Käytännön Op-amps-TINA ja TINACloud-resurssit

Käytännölliset Op-vahvistimet

Käytännölliset Op-ampeerit lähentävät heidän ihanteellinen vastaavia, mutta ne eroavat toisistaan tärkeissä asioissa. On tärkeää, että piirisuunnittelija ymmärtää todellisten opti- ja optimaalisten vahvistimien väliset erot, koska nämä erot voivat vaikuttaa haitallisesti piirin suorituskykyyn.

Tavoitteenamme on kehittää yksityiskohtainen malli käytännön op-amp: sta - malli, joka ottaa huomioon ei-ihanteellisen laitteen merkittävimmät ominaisuudet. Aloitetaan määrittelemällä parametrit, joita käytetään käytännön op-vahvistimien kuvaamiseen. Nämä parametrit määritetään op-amp-valmistajan toimittamien tietolomakkeiden luetteloissa.

Taulukossa 1 luetellaan parametrien arvot kolmelle op-ampeerille, joista toinen on μA741. Käytämme μA741-operatiivisia vahvistimia useissa esimerkeissä ja luvun lopun ongelmissa seuraavista syistä: (1) ne on valmistettu monien IC-valmistajien (2) avulla, ja niitä löytyy suurista määristä koko elektroniikkateollisuudessa, ja ( 3) ne ovat yleisesti tarkoitettuja sisäisesti kompensoituja op-ampeereja, ja niiden ominaisuuksia voidaan käyttää vertailuna muihin op-tyyppeihin liittyvissä vertailutarkoituksissa. Koska eri parametrit on määritelty seuraavissa osioissa, on viitattava taulukkoon 9.1 tyypillisten arvojen löytämiseksi.

Käytännölliset Op-vahvistimet, operatiiviset vahvistimet

Taulukko 1 - Op-vahvistimien parametriarvot

Merkittävin ero ideaalisten ja todellisten ampeerien välillä on jännitevahvistuksessa. Ihanteellisella op-vahvistimella on jännite, joka lähestyy äärettömyyttä. Todellisella op-amp: lla on äärellinen jännitevoitto, joka pienenee taajuuden kasvaessa (tarkastelemme tätä tarkemmin seuraavassa luvussa).

5.1 Open-Loop Voltage Gain (G)

Op-amp: n avoimen silmukan jännitteenvahvistus on lähtöjännitteen muutoksen suhde tulojännitteen muutokseen ilman palautetta. Jännitteenvahvistus on dimensioton määrä. Symbolia G käytetään ilmaisemaan avoimen silmukan jännitteen vahvistusta. Op-ampeereilla on korkeajännitevoitto matalataajuisia tuloja varten. Op-amp-spesifikaatio sisältää jännitteen vahvistuksen volteina millivoltia kohti tai desibeleinä (dB) [määritelty 20logiksi₁₀(v_ulos/v_in)].

5.2-modifioitu op-amp-malli

Kuva 14 esittää ideaalisoidun op-amp-mallin muunnettua versiota. Olemme muuttaneet ideaalisoitua mallia lisäämällä syöttöresistanssia (R_i), lähtöresistanssi (R_o) ja yhteismuotoinen vastus (R_cm).

Kuva 14 - Modifioitu op-amp-malli

Näiden parametrien tyypilliset arvot (741 op-amp) ovat

Nyt tarkastelemme kuvion 15 piiriä tutkiakseen op-amp-suorituskykyä. Op-amp: n invertoivaa ja ei-invertoivaa tuloa ohjaavat lähteet, joilla on sarjan vastus. Op-vahvistimen lähtö syötetään takaisin tuloon vastuksen kautta, R_F.

Kaksi tuloa käyttävät lähteet on merkitty v_A ja v₁ja niihin liittyvät sarjaresistanssit ovat R_A ja R₁. Jos tulopiiri on monimutkaisempi, näitä vastuksia voidaan pitää kyseisen piirin Thevenin-ekvivalentteina.

Kuva 15 - Op-amp-piiri

5.3 Input Offset Voltage (V_io)

Kun syöttöjännite ihanteelliselle op-amp: lle on nolla, myös lähtöjännite on nolla. Tämä ei päde todelliseen op-amp. syöttösiirron jännite, V_io, määritellään differentiaalitulojännitteeksi, joka tarvitaan lähtöjännitteen nollaan. V_io on nolla ihanteellisen op-vahvistimen kohdalla. Tyypillinen arvo V_io 741-op-amp on 2 mV. Ei-nolla-arvo V_io on ei-toivottavaa, koska op-amp vahvistaa minkä tahansa tulonsiirron, mikä aiheuttaa suuremman ulostulon dc virhe.

