estekan klik eginez.
Sarrera anitzeko udako zirkuituaren simulazioa TINACloud-ek
Sarrera anitzeko udako zirkuituaren simulazioa TINACloud-ek
Irteerako tentsioa sarrerako bakoitza bere erresistentziarekin eta bere beste erresistentzia batekin banatuta dagoela adierazten duen sarrera konbinazio lineala ikusten dugu. Erresistentzia bidergarria da RF sarrerak alderantzikatzeko eta Req alderantzizko sarreretarako.
Arazo honen ezezagun kopurua da n + m +3 (hau da, erresistentzia balio ezezagunak). Beraz, garatu behar dugu n + m +Ezezagun horiek konpontzeko 3 ekuazioak. Formulatu dezakegu n + m ekuazio horien arabera, ekuazioan emandako koefizienteekin bat datoz (30). Hau da, ekuazioen sistema garatzen dugu (30), (31) eta (32) honela:
(33)
Beste hiru ezezagunak baditugu, hiru muga gehiago asetzeko malgutasuna dugu. Ohizko muga gehigarriak sartzen dira sarrerako erresistentziaren gogoetak eta erresistentzien arrazoizko balioak badituzte (adibidez, ez zenuke nahi edukitze doitasun bat erabili behar. R1 10 berdina-4 ohms!).
Op-amps idealak diseinatzeko beharrezkoak ez diren arren, op-amper ez idealentzako garrantzitsua den diseinu muga erabiliko dugu. Inverting op-amp ez denak, alderantzizko sarreratik atzera begiratuz Thevenin erresistentzia normalean ez-sarrerako inbertsioaren atzera begira egongo da. Irudian (14) erakusten den konfigurazioarentzat, murriztapen hau honela adieraz daiteke:
(34)
Azken berdintasuna definizioaren emaitza da RA Ekuazioa (32). Emaitza hau Equation-en (31) ordezkatzeak murriztapena ematen du.
(35)
(36)
Emaitza hau Equation-en (33) ordezkatuz ekuazio multzo sinplea ematen du.
(37)
Ekuazioaren konbinazioak (34) eta Ekuazioa (37) zirkuitu diseinatzeko beharrezko informazioa ematen digute. Balioaren balioa hautatu dugu RF Ondoren, Ekuazioa (37) erabiliz sarrerako erresistentzia desberdinek konpondu. Erresistentzien balioak barruti praktiko batean ez badira, atzera egiten dugu eta feedback erresistentziaren balioa aldatuko dugu. Sarrerako erresistentzako konpondu ondoren, Ekuazioa (34) erabiltzen dugu erresistentziak berdina izan dadin, bi op-amp sarreratik atzera begiratuz. Balioak aukeratzen ditugu Rx Ry berdintasun hori behartzeko. (34) eta (37) ekuazioek diseinurako funtsezko informazioa duten arren, kontuan garrantzitsu bat da op-amp sarrera eta lurraren arteko erresistentziak sartu edo ez (Rx Ry). Irtenbideak iterazioak eskatzen ditu balore esanguratsuak lortzeko (hau da, soluzioa behin burutu eta erresistentzia balio negatiboak egin ditzakezu). Hori dela eta, kalkulu kopuruak errazten dituen zenbakizko prozedura bat aurkezten dugu[1]
Ekuazioa (34) honela berridatzi daiteke:
(38)
Ekuazioa (37) ordezkatuz Ekuazioa (38) lortzen dugu,
(39)
Gogoratu gure helburua da erresistentzien balioak konpondu behar direla Xi Yj. Honela honako hau laburpen definituko dugu:
(40)
Ondoren, Ekuazioa (39) berridatzi dezakegu:
(41)
Hau diseinu prozeduraren abiapuntua da. Gogoratu Rx Ry lurraren eta alderantzizko eta alderantzizko sarreren arteko erresistentziak dira, hurrenez hurren. Feedback erresistentzia adierazten da RF eta termino berri bat, Z, definitzen da
(42)
Taula (1) - Zuzeneko anplifikadoreen diseinua
Erresistentzia biak edo biak kendu ditzakegu, Rx Ry, irudiaren zirkuituan (14). Hau da, erresistentzia horietako bat edo biak infinituan jar daitezke (hau da, irekita). Horrek hiru diseinu aukera ematen ditu. Irteeran sarrerarekin erlazionatutako faktore biderkatzaileen arabera, kasu horietako batek diseinu egokia emango du. Emaitzak taulan (1) laburbiltzen dira.
