Op-amp-TINA eta TINACloud baliabide praktikoak

Op-Amper praktikoak

Op-amper praktikoak beren ingurukoak dira ideal kontrako alderdiak baina garrantzitsuak dira. Garrantzitsua da zirkuitu diseinatzailea op-amper benetako eta op-amps idealen arteko desberdintasunak ulertzea, izan ere, desberdintasunak zirkuituaren errendimendua kalte dezake.

Gure helburua op-amp praktikoaren eredu zehatza garatzea da, gailu ez idealaren ezaugarri esanguratsuenak kontuan hartzen dituen eredua. Op-amper praktikoak deskribatzeko erabilitako parametroak definitzen hasiko gara. Parametro horiek op-amp fabrikatzaileak emandako datu-orrietako zerrendetan zehazten dira.

1 taulak hiru op-amps zehatzetako parametroen balioak zerrendatzen ditu, hauetako bat μA741 da. Adibidez, μA741 operaziorako anplifikadoreak erabiltzen ditugu, adibidez, eta kapituluaren amaieran, honako arrazoi hauengatik: (1) IC fabrikatzaile askok fabrikatu dituzte, (2) elektronika industria osoan kantitate handietan aurkitzen dira. 3) helburu orokorreko op-amper orokorrak dira, eta haien propietateak erreferentzia gisa erabil daitezke, alderantziz, op-amp motako beste mota batzuekin zerikusia dutenean. Ondorengo ataletan parametro ezberdinak definitzen direnez, 9.1 taulan erreferentzia egin behar da balore tipikoak aurkitzeko.

Op-Amps praktikoak, amplificadores operatiboak

1. taula - Op-amp-en parametroen balioak

Op-Amps idealen eta benetakoen arteko desberdintasun esanguratsuena tentsioaren gainean dago. Op-amp idealak infinitua hurbiltzen duen tentsioko abantaila du. Benetako op-amp-a da, maiztasuna handitzen den bitartean murriztu egiten den tentsioko irabazia finkoa (hurrengo kapituluan zehatz-mehatz aztertzen dugu).

5.1 Open-Loop Tentsio Gain (G)

Op-amp baten begizta irekitako tentsioaren gain hartutako irteerako tentsioaren aldaketaren arteko erlazioa da, irteerako tentsioaren aldaketarik gabe. Tentsioko irabazia adar dimentsioa da. G ikurra ikur irekiko tentsioko irabazia adierazteko erabiltzen da. Op-amperak maiztasun txikiko sarrerako tentsio handiko irabazia dute. Op-amp zehaztapenak milurtekoaren edo decibelioen (dB) volt-ko tentsioko gainbehera [20log gisa definitzen da]₁₀(v_out/v_in)].

5.2 aldatutako Op-amp eredua

14 irudian op-amp idealizatutako ereduaren bertsio aldatua erakusten du. Eredu idealizatua aldatu dugu sarreren erresistentzia gehituz.R_i), irteerako erresistentzia (R_o), eta modu arrunteko erresistentzia (R_cm).

14 irudia - Op-amp modelo aldatua

Parametro horien balio tipikoak (741 op-amp) dira

Orain, 15 irudiaren zirkuituaren arabera, op-amp errendimendua aztertzeko. Op-amparen alderantzizko sarrera eta alderantzizko sarrerak serieko erresistentzia duten iturriek gidatzen dute. Op-amp-aren irteera erresistentziarako sarrerara itzultzen da. R_F.

Bi sarrera gidatzen dituzten iturriak adierazten dira v_A v₁, eta elkartutako serieko erresistentziak dira R_A R₁. Sarrerako zirkuitu konplexuagoak badira, erresistentzia horiek zirkuitu horretako Thevenin baliokide gisa hartu daitezke.

15 irudia - Op-amp zirkuituan

5.3 Sarrera Desplazamendu Tentsioa (V_io)

Op-amp ideal baten sarrera tentsioa zero denean, irteerako tentsioa ere zero da. Hau ez da benetako op-amp baterako egia. The sarrera desplazamendu tentsioa, V_io, irteerako tentsioa zero berdina izateko beharrezko sarrera tentsio diferentziala bezala definitzen da. V_io zero da op-amp idealerako. Balio tipikoa V_io 741 op-amp 2 mV da. Zero balioa ez den V_io ez da nahi, op-amp anplifikadoreak edozein desplazamendu handitzen baititu, irteera handiagoa sortuz dc error.

Ondorengo teknika sarrera desplazamendu tentsioa neurtzeko erabil daiteke. Irteera zero aldatu beharrean sarreraren tentsioa aldatu beharrean, sarrera zero ezarriko da, 16 irudian erakusten den moduan, eta irteerako tentsioa neurtzen da.