Seuraavaa tekniikkaa voidaan käyttää mittaamaan tulonsiirtojännitettä. Sen sijaan, että tulon jännite muutettaisiin, jotta lähtö pakotetaan nollaan, tulo asetetaan nollaan, kuten kuvassa 16 on esitetty, ja lähtöjännite mitataan.

op-vahvistimet, operatiiviset vahvistimet

Kuva 16 - Vio-mittaustekniikka

Nollan tulojännitteestä johtuva lähtöjännite tunnetaan nimellä lähtö dc offset -jännite. Tulon offsetjännite saadaan jakamalla tämä määrä op-vahvistimen avoimen silmukan vahvistuksella.

Syöttösiirtymäjännitteen vaikutukset voidaan sisällyttää op-amp-malliin kuviossa 17 esitetyllä tavalla.

Sisäänmeno-jännitteen lisäksi ihanteellinen op-amp-malli on lisäksi muunnettu neljän vastuksen avulla. R_o on vastus. tulonkestävyys op-amp, R_i, mitataan kääntyvien ja ei-käänteisten liittimien välillä. Malli sisältää myös vastuksen, joka yhdistää molemmat tulot maahan.

Nämä ovat yhteismuotoiset vastukset, ja kukin on yhtä suuri kuin 2R_cm. Jos tulot on kytketty yhteen kuten kuvassa 16, nämä kaksi vastusta ovat samansuuntaisia ja yhdistetty Thevenin-vastus maahan on R_cm. Jos op-amp on ihanteellinen, R_i ja R_cm lähestyä ääretöntä (eli avointa piiriä) ja R_o on nolla (eli oikosulku).

Kuva 17 - Input offset -jännite

Kuviossa 18 (a) esitettyä ulkoista konfiguraatiota voidaan käyttää siirtymäjännitteen vaikutusten poistamiseen. Käänteinen syöttöliittimeen syötetään muuttuva jännite. Tämän jännitteen asianmukainen valinta peruuttaa tulonsiirron. Samoin kuvio 18 (b) havainnollistaa tätä tasapainotuspiiriä, jota sovelletaan ei-invertoivaan tuloon.

Kuva 18 - Offset-jännitteen tasapainotus

HAKEMUS

Voit testata 18 (a) -piirin Input Offset Voltage Balancing -toimintoa simuloimalla verkossa TINACloud Circuit Simulator -ohjelmalla napsauttamalla alla olevaa linkkiä.

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (a) TINACloudilla

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (a) TINACloudilla

HAKEMUS

Voit testata 18 (b) -piirin tulonsiirron tasapainotusta simuloimalla verkossa TINACloud-piirisimulaattorilla klikkaamalla alla olevaa linkkiä:

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (b) TINACloudilla

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) TINACloudilla

5.4 Input Bias Current (I_{Puolueellisuus})

Vaikka ihanteelliset op-amp-tulot eivät tuo mitään virtaa, todelliset op-ampeerit mahdollistavat jokaisen biasvirran syöttämisen jokaiselle tuloliittimelle. I_{Puolueellisuus} on dc virta tulo-transistoriin ja tyypillinen arvo on 2 μA. Kun lähdeimpedanssi on alhainen, I_{Puolueellisuus} sillä on vain vähän vaikutusta, koska se aiheuttaa suhteellisen pienen muutoksen tulojännitteessä. Korkean impedanssin ajo- piireissä pieni virta voi kuitenkin johtaa suuriin jännitteisiin.

Biasvirta voidaan mallintaa kahdeksi nykyiseksi nieluksi, kuten kuvassa 19 on esitetty.

Kuva 19 - Offset-jännitteen tasapainotus

Näiden nielujen arvot ovat riippumattomia lähdeimpedanssista. bias nykyinen määritellään kahden nykyisen nielun keskiarvoksi. Täten

(40)

Kahden uppoamisarvon välinen ero tunnetaan nimellä syöttösiirtovirta, I_io, ja on antanut

(41)

Sekä tulo-biasvirta että tulonsiirtovirta ovat riippuvaisia lämpötilasta. tulon esijännitysvirran lämpötilan kerroin määritellään biasvirran muutoksen ja lämpötilan muutokseen. Tyypillinen arvo on 10 nA /^oC. syöttösiirron nykyinen lämpötilakerroin on määritelty siirtymävirran suuruuden muutoksen ja lämpötilan muutoksen suhde. Tyypillinen arvo on -2nA /^oC.

Kuva 20 - Input bias current model

Tulo-biasvirrat sisällytetään kuvion 20 op-amp-malliin, jossa oletetaan, että tulonsiirtovirta on vähäinen.

Tuo on,

Kuva 21 (a) - Piiri

Analysoimme tätä mallia, jotta löydämme lähtöjännitteen aiheuttaman lähtöjännitteen.

Kuviossa 21 (a) on esitetty op-amp-piiri, jossa invertoiva ja ei-invertoiva tulo on kytketty maahan vastusten kautta.

Piiri korvataan vastaavalla kuvalla 21 (b), jossa olemme jättäneet huomiotta V_io. Yksinkertaistamme edelleen kuvion 21 (c) piiriä jättämällä huomiotta R_o ja R_kuormitus. Eli oletamme R_F >> R_o ja R_kuormitus >> R_o. Tuotannon latausvaatimukset varmistavat yleensä, että nämä epätasa-arvot täyttyvät.

Piiri yksinkertaistetaan edelleen kuviossa 21 (d), jossa riippuvaisen jännitelähteen ja vastuksen sarjayhdistelmä korvataan rinnakkaisella yhdistelmällä riippuvasta virtalähteestä ja vastuksesta.

Lopuksi yhdistämme resistanssit ja vaihdamme molemmat virtalähteet takaisin jännitelähteisiin, jotta saadaan kuvion 21 (e) yksinkertaistettu vastaava.

Kuva 21 (b) ja (c) - Input-bias-vaikutukset

Etsimme lähtöjännitteen silmukkayhtälöllä.

(43)

jossa

(44)

Yleisen tilan vastus, R_cm, on useiden satojen megohmien alueella useimmille op-ampeereille. Siksi

(45)

Jos oletamme myös, että G_o on suuri, yhtälö (43) muuttuu yhtälöksi.

(46)

Kuva 21 (d) ja (e) - Input-bias-vaikutukset

Huomaa, että jos arvo on R₁ valitaan yhtä suureksi, niin lähtöjännite on nolla. Tästä analyysistä päätellään, että dc vastarintaa V₊ maahan pitäisi olla sama kuin dc vastarintaa V_- maahan. Käytämme tätä puolueellinen tasapaino rajoituksia monta kertaa malleissamme. On tärkeää, että sekä kääntyvillä että ei-käänteisillä liittimillä on a dc polku maahan vähentääkseen syöttöprofiilin virran vaikutuksia.

Sisääntulo Bias Nykyiset, käytännölliset op-vahvistimet

Kuva 22 - Esimerkin 1 kokoonpanot

Esimerkki 1

Etsi kuvion 22 kokoonpanojen lähtöjännite missä I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Ratkaisu: Käytämme yhtälön (46) yksinkertaistettua muotoa kuvion 22 (a) piirin lähtöjännitteen löytämiseksi.

Kuvion 22 (b) piirissä saadaan

HAKEMUS

Voit myös suorittaa nämä laskelmat TINACloud-piirisimulaattorilla käyttämällä tulkintatyökalua klikkaamalla alla olevaa linkkiä.

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation

Tulon bias-nykyinen mallinnuspiirin simulointi TINACloudin kanssa

Tulon bias-nykyinen mallinnuspiirin simulointi TINACloudin kanssa

5.5 Yleinen-hylkäys

Op-amp käytetään yleensä vahvistamaan kahden tulojännitteen välistä eroa. Siksi se toimii erotustila. Näihin kahteen tuloon lisätyn vakiojännitteen ei pitäisi vaikuttaa eroon, eikä sitä sen vuoksi pitäisi siirtää ulostuloon. Käytännössä tämä tulojen vakio tai keskiarvo ei vaikuttaa ulostulojännitteeseen. Jos tarkastelemme vain yhtä suurta osaa kahdesta tulosta, harkitsemme sitä, mitä kutsutaan nimellä yhteinen tila.

Kuva 23 - Yhteinen tila

Oletetaan, että varsinaisen op-vahvistimen kaksi tuloliittintä on kytketty toisiinsa ja sitten yhteiseen lähdejännitteeseen. Tämä on esitetty kuviossa 23. Lähtöjännite olisi ihanteellinen tapauksessa nolla. Käytännön tapauksessa tämä lähtö ei ole nolla. Ei-nolla-lähtöjännitteen suhde syötettyyn syöttöjännitteeseen on yhteismoodin jännitevoitto, G_cm. tavallisen tilan hylkäämissuhde (CMRR) määritellään dc avoin silmukka G_o, yhteiseen tilaan. Täten,

(47)

CMRR: n tyypilliset arvot ovat 80: sta 100 dB: hen. On toivottavaa, että CMRR on mahdollisimman korkea.

