6. Op-amp-piirien suunnittelu
NYKYINEN - 6. Op-amp-piirien suunnittelu
PREVIOUS- 5. Yhdistetyt käänteiset ja ei-käänteiset tulot
Op-amp-piirien suunnittelu
Kun op-amp-järjestelmän kokoonpano on annettu, voimme analysoida että järjestelmä määrittää tuotoksen tuotantopanosten perusteella. Teemme tämän analyysin aikaisemmin käsitellyn menettelyn mukaisesti (tässä luvussa).
Jos haluat nyt suunnittelu piiri, joka yhdistää sekä kääntyvät että ei-käänteiset tulot, ongelma on monimutkaisempi. Suunnitteluongelmassa annetaan haluttu lineaarinen yhtälö, ja op-amp-piiri on suunniteltava. Operatiivisen vahvistimen kesän haluttu ulostulo voidaan ilmaista tulojen lineaarisena yhdistelmänä,
(30)
jossa X1, X2 ...Xn ovat halutut voitot ei-invertoivissa tuloissa ja Ya, Yb ...Ym ovat halutut voitot kääntyvillä tuloilla. Yhtälö (30) toteutetaan kuvion (14) piirillä.
Kuva 14- Useita tuloja kesä
Tämä piiri on hieman muunnettu versio kuvion (13) piiristä (Tulojen kääntäminen ja kääntämättä jättäminen).
Kuva 13- Invertointi- ja ei-kääntyvät tulot
Ainoa muutos, jonka olemme tehneet, on sisällyttää vastukset op-amp-tulojen ja maahan. Maata voidaan tarkastella lisäsisääntulona, joka on nolla volttia, joka on kytketty vastaavan vastuksen kautta (Ry kääntyvän tulon ja Rx ei-invertoivaan tuloon). Näiden vastusten lisääminen antaa meille joustavuuden täyttääkseen yhtälön (30) vaatimuksia. Esimerkiksi syöttöresistanssit voidaan määrittää. Kumpikin tai molemmat näistä ylimääräisistä vastuksista voidaan poistaa antamalla niiden arvot äärettömään.
Edellisen jakson yhtälö (29) osoittaa, että vastusten arvot, Ra, Rb,…Rm ja R1, R2,…Rn ovat kääntäen verrannollisia haluttuihin tuloksiin, jotka liittyvät vastaaviin tulojännitteisiin. Toisin sanoen, jos halutaan suurta vahvistusta tietyssä sisääntulopäätteessä, niin vastus kyseisessä päätelaitteessa on pieni.
Kun operatiivisen vahvistimen avoimen silmukan vahvistus, G, on suuri, lähtöjännite voidaan kirjoittaa toimintavahvistimeen yhdistetyillä vastuksilla kuten yhtälössä (29). Yhtälö (31) toistaa tämän ilmaisun hieman yksinkertaistamalla ja lisäämällä vastukset maahan.
(31)
Määritämme kaksi vastaavaa vastusta seuraavasti:
(32)
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri käyttämällä TINACloudia määrittämään Vulos tulojännitteiden osalta klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
TINACloudin usean tulon kesäpiirin simulointi
TINACloudin usean tulon kesäpiirin simulointi
Näemme, että lähtöjännite on lineaarinen yhdistelmä tuloja, joissa kukin tulo on jaettu sen vastukseen ja kerrotaan toisella vastuksella. Moninkertaistuva vastus on RF sisääntulojen kääntämiseksi ja Req ei-invertoiville tuloille.
Tuntematon määrä tässä ongelmassa on n + m +3 (eli tuntemattomat vastusarvot). Siksi meidän on kehitettävä n + m +3-yhtälöt näiden tuntemattomien ratkaisemiseksi. Voimme muotoilla n + m Yhtälö (30) vastaa näitä yhtälöitä. Eli yksinkertaisesti kehitämme yhtälöiden järjestelmää yhtälöistä (30), (31) ja (32) seuraavasti:
(33)
Koska meillä on vielä kolme tuntematonta, meillä on joustavuus, jotta voimme täyttää vielä kolme rajoitusta. Tyypillisiä lisärajoituksia ovat syöttöresistanssit ja vastusten kohtuulliset arvot (esim. Et halua käyttää tarkkuusvastusta R1 sama kuin 10-4 ohmia!).