16 irudia - Vio neurtzeko teknika

Sarrerako tentsio zero baten ondorioz sortutako tentsioaren izena da irteerako dc desplazamendu tentsioa. Sarrerako desplazamenduaren tentsioa kantitate hori op-amparen begizta irekiaren irabazia zatituz lortzen da.

Sarrerako desplazamenduaren tentsioaren efektuak op-amp ereduan sartu ahal izango dira, 17 irudian erakusten den moduan.

Sarrerako desplazamendu tentsioaz gain, op-amp ideal eredua ere aldatu egin da lau erresistentziarekin batera. R_o da irteerako erresistentzia. The sarrera erresistentzia op-amp, R_i, alderantzizko eta inbertsio gabeko terminalen artean neurtzen da. Ereduak, gainera, bi sarrera bakoitza lurrera konektatzen duen erresistentzia bat dauka.

Hauek dira Modu arrunten erresistentziak, eta bakoitza 2 berdina daR_cm. Sarrerak elkarrekin konektatuta badira 16 irudian, bi erresistentzia hauek paraleloan daude, eta Thevenin konbinatuaren erresistentzia lurrean dago R_cm. Op-amp bada ideala, R_i R_cm hurbiltzen infinitua (hau da, zirkuitu irekia) eta R_o zero da (hau da, zirkuitu laburra).

17 irudia - Input offset tension

18 (a) irudian agertzen den kanpoko konfigurazioa konpentsazio tentsioaren efektuak ukatzeko erabil daiteke. Alderantzizko sarrera terminalari tentsio aldakorra aplikatzen zaio. Tentsio honen hautaketa sarrera desplazamendua bertan behera uzten du. Era berean, 18 irudian (b) sarrerakoak ez diren sarrerari aplikatutako orekatzeko zirkuitu hau erakusten du.

18 irudia - Desplazamendu tentsio orekatzeko

ESKAERA

18 (a) zirkuituaren Input Offset Voltage Balancing probatu dezakezu TINACloud Circuit Simulator lineako simulazio bidez, beheko estekan klik eginez.

Sarrera Desplazamendu Tentsioaren Balantze Zirkulazio Simulazioa (a) TINACloud-rekin

Sarrera Desplazamendu Tentsioaren Balantze Zirkulazio Simulazioa (a) TINACloud-rekin

ESKAERA

18 (b) zirkuituaren Sarrerako Desplazamenduaren orekapena probatu dezakezu linean TINACloud Circuit Simulatorrekin simulatuz, beheko estekan klik eginez:

Sarrera Desplazamendu Tentsio Balantzatzeko Zirkulazio Simulazioa (b) TINACloud-rekin

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) TINACloud-ekin

5.4 Sarrera Bias Oraingoa (I_Bias)

Op-amper sarrera idealak ez badira uneko unekoa, benetako op-ampsek aukera ematen dute zenbait sarrera korrontea sarrera terminal bakoitzean sartzeko. I_Bias da dc uneko sarrera transistorean sartu, eta balio tipikoa 2 μA da. Iturriaren inpedantzia baxua denean, I_Bias efektu txikia dauka, sarrera tentsioan aldaketa nahiko txikia eragiten baitu. Hala ere, inpedantzia handiko gidatze-zirkuituekin, korronte txikiak tentsio handiak eragin ditzake.

Bi norabideko konketa moduko alborapena uneko ereduak egin daitezke, 19 irudian erakusten den moduan.

19 irudia - Desplazamendu tentsio orekatzeko

Hutsune horien balioak iturburuko inpedantziarik ez dutenak dira. The alborapena bi korrontearen batez besteko balioa da. Horrela

(40)

Hondoratzeko bi balioen arteko aldea " sarrera desbideratu unekoa, I_io, eta ematen du

(41)

Sarrerako alborapena eta sarrera desbideratze unekoa tenperatura menpeko dira. The sarrerako alborapena tenperatura uneko koefizientea tenperatura aldatu nahi den alborako korrontearen aldaketa-ratioa da. Ohiko balio bat 10 nA da^oC. sarrera desberdina tenperatura uneko koefizientea desplazamenduaren korrontearen magnitudearen aldaketaren arteko erlazio gisa definitzen da. Ohiko balio bat -2nA da /^oC.

20 irudia - Sarrerako alborapena uneko eredua

Sarrerako alborapen korronteak 20 irudiko op-amp ereduan sartzen dira, non suposatzen dugu sarrera desbideratzeak unekoa ez dela argi.

Hori da,

21 irudia (a) - Zirkuitua

Eredu hau aztertzen dugu sarrerako alborapen korronteak sortutako irteerako tentsioa aurkitzeko.