5.6 Virtalähteen hylkäyssuhde

Virtalähteen hylkäämissuhde on mittari, joka op-amp: n kyvystä jättää huomiotta virtalähteen jännitteen muutokset. Jos järjestelmän lähtövaiheessa on muuttuva määrä virtaa, syöttöjännite voi vaihdella. Tämä kuormituksen aiheuttama muutos syöttöjännitteessä voi sitten aiheuttaa muutoksia muiden saman syöttölaitteen vahvistimien toimintaan. Tätä kutsutaan nimellä cross-talk, ja se voi johtaa epävakauteen.

- virtalähteen hylkäyssuhde (PSRR) on muutoksen suhde v_ulos virtalähteen jännitteen kokonaismuutokseen. Esimerkiksi, jos positiiviset ja negatiiviset syötteet vaihtelevat ± 5 V: sta ± 5.5 V: iin, kokonaismuutos on 11-10 = 1 V. PSRR määritetään yleensä mikrovoltteina volttia kohden tai joskus desibeleinä. Tyypillisten op-vahvistimien PSRR on noin 30 μV / V.

Syöttöjännitteen muutosten vähentämiseksi jokaisen op-ampeeriryhmän virtalähteen tulisi olla tuotannosta irrotettua (eli eristetty) muiden ryhmien vastaavista. Tämä rajoittaa vuorovaikutuksen yhteen ryhmään op-ampeereita. Käytännössä jokaisella painetulla piirikortilla tulisi olla syöttöjohdot ohitettuna maahan 0.1-μF-keraamisen tai 1-μF-tantaalikondensaattorin kautta. Näin varmistetaan, että kuorman vaihtelut eivät syöty merkittävästi muiden korttien syöttämisen kautta.

5.7 Lähtöresistanssi

Ensimmäisenä askeleena lähtötehon määrittämisessä, R_ulos, löydämme Thevenin-ekvivalentin op-amp-piirin osalle, joka on esitetty kuviossa 24 katkoviivoilla suljetussa ruudussa. Huomaa, että tässä analyysissä jätetään huomiotta siirtymävirta ja jännite.

(24)

Koska piiri ei sisällä itsenäisiä lähteitä, Thevenin-ekvivalenttijännite on nolla, joten piiri vastaa yhtä vastusta. Vastuksen arvoa ei löydy vastusyhdistelmillä. Oletetaan, että lähtöjohtoihin käytetään jännitelähdettä v vastaavan resistanssin löytämiseksi. Lasketaan sitten tuloksena oleva virta, ija ota suhde v/i. Tämä tuottaa Thevenin-resistenssin.

Kuva 25 (osa a) - Thevenin-ekvivalenttiset piirit

Kuva 25 (osa b)

Kuva 25 (a) kuvaa käytettyä jännitelähdettä. Piiri yksinkertaistetaan kuviossa 25 (b) esitetyllä tavalla.

Piiriä voidaan edelleen vähentää kuvioon 25 (c) esitettyyn piiriin, jossa määritellään kaksi uutta vastusta seuraavasti:

(48)

Oletamme, että R '_A << (R '₁ + R_i) Ja R_i >> R '₁. Kuvion 25 (d) yksinkertaistettu piiri tuottaa tuloksia.

Tuloerojännite, v_d, löytyy tästä yksinkertaistetusta piiristä käyttämällä jännitejakajasuhdetta.

(49)

Lähtöjännitteen löytämiseksi aloitamme kirjoittamalla lähtösilmukkayhtälön.

(50)

Kuva 25 (osat c ja d) - Pelkistetyt Thevenin-ekvivalenttipiirit

Tämän jälkeen lähtöarvo annetaan yhtälöllä (51).

(51)

Useimmissa tapauksissa, R_cm on niin suuri R '_A»R_A ja R₁"»R₁. Yhtälöä (51) voidaan yksinkertaistaa käyttämällä nollataajuista jännitevahvistusta, G_o. Tuloksena on yhtälö (52).

(52)

HAKEMUS

Voit laskea piirin 25 (a) lähtöimpedanssin piirisimulaatiolla käyttämällä TINACloud-piirisimulaattoria napsauttamalla alla olevaa linkkiä.

Opamp-piirin simuloinnin lähtöimpedanssi TINACloudilla

Opamp-piirin simuloinnin lähtöimpedanssi TINACloudilla

Esimerkki 2

Etsi yhtenäisyyden vahvistuksen puskurin lähtöimpedanssi kuvassa 26.

Kuva 26 - Yhtenäisen vahvistuksen puskuri

Ratkaisu: Kun kuvion 26 piiriä verrataan kuvion 24 takaisinkytkentäpiiriin, löydämme sen

Näin ollen,

Yhtälöä (51) ei voida käyttää, koska emme ole varmoja siitä, että kuvion 25 (c) yksinkertaistamiseen johtavat epätasa-arvot soveltuvat tässä tapauksessa. Toisin sanoen yksinkertaistaminen edellyttää sitä