Zirkuitua diseinatzea TINA eta TINACloud-ekin
Hainbat tresna daude eskuragarri TINA eta TINACloud-en anplifikador operatibo eta zirkuituaren diseinuan.
optimizazioa
TINAZirkuituaren parametro ezezagunak optimizatzeko modua automatikoki zehaztu daitezke, sareak aurrez definitutako irteerako balioa, gutxienekoa edo maximoa sor dezan. Optimizazioa erabilgarria da zirkuituen diseinuan ez ezik, irakaskuntzan adibideak eta arazoak eraikitzeko ere. Kontuan izan tresna honek op-amper idealetarako eta zirkuitu linealetarako ez ezik, benetako gailu modelo ez-linealak eta bestelako zirkuitu linealetarako ere funtzionatzen duela.
Demagun OPA350 benetako anplifikadorearen zirkuitu anplifikadorea alderantziz.
Zirkuitu honen lehenetsitako ezarpena zirkuituaren irteerako tentsioa 2.5 da
Hau erraz egiaztatu dezakezu TINACloud-en DC botoia sakatuz.
ESKAERA
Aztertu hurrengo zirkuitua TINACloud lineako zirkuitu simulagailua erabiliz V-a zehaztekoout sarrera tentsioen arabera, beheko estekan klik eginez.
OPA350 Circuit Simulation TINACloud-ekin
OPA350 Circuit Simulation TINACloud-ekin
Hau prestatzeko ordena Out = 3V eta zirkuituaren parametroa zehaztu beharko litzateke (Optimization Object) Vref. Objektu horretarako, bilaketa ere laguntzen duen eskualdea definitu behar dugu, baina mugak ere adierazten ditu.
TINACloud-en optimizazio helburua hautatzeko eta ezartzeko, egin klik Vout tentsioko pin-ean eta hautatu Optimizazio helburua.
Ondoren, egin klik lerro berean… botoian eta jarri balioa 3-era.
Sakatu OK elkarrizketa-koadro bakoitzean ezarpenak amaitzeko.
Orain hautatu eta ezarri Vref Optimization Object.
Egin klik Vref ondoren eta ondoren… botoia lerro berean
Hautatu goiko optimizazio objektua goiko zerrendan, eta hautatu Optimizazioa / Objektua kontrol laukia.
Sakatu Ados elkarrizketa-koadroetan.
Optimizazio ezarpenak ongi egin badira, >> saioa >> Irteeran eta << ikurra Vref-en ikusiko dituzu behean agertzen den moduan.
Aukeratu optimizazioa Analisi menuan eta sakatu RUN optimizatzeko elkarrizketa-koadroan.
Optimizazioa bukatu ondoren, aurkitutako Vref, Optimum Value, DC Optimizazio elkarrizketa-koadroan erakutsiko da
Ezarpenak aztertu eta optimizazioa linean exekutatu eta Zirkuitua Simulazioaren bidez egiaztatu beheko estekan.
Exekutatu Optimizazioa Analisi menutik, eta ondoren sakatu DC botoia, beraz ikusi emaitza Optimizatutako zirkuituan (3V)
Lineako optimizazioa eta zirkuituaren simulazioa TINACloud-ekin
Kontuan izan une honetan TINACloud-en DC optimizazio soil bat sartzen dela. Optimizazio gehiago egiteko aukerak TINA lineaz kanpoko bertsioan sartzen dira.
AC optimizazioa
TINA lineaz kanpoko bertsioa erabiliz, AC zirkuituak optimizatu eta diseinatu ditzakezu.
Ireki MFB 2nd Ordena Chebyshev LPF.TSC beherako zirkuituan, Adibideak: Texas Instruments: Filters_FilterPro TINA-ren karpetabehean agertzen da.
Exekutatu AC analisia / AC transferitzeko ezaugarriak.
Hurrengo diagrama agertuko da:
Zirkuituaren batasuna (0dB) Gain eta 1.45kHz Cutoff maiztasuna ditu.
Orain, zirkuituaren diseinua AC Optimization erabiliz eta Ezarri maiztasun baxuko irabazia 6dB-ra eta 900Hz-era mozte-maiztasuna.