Vaikka niitä ei tarvita suunnittelussa, jossa käytetään ihanteellisia op-ampeereita, käytämme suunnittelurajoitusta, joka on tärkeää ei-ihanteellisille op-vahvistimille. Ei-invertoivaa op-vahvistinta varten Thevenin-vastus, joka tarkastelee taaksepäin invertoivasta tulosta, tehdään yleensä yhtä suureksi kuin ei-invertoivasta tulosta. Kuvassa (14) esitetyn kokoonpanon osalta tämä rajoitus voidaan ilmaista seuraavasti:
(34)
Viimeinen tasa-arvo johtuu RA yhtälöstä (32). Tämän tuloksen korvaaminen yhtälöksi (31) antaa rajoituksen,
(35)
(36)
Tämän tuloksen korvaaminen yhtälöksi (33) tuottaa yksinkertaisen yhtälön,
(37)
Yhtälön (34) ja yhtälön (37) yhdistelmät antavat meille tarvittavat tiedot piirin suunnittelemiseksi. Valitsemme arvon RF ja ratkaise sitten eri syöttövastukset käyttäen yhtälöä (37). Jos vastusten arvot eivät ole käytännön alueella, muutamme takaisinkytkentävastuksen arvoa. Kun ratkaisemme syöttövastukset, käytämme sitten yhtälöä (34) pakottamaan resistanssit olemaan yhtä suuret, kun tarkastellaan takaisin kahdesta op-amp-tulosta. Valitsemme arvot Rx ja Ry pakottaa tämä tasa-arvo. Vaikka yhtälöt (34) ja (37) sisältävät suunnittelun kannalta olennaiset tiedot, yksi tärkeä näkökohta on, sisällytetäänkö vastukset op-amp-tulojen ja maan väliin (Rx ja Ry). Ratkaisu voi edellyttää iteraatioita merkityksellisten arvojen saamiseksi (ts. Voit tehdä ratkaisun kerran ja keksiä negatiiviset vastusarvot). Tästä syystä esitämme numeerisen menettelyn, joka yksinkertaistaa laskelmien määrää[1]
Yhtälö (34) voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:
(38)
Yhtälön (37) korvaaminen yhtälöksi (38) saadaan,
(39)
Muista, että tavoitteemme on ratkaista vastusten arvot Xi ja Yj. Määrittele summatermit seuraavasti:
(40)
Sitten voimme kirjoittaa yhtälön (39) uudelleen seuraavasti:
(41)
Tämä on lähtökohta suunnittelumenetelmässämme. Muista tuo Rx ja Ry ovat vastukset maadoituksen ja vastaavasti kääntämättömien ja käänteisten tulojen välillä. Takaisinkytkentävastus on merkitty RF ja uusi termi Z, määritellään
(42)
Taulukko (1) -Summing Amplifier Design
Voimme poistaa jommankumman tai molemmat vastukset, Rx ja Ry, kuvion (14) piiristä. Toisin sanoen jompikumpi tai molemmat näistä vastuksista voidaan asettaa äärettömään (ts. Avoin). Tämä antaa kolme suunnittelumahdollisuutta. Riippuen tuotannosta haluttuihin kertointekijöihin tuloon, yksi näistä tapauksista tuottaa sopivan suunnittelun. Tulokset on esitetty taulukossa (1).
Piirisuunnittelu TINA: lla ja TINACloudilla
TINA: ssa ja TINACloudissa on useita työkaluja operatiiviseen vahvistimeen ja piirisuunnitteluun.