21 irudian (a) op-amp zirkuitu bat erakusten du, non alderantzizko sarrerak eta alderantzizko sarrerak lurrera konektatzen diren erresistentziaren bidez.

Zirkuitua 21 (b) irudian duen baliokidearekin ordezten da, non utzi dugu V_io. 21 irudian (c) zirkuituan errazago jarraitzen dugu, ahaztu gabe R_o R_kargatu. Hau da, suposatuko dugu R_F >> R_o R_kargatu >> R_o. Irteeran kargatzeko beharrak normalean bermatzen dira desberdintasun horiek betetzen direla.

Zirkuituak 21 irudian (d) sinplifikatzen du, non menpeko tentsio iturria eta erresistentziaren konbinazioa seriea eta erresistentziaren menpeko korronte iturriaren arteko konbinazio paraleloa ordezkatu duen.

Azkenean, erresistentziak konbinatzen ditugu eta bi korronte iturriak alda ditzakegu tentsio iturrietara, 21 (e) irudian baliokidea den baliokidea lortzeko.

21 irudia (b) eta (c): sarrerako alborapenerako efektuak

Begizta ekuazioa erabiltzen dugu irteerako tentsioa aurkitzeko.

(43)

non

(44)

Modu arrunteko erresistentzia, R_cm, ehun ehun megohm-ak dauzka op-amper gehienentzat. Hori dela

(45)

Horrez gain, suposatzen badugu G_o handia da, ekuazioa (43) ekuazioa bihurtzen da.

(46)

21 irudia (d) eta (e) - Sarrerako alborapenerako efektuak

Kontuan izan balioaren balioa R₁ hautatuta dago berdina izateko, orduan irteerako tentsioa zero da. Azterketa honetatik ondorioztatzen dugu dc erresistentzia V₊ lurrean berdina izan behar du dc erresistentzia V_- lurrera. Hau erabiltzen dugu alborapena orekatzeko gure diseinuan hainbat aldiz murriztapena. Garrantzitsua da aldi berean bi alderantzizko eta inbertsioko terminalak ez direla dc sarrera bidea sarrerako alborapenaren egungo efektuak murrizteko.

Sarrerako alborapena Uneko, praktikoaren eta funtzioko operadoreen anplifikadoreak

22. irudia - 1. adibidearen konfigurazioak

Adibidea 1

Bilatu 22 irudiaren konfigurazioetarako irteerako tentsioa I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Irtenbidea: Ekuazioaren forma sinplifikatua (46) erabiltzen dugu 22 (a) irudiko zirkuiturako irteerako tentsioak aurkitzeko.

22 (b) irudiaren zirkuituarentzat lortzen dugu

ESKAERA

Halaber, kalkulu hauek egin ditzakezu TINACloud zirkuitu simulagailuarekin, Interpretatzailea erabiliz beheko estekan klik eginez.

Sarrerako alborapena Uneko modelizazio zirkuituaren simulazioa

Sarrera Bias Oraingo modelizazioa Zirkuituaren simulazioa TINACloud-rekin

Sarrera Bias Oraingo modelizazioa Zirkuituaren simulazioa TINACloud-rekin

5.5 Modu arrunta ukatzea

Op-amp normalean bi sarrerako tentsioen arteko aldea handitzeko erabiltzen da. Hortaz, funtzionatzen du modu diferentziala. Bi sarrera horietako bakoitzari gehitutako tentsio konstanteak ez luke aldea eragin behar eta, beraz, ez da irteerara transferitu behar. Kasu praktikoan, sarreren balio konstante edo batez besteko balioa du eragina irteerako tentsioa. Bi sarreren zatiak berdinak bakarrik hartzen baditugu, hau da, zer da modu arrunta.

23 irudia - Modu arrunta

Pentsa dezagun op-amp benetako sarrerako bi terminalak elkarrekin konektatzen direla eta gero iturri komuna batekin. Hau 23 irudian erakusten da. Irteerako tentsioa zero izango litzateke kasu idealean. Kasu praktikoan, irteera hori ez da zero. Zero irteerako tentsioaren ratioa aplikatutako sarrerako tentsioarekin da Modu arrunteko tentsioko irabazia, G_cm. The Modu arrunteko gaitzespenaren ratioa (CMRR) definitzen da dc begizta irekia, G_o, ohiko moduan irabazteko. Horrela,

(47)

CMRRren balio tipikoak 80 eta 100 dB bitartekoak dira. CMRR ahalik eta altuena izatea komeni da.