Ohar normalean optimizazio tresnak aldaketetarako bakarrik aplikagarria. Iragazkien kasuan, agian iragazki diseinu tresna bat erabili nahi duzu. Gai hori geroago landuko dugu.
Optimizazioa orain Gain eta Cutoff maiztasuna optimizazio helburuak dira.
Egin klik "Aukeratu optimizazio-helburua" ikonoan tresna-barran edo Analisi menuan "Aukeratu optimizazio-helburua"
Kurtsorea ikonoan aldatuko da: 
. Egin klik Vout Voltage pin-ekin kurtsorearen sinbolo berriarekin.
Hurrengo elkarrizketa agertuko da:
Egin klik AC helburu funtzioak botoian. Hurrengo elkarrizketa agertuko da:
Begiratu Pasatu baxua kontrol laukia eta ezarri Helburuaren ezarpen frekuentzia 900. Orain markatu Gehieneko kontrol laukia eta ezarri Helburua 6.
Hurrengoa optimizatu helburuak lortzeko aldatu nahi dituzun zirkuituaren parametroak hautatu.
Egin klik 
ikonoa edo Hautatu kontroleko objektua linea analisia menuan.
Kurtsoreak goiko sinboloa aldatuko du. Egin klik C1 kondentsadorea kurtsore berri honekin. Hurrengo elkarrizketa agertuko da:
Sakatu hautatu botoia. Hurrengo elkarrizketa agertuko da:
Programak automatikoki ezartzen du balioak (murriztapena) non optimoa bilatzen den. Amaitu balioa 20n goiko irudian.
Orain errepikatu R2 prozedura bera. Ezarri amaiera balioa 20k-tan.
Optimizazio konfigurazioa amaitu ondoren, hautatu Optimizazioa / AC optimizazioa (Transferitu) Analisi menuan.
Hurrengo elkarrizketa agertuko da:
Onartu ezarpen lehenetsiak Ados sakatuta.
Kalkulu labur baten ondoren, optimoa aurkitzen da eta aldatu dira osagaien parametroak:
Azkenean, egiaztatu AC zirkuituaren simulazioa / AC Transferentzia / Eransbideratze Ezaugarri batekin martxan dagoen emaitza.
Diagramaren arabera, xede-balioak (Gain 6db, 900Hz maiztasun maiztasuna) lortu dira.
Zirkuitu-diseinatzailearen tresna erabiliz TINA eta TINACloud-en
TINA eta TINAcloud-en zirkuituak diseinatzeko beste metodo bat eraiki zen Zirkuitu Diseinatzailearen tresna besterik ez da diseinatu Tresna.
Diseinu tresnak zure zirkuituaren diseinu ekuazioekin funtzionatzen du zehaztutako sarrerak zehaztutako irteerako erantzuna sortzen dela ziurtatzeko. Tresna zure eskura sarrera eta irteeren adierazpena eta osagaien balioen arteko harremanak eskatzen ditu. Tresna honek errepikapenez eta zehaztasunez konpontzeko eszenatoki desberdinetarako konponbide motor bat eskaintzen dizu. Kalkulatutako osagaien balioak eskematikoki automatikoki ezartzen dira eta emaitzak simulazio bidez egiazta ditzakezu.
Egin dezagun zirkuitu bereko AC anplifikazioa gure zirkuitu diseinatzailearen tresna erabiliz.
Ireki zirkuitua TINACloud-eko Diseinu tresnaren karpetatik. Hurrengo pantaila agertuko da.
Orain exekutatu AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Hurrengo diagrama agertuko da:
Orain dezagun zirkuitua berriro diseinatu unitatea irabazteko (0dB)
Deitu Zirkuitua berriro diseinatu Tresnak menuan
Hurrengo elkarrizketa agertuko da.
Ezarri Gain -1 (0 dB) eta sakatu Exekutatu botoia.
Kalkulatutako osagai berrien balioak berehala agertuko dira editore eskematikoa, kolore gorrian marraztuta.
Sakatu Onartu botoia.
Aldaketak amaituko dira. Exekutatu berriro AC Analysis / AC Transfer Characteristics berriro diseinatutako zirkuitua egiaztatzeko.
——————————————————————————————————————————————————— —-
1Teknika hau Phil Vrbancic, Long Beach-eko Kaliforniako Unibertsitateko ikasle bat asmatu zuen eta IEEE Eskualdeko VI. Paper Lehiaketan aurkeztutako paperean aurkeztu zen.