Optimointi
TINAOptimointitilan tuntemattomat piiriparametrit voidaan määrittää automaattisesti, jotta verkko voi tuottaa ennalta määritetyn tavoitelähtöarvon, minimin tai maksimin. Optimoinnista on hyötyä paitsi piirisuunnittelussa myös opetuksessa esimerkkien ja ongelmien rakentamiseen. Huomaa, että tämä työkalu ei toimi vain ihanteellisten op-vahvistimien ja lineaaristen piirien, vaan minkä tahansa epälineaarisen piirin kanssa, jossa on todellisia epälineaarisia ja muita laitemalleja.
Harkitse invertoivaa vahvistinpiiriä, jossa on todellinen operatiivinen vahvistin OPA350.
Tämän piirin oletusasetuksena piirin lähtöjännite on 2.5
Voit tarkistaa tämän helposti painamalla DC-painiketta TINACloudissa.
HAKEMUS
Analysoi seuraava piiri TINACloud-online-piirisimulaattorilla V: n määrittämiseksiulos tulojännitteiden osalta klikkaamalla alla olevaa linkkiä.
OPA350-piirin simulointi TINACloudin kanssa
OPA350-piirin simulointi TINACloudin kanssa
Jos haluat tämän valmistella, meidän on valittava määritettävä tavoitteen Out = 3V ja piirin parametri (Optimization Object) Vref. Tähän kohteeseen meidän on myös määriteltävä alue, joka auttaa etsimään, mutta edustaa myös rajoituksia.
Optimointikohteen valitseminen ja asettaminen TINACloudissa napsauta Vout Voltage pin ja aseta optimointikohde asentoon Yes
Napsauta seuraavaksi… -näppäintä samalla rivillä ja aseta arvo arvoksi 3.
Voit lopettaa asetukset painamalla OK-painiketta.
Nyt valitaan ja asetetaan Vref Optimization Object.
Napsauta Vref ja sitten… -painiketta samalla rivillä
Valitse optimointiobjekti hänen luettelonsa yläosassa ja aseta Optimointi / objekti -valintaruutu.
Paina OK molemmissa valintaikkunoissa.
Jos optimointiasetukset olivat onnistuneita, näet >> -merkin ulos ja << -merkin Vrefissä alla olevan kuvan mukaisesti.
Valitse sitten Analysointi-valikosta Optimointi ja paina RUN-painiketta Optimointi-valintaikkunassa.
Optimoinnin suorittamisen jälkeen löydetty Vref, optimaalinen arvo, näkyy DC-optimoinnin valintaikkunassa
Voit tarkastella asetuksia ja suorittaa optimoinnin verkossa ja tarkistaa Circuit Simulationin avulla alla olevan linkin avulla.
Suorita optimointi Analyysivalikosta ja paina sitten DC-painiketta, niin näet tuloksen Optimoidussa piirissä (3V)
Online-optimointi ja piirin simulointi TINACloudin kanssa
Huomaa, että TINACloudissa on vain yksinkertainen DC-optimointi. Lisää optimointitoimintoja on TINA: n offline-versiossa.
AC-optimointi
Käyttämällä TINA: n offline-versiota voit myös optimoida ja muokata myös AC-piirejä.
Avaa MFB 2nd -järjestys Chebyshev LPF.TSC -alavirtapiiri Esimerkkejä Texas Instrumentsin suodattimen_FilterPro-kansioon TINA: sta, nähtävissä alla.
Suorita AC-analyysi / AC-siirto-ominaisuus.
Seuraava kaavio tulee näkyviin:
Piirissä on yhtenäisyys (0dB) Gain- ja 1.45kHz-katkaisutaajuus.
Nyt suunnitellaan piiri uudelleen käyttämällä AC-optimointia ja aseta matala taajuus Gain 6dB ja katkaisutaajuus 900Hz.
Huomautuksia että yleensä vain muutoksiin sovellettava optimointityökalu. Jos suodattimia käytetään, kannattaa käyttää suodattimen suunnittelutyökalua. Käsittelemme tätä aihetta myöhemmin.
Nyt optimoinnin avulla Gain ja Cutoff-taajuus ovat optimointitavoitteet.
Napsauta työkalupalkin tai valitse analyysivalikon Valitse optimointikohde Valitse optimointikohde -kuvaketta.
Kohdistin muuttuu kuvakkeeksi: 
. Napsauta Vout Voltage -nappia uudella kohdistimen symbolilla.
Näyttöön tulee seuraava valintaikkuna:
Napsauta AC-tavoitteen toimintoja -painikkeita. Näyttöön tulee seuraava valintaikkuna:
Tarkista Low Pass -valintaruutu ja aseta Target-katkaisutaajuus arvoon 900. Valitse nyt Suurin-valintaruutu ja aseta Kohde arvoon 6.
Seuraavaksi valitse piirin parametrit, jotka haluat muuttaa optimointitavoitteiden saavuttamiseksi.
Valitse 
symboli tai Select Control Object -rivi Analysis-valikossa.
Kohdistin muuttuu yllä olevaksi symboliksi. Napsauta C1-kondensaattoria tämän uuden kohdistimen avulla. Näyttöön tulee seuraava valintaikkuna:
Paina valintapainiketta. Näyttöön tulee seuraava valintaikkuna:
Ohjelma asettaa automaattisesti alueen (rajoitus), jossa optimaalinen arvo etsitään. Lopeta arvo 20n: ksi kuten edellä on esitetty.
Toista nyt sama menettely R2: lle. Aseta lopetusarvoksi 20 kt.
Kun Optimoinnin asennus on valmis, valitse Analyysi-valikosta Optimointi / AC-optimointi (Transfer).
Näyttöön tulee seuraava valintaikkuna:
Hyväksy oletusasetukset painamalla OK.
Lyhyen laskennan jälkeen löydetään optimaali ja muutetut komponenttiparametrit näkyvät:
Lopuksi tarkista tulos piirisimulaatiolla, jossa suoritetaan Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Kuten kaaviossa on esitetty, tavoitearvot (Gain 6db, katkaisutaajuus 900Hz) on saavutettu.
Circuit Designer -työkalun käyttäminen TINA: ssa ja TINACloudissa
Toinen menetelmä TINA: n ja TINAcloudin piirien suunnittelussa on rakennettu Circuit Designer -työkalu, jota kutsutaan yksinkertaisesti Design Tool -työkaluksi.
Suunnittelutyökalu toimii piirisi suunnitteluyhtälöiden kanssa varmistaaksesi, että määritetyt tulot johtavat määritettyyn lähtövasteeseen. Työkalu vaatii sinulta ilmoituksen panoksista ja lähdöistä sekä komponenttien arvojen välisistä suhteista. Työkalu tarjoaa ratkaisumootorin, jonka avulla voit ratkaista toistuvasti ja tarkasti eri skenaarioita. Lasketut komponenttiarvot asetetaan automaattisesti kaaviossa ja voit tarkistaa tuloksen simulaation avulla.
Suunnittelemme saman piirin AC-vahvistuksen käyttämällä Circuit Designer -työkalua.
Avaa piiri TINACloudin Design Tool -kansiosta. Seuraava näyttö tulee näkyviin.
Suorita nyt AC-analyysi / AC Transfer Characteristic.
Seuraava kaavio tulee näkyviin:
Nyt suunnitellaan piirin uudelleen siten, että sillä on yhtenäisyysvahvistus (0dB)
Käynnistä Piirrä tämä piiri uudelleen Työkalut-valikosta
Näyttöön tulee seuraava valintaikkuna.
Aseta Gain -1 (0 dB) ja paina Suorita-painiketta.
Lasketut uudet komponenttiarvot näkyvät välittömästi kaavamaisessa editorissa, piirretty punaisella värillä.
Paina Hyväksy-painiketta.
Muutokset viimeistellään. Suorita AC-analyysi / AC-siirto-ominaisuudet uudelleen tarkistaaksesi uudelleen suunnitellun piirin.
—————————————————————————————————————————————————— -
1Tämän tekniikan ovat laatineet Phil Vrbancic, Kalifornian osavaltion yliopiston Long Beachin opiskelija, ja se esitettiin IEEE: n alueen VI palkintopaperikilpailuun.