6. Conception de circuits op-amp
ACTUEL - 6. Conception des circuits des amplificateurs opérationnels
PRÉCÉDENT-5. Entrées inverses et non inversées combinées
Conception de circuits op-amp
Une fois la configuration d’un système op-amp terminée, nous pouvons il analyse ce système pour déterminer la sortie en termes d'entrées. Nous effectuons cette analyse en utilisant la procédure décrite précédemment (dans ce chapitre).
Si vous souhaitez maintenant DESIGN un circuit qui combine des entrées inverses et non inverses, le problème est plus complexe. Dans un problème de conception, une équation linéaire souhaitée est donnée et le circuit amplificateur opérationnel doit être conçu. La sortie souhaitée de l’amplificateur opérationnel été peut être exprimée sous la forme d’une combinaison linéaire des entrées,
(30)
De X1, X2 ...Xn sont les gains souhaités aux entrées non inverseuses et Ya, Yb ...Ym sont les gains souhaités aux entrées inverseuses. L'équation (30) est implémentée avec le circuit de la figure (14).
Figure 14 - Été à entrées multiples
Ce circuit est une version légèrement modifiée du circuit de la figure (13) (Inverser et non inverser les entrées).
Figure 13 - Entrées inverses et non inverses
Le seul changement que nous avons apporté consiste à inclure des résistances entre les entrées de l'ampli-op et la terre. La masse peut être vue comme une entrée supplémentaire de zéro volt connectée via la résistance correspondante (Ry pour l'entrée inverseuse et Rx pour l'entrée non inverseuse). L'ajout de ces résistances nous donne la flexibilité nécessaire pour répondre à toutes les exigences autres que celles de l'équation (30). Par exemple, les résistances d'entrée peuvent être spécifiées. Vous pouvez supprimer l’un ou l’autre de ces résistances supplémentaires en laissant leurs valeurs à l’infini.
L’équation (29) de la section précédente montre que les valeurs des résistances, Ra, Rb, ...Rm et R1, R2, ...Rn sont inversement proportionnels aux gains souhaités associés aux tensions d'entrée respectives. En d'autres termes, si un gain important est souhaité sur une borne d'entrée particulière, la résistance à cette borne est faible.
Lorsque le gain en boucle ouverte de l'amplificateur opérationnel, G, est grande, la tension de sortie peut être écrite en termes de résistances connectées à l’amplificateur opérationnel comme dans l’équation (29). L'équation (31) répète cette expression avec une légère simplification et en ajoutant les résistances à la terre.
(31)
Nous définissons deux résistances équivalentes comme suit:
(32)
INSCRIPTION
Analysez le circuit suivant à l'aide de TINACloud pour déterminer Vande en termes de tensions d'entrée en cliquant sur le lien ci-dessous.
Simulation de circuits estivaux à entrées multiples par TINACloud
Simulation de circuits estivaux à entrées multiples par TINACloud
Nous voyons que la tension de sortie est une combinaison linéaire d’entrées où chaque entrée est divisée par sa résistance associée et multipliée par une autre résistance. La résistance multiplicative est RF pour inverser les entrées et Req pour les entrées non inverseuses.
Le nombre d'inconnues dans ce problème est n + m +3 (c'est-à-dire les valeurs de résistance inconnues). Nous devons donc développer n + m +Équations 3 afin de résoudre ces inconnues. Nous pouvons formuler n + m de ces équations en faisant correspondre les coefficients donnés dans l'équation (30). C'est-à-dire que nous développons simplement le système d'équations à partir d'équations (30), (31) et (32) comme suit:
(33)
Comme nous avons trois autres inconnus, nous avons la possibilité de satisfaire trois autres contraintes. Les contraintes supplémentaires typiques incluent des considérations de résistance d'entrée et des valeurs raisonnables pour les résistances (par exemple, vous ne voudriez pas utiliser une résistance de précision pour R1 égal à 10-4 ohms!).