5.6 Potentzia hornikuntzako ezetze ratioa

Energia hornitzailearen gaitzespenaren ratioa op-amp doitasunaren tentsioaren aldaketak alde batera utzi beharreko neurria dira. Sistema baten irteera-fasea uneko unitate aldakorra marrazten badu, hornidura-tentsioa aldatu egin daiteke. Hornidura-tentsioaren karga eragindako aldaketa horrek hornidura berdina duten beste anplifikadoreen funtzionamenduaren aldaketak eragin ditzake. Hau bezala ezagutzen da mugaz eztabaida, eta ezegonkortasuna ekar dezake.

The hornidura botatzeko gaitzespenaren ratioa (PSRR) aldaketaren ratioa da v_out energia hornidurako tentsioaren guztizko aldaketaraino. Adibidez, hornidura positiboak eta negatiboak ± 5 V-tik ± 5.5 V-ra aldatzen badira, guztizko aldaketa 11 - 10 = 1 V. PSRRa volteko mikroboltetan edo batzuetan dezibelioetan zehaztu ohi da. Op-amper tipikoek 30 μV / V inguruko PSRRa dute.

Hornidura-tentsioaren aldaketak murrizteko, op-amper talde bakoitzaren energia-iturria izan beharko litzateke decoupled (hau da, isolatuta) beste talde batzuetatik. Honek op-amper talde bakar batekin interakzioa mugatzen du. Praktikan, zirkuitu inprimatutako txartel bakoitzak 0.1-μF zeramikaz edo 1-μF tantalio kondentsadore bidez lurrean igortzea izan behar du. Horrek ziurtatzen du kargaren aldaketak ez direla beste txartel batzuen horniketaren esanguratsua izango.

5.7 Irteerako erresistentzia

Irteera-erresistentzia zehazteko lehen urrats gisa, R_out, 24 irudiko lerro puntudunen artean agertzen den op-amp zirkuituaren zatirako Thevenin baliokidea aurkitzen dugu. Kontuan izan azterketa honetan desplazamenduaren korrontea eta tentsioa alde batera uzten ari garela.

(24)

Zirkuituak iturri independenterik ez duenez, Thevenin tentsio baliokidea nulua da, beraz, zirkuitua erresistentzia bakarraren baliokidea da. Erresistentziaren balioa ezin da aurkitu erresistentzia konbinazioak erabiliz. Erresistentzia baliokidea aurkitzeko, demagun tentsio iturria, v, aplikatzen zaiela irteerako buruei. Orduan kalkulatuko dugu lortutako korrontea, i, eta hartu ratioa v/i. Horrek Thevenin erresistentzia ematen du.

25. irudia (a zatia) - Thevenin zirkuitu baliokideak

25 irudia (b zatia)

25 irudian (a) aplikatutako tentsio iturria ilustratzen du. Zirkuitua 25 irudian (b) erakusten denaren arabera sinplifikatzen da.

Zirkuituak 25 irudian (c) erakusten denaren arabera murriztu daiteke, non bi erresistentzia berri definitzen ditugu honela:

(48)

Suposatzen dugu hori R '_A << (R '₁ + R_i) eta R_i >> R '₁. X (X) D emaitzen zirkuitu sinplifikatua.

Sarrerako tentsio diferentziala, v_d, zirkuitu sinplifikatu honetan topaketa tentsio ratioa erabiliz.

(49)

Irteeraren erresistentzia aurkitzeko, irteerako begizta ekuazioa idazten dugu.

(50)

25. irudia (c eta d zatiak) - Thevenin zirkuitu baliokide murriztua

Ondorengo erresistentzia ekuazioa (51) ematen da.

(51)

Kasu gehienetan, R_cm hain handia da R '_A»R_A R₁'»R₁. Ekuazioa (51) erraz daiteke beheko maiztasuneko tentsioko irabazia erabiliz. G_o. Emaitza Ekuazioa da (52).

(52)

ESKAERA

25 (a) zirkuituaren irteerako inpedantzia zirkuituaren simulazioarekin kalkula dezakezu TINACloud Circuit Simulator erabiliz beheko estekan klik eginez.

Opamp zirkuituaren simulazioaren inpedantzia TINACloud-ekin

Opamp zirkuituaren simulazioaren inpedantzia TINACloud-ekin

Adibidea 2

Bilatu batasun-irabazi buffer baten irteerako inpedantzia, 26 irudian erakusten den moduan.

op-amp, funtzionalen anplifikadore praktikoak

26 irudia - Unity irabazia bufferra

Irtenbidea: 26 irudiaren zirkuitua 24 irudiaren zirkuitu zirkulazioarekin alderatzen denean, hori aurkitzen dugu

Hori dela eta,

Ekuazioa (51) ezin da erabili, ez baitigu ziur 25 (c) irudian sinplifikatu diren desberdintasunak kasu honetan aplikatzen. Hau da, sinplifikazioa hori eskatzen du