6। Op-amp सर्किट के डिजाइन

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ऑप-एम्प सर्किट का डिजाइन

एक बार ऑप-एम्प सिस्टम का कॉन्फ़िगरेशन दिए जाने के बाद, हम कर सकते हैं विश्लेषण करें इनपुट के संदर्भ में आउटपुट का निर्धारण करने के लिए वह प्रणाली। हम पहले (इस अध्याय में) चर्चा की गई प्रक्रिया का उपयोग करके यह विश्लेषण करते हैं।

यदि आप अब चाहते हैं डिज़ाइन एक सर्किट जो दोनों inverting और गैर-inverting आदानों को जोड़ती है, समस्या अधिक जटिल है। एक डिज़ाइन समस्या में, एक वांछित रेखीय समीकरण दिया जाता है, और ऑप-एम्प सर्किट को डिज़ाइन किया जाना चाहिए। परिचालन एम्पलीफायर गर्