Bien que cela ne soit pas nécessaire pour une conception utilisant des amplificateurs opérationnels idéaux, nous utiliserons une contrainte de conception qui est importante pour les amplificateurs opérationnels non idéaux. Pour l'ampli-op non-inverseur, la résistance de Thevenin dans le sens inverse de l'entrée inversée est généralement égale à celle qui est observée dans l'entrée non-inversée. Pour la configuration illustrée à la figure (14), cette contrainte peut être exprimée comme suit:
(34)
La dernière égalité résulte de la définition de RA de l'équation (32). En substituant ce résultat à l'équation (31), on obtient la contrainte,
(35)
(36)
En substituant ce résultat à l’équation (33), on obtient le jeu simple d’équations,
(37)
Les combinaisons d'équation (34) et d'équation (37) nous fournissent les informations nécessaires à la conception du circuit. Nous sélectionnons une valeur de RF puis résolvez pour les différentes résistances d’entrée en utilisant l’équation (37). Si les valeurs des résistances ne sont pas dans une plage pratique, nous revenons en arrière et modifions la valeur de la résistance de retour. Une fois que nous avons résolu le problème des résistances d’entrée, nous utilisons ensuite l’équation (34) pour forcer les résistances à être identiques par rapport aux deux entrées de l’ampli-op. Nous sélectionnons les valeurs de Rx et Ry pour forcer cette égalité. Alors que les équations (34) et (37) contiennent les informations essentielles pour la conception, une considération importante est de savoir s'il faut ou non inclure les résistances entre les entrées de l'amplificateur opérationnel et la masse (Rx et Ry). La solution peut nécessiter des itérations pour obtenir des valeurs significatives (vous pouvez exécuter la solution une fois et obtenir des valeurs de résistance négatives). Pour cette raison, nous présentons une procédure numérique qui simplifie la quantité de calculs
L'équation (34) peut être réécrite comme suit:
(38)
En substituant l’équation (37) dans l’équation (38), on obtient,
(39)
Rappelons que notre objectif est de résoudre les valeurs des résistances en termes de Xi et Yj. Définissons les termes de sommation comme suit:
(40)
Nous pouvons alors réécrire l'équation (39) comme suit:
(41)
C'est un point de départ pour notre procédure de conception. Rappeler que Rx et Ry sont les résistances entre la masse et les entrées non inverseuses et inverseuses, respectivement. La résistance de rétroaction est notée RF et un nouveau terme, Z, est défini comme
(42)
Table (1) - Conception d'un amplificateur
Nous pouvons éliminer l’un ou l’autre des résistances, Rx et Ry, du circuit de la figure (14). C'est-à-dire que l'une ou les deux résistances peuvent être réglées à l'infini (c'est-à-dire à circuit ouvert). Cela donne trois possibilités de conception. En fonction des facteurs de multiplication souhaités liant la production à l'entrée, l'un de ces cas donnera la conception appropriée. Les résultats sont résumés dans le tableau (1).
Conception de circuits avec TINA et TINACloud
Plusieurs outils sont disponibles dans TINA et TINACloud pour la conception d’amplificateurs opérationnels et de circuits.
TINALes paramètres de circuit inconnus du mode d'optimisation du mode d'optimisation peuvent être déterminés automatiquement de sorte que le réseau puisse produire une valeur de sortie cible prédéfinie, minimum ou maximum. L'optimisation est utile non seulement dans la conception de circuits, mais dans l'enseignement, pour construire des exemples et des problèmes. Notez que cet outil fonctionne non seulement pour les amplis opérationnels et les circuits linéaires idéaux, mais pour tout circuit non linéaire avec de vrais modèles d'appareils non linéaires et autres.
Considérons le circuit de l'amplificateur inverseur avec un véritable amplificateur opérationnel OPA350.
Par le réglage par défaut de ce circuit, la tension de sortie du circuit est 2.5.
Vous pouvez facilement vérifier cela en appuyant sur le bouton DC de TINACloud.
INSCRIPTION
Analysez le circuit suivant à l'aide du simulateur de circuit en ligne TINACloud pour déterminer Vande en termes de tensions d'entrée en cliquant sur le lien ci-dessous.
OPA350 Simulation de circuit avec TINACloud
OPA350 Simulation de circuit avec TINACloud
Si vous souhaitez préparer ceci, vous devez sélectionner la cible Out = 3V et le paramètre de circuit à déterminer (objet d'optimisation) Vref. Pour cet objet, nous devons également définir une région qui facilite la recherche mais représente également les contraintes.
Pour sélectionner et définir la cible d'optimisation dans TINACloud, cliquez sur Broche tension de vout et définissez la cible d'optimisation sur Oui.
Cliquez ensuite sur le bouton… dans la même ligne et définissez la valeur sur 3.
Appuyez sur OK dans chaque boîte de dialogue pour terminer les réglages.
Maintenant, sélectionnons et définissons l'objet d'optimisation Vref.
Cliquez sur Vref puis sur le bouton… dans la même ligne
Sélectionnez Objet d'optimisation dans la liste en haut et cochez la case Optimisation / Objet.
Appuyez sur OK dans les deux boîtes de dialogue.
Si les paramètres d'optimisation ont réussi, vous verrez un signe >> à la sortie et un signe << à Vref comme indiqué ci-dessous.
Sélectionnez maintenant Optimisation dans le menu Analyse et appuyez sur Exécuter dans la boîte de dialogue Optimisation.
Une fois l’optimisation terminée, la valeur Vref trouvée, la valeur optimale, sera affichée dans la boîte de dialogue Optimisation CC.
Vous pouvez étudier les paramètres, exécuter l'optimisation en ligne et vérifier par simulation de circuit à l'aide du lien ci-dessous.
Lancez Optimisation à partir du menu Analyse, puis appuyez sur le bouton CC pour afficher le résultat dans le circuit optimisé (3V).
Optimisation en ligne et simulation de circuit avec TINACloud
Notez qu’à l’heure actuelle dans TINACloud, seule une optimisation simple du contrôleur de domaine est incluse. Plus de fonctionnalités d'optimisation sont incluses dans la version hors ligne de TINA.
Optimisation AC
En utilisant la version hors ligne de TINA, vous pouvez également optimiser et redéfinir les circuits de courant alternatif.
Ouvrez le circuit passe-bas passe-bas MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, à partir du Exemples \ Dossier Texas Instruments \ Filters_FilterPro de TINA, indiqué ci-dessous.
Exécuter une analyse AC / une caractéristique de transfert AC.
Le diagramme suivant apparaîtra:
Le circuit a un gain unitaire (0dB) et une fréquence de coupure 1.45kHz.
Maintenant, repensons le circuit en utilisant AC Optimization et réglez le gain de basse fréquence sur 6dB et la fréquence de coupure sur 900Hz.
Notes normalement l’outil d’optimisation applicable aux modifications uniquement. En cas de filtres, vous pouvez utiliser plutôt un outil de conception de filtres. Nous traiterons de ce sujet plus tard.
Maintenant, en utilisant l'optimisation, le gain et la fréquence de coupure sont les cibles d'optimisation.
Cliquez sur l'icône "Sélectionner une cible d'optimisation" dans la barre d'outils ou dans le menu Analyse "Sélectionner une cible d'optimisation"
Le curseur se changera en icône: 
. Cliquez sur la broche Vout Voltage avec le nouveau symbole de curseur.
La boîte de dialogue suivante apparaîtra:
Cliquez sur les boutons Fonctions d'objectif AC. La boîte de dialogue suivante apparaîtra:
Cochez la case Low Pass et réglez la fréquence de coupure cible sur 900. Cochez maintenant la case Maximum et définissez la cible sur 6.
Sélectionnez ensuite les paramètres de circuit que vous souhaitez modifier pour atteindre les cibles d'optimisation.
Cliquez 
symbole ou la ligne Sélectionner un objet de contrôle dans le menu Analyse.
Le curseur deviendra le symbole ci-dessus. Cliquez sur le condensateur C1 avec ce nouveau curseur. La boîte de dialogue suivante apparaîtra:
Appuyez sur le bouton de sélection. La boîte de dialogue suivante apparaîtra:
Le programme définit automatiquement une plage (contrainte) dans laquelle la valeur optimale sera recherchée. Valeur finale sur 20n comme indiqué ci-dessus.
Répétez maintenant la même procédure pour R2. Définissez la valeur de fin sur 20k.
Une fois la configuration de l'optimisation terminée, sélectionnez Optimisation / Optimisation CA (Transfert) dans le menu Analyse.
La boîte de dialogue suivante apparaîtra:
Acceptez les paramètres par défaut en appuyant sur OK.
Après un court calcul, l’optimum est trouvé et les paramètres de composant modifiés apparaissent:
Enfin, vérifiez le résultat avec la simulation de circuit exécutant Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Comme indiqué sur le diagramme, les valeurs cibles (gain 6db, fréquence de coupure 900Hz) ont été atteintes.
Utilisation de l'outil Circuit Designer dans TINA et TINACloud
Une autre méthode de méthode de conception de circuits dans TINA et TINAcloud utilise l'outil de conception de circuit intégré appelé simplement Outil de conception.
Outil de conception utilise les équations de conception de votre circuit pour garantir que les entrées spécifiées génèrent la réponse de sortie spécifiée. L'outil nécessite de vous une déclaration d'entrées et de sorties et les relations entre les valeurs des composants. L'outil vous offre un moteur de solution que vous pouvez utiliser pour résoudre de manière répétitive et précise différents scénarios. Les valeurs de composant calculées sont automatiquement définies dans le schéma et vous pouvez vérifier le résultat par simulation.
Concevons l'amplification CA du même circuit à l'aide de notre outil Circuit Designer.
Ouvrez le circuit à partir du dossier Design Tool de TINACloud. L'écran suivant va apparaitre.
Maintenant, exécutons AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Le diagramme suivant apparaîtra:
Maintenant modifions le circuit pour avoir un gain unitaire (0dB)
Invoquer la refonte de ce circuit à partir du menu Outils
La boîte de dialogue suivante apparaîtra.
Définissez Gain sur -1 (0 dB) et appuyez sur le bouton Run.
Les nouvelles valeurs de composant calculées apparaîtront immédiatement dans l'éditeur de schémas, dessinées en rouge.
Appuyez sur le bouton Accepter.
Les modifications seront finalisées. Exécutez à nouveau AC Analysis / AC Transfer Characteristics pour vérifier le circuit redessiné.
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1Cette technique a été conçue par Phil Vrbancic, étudiant à la California State University, à Long Beach, et présentée dans un document soumis au concours de prix IEEE Region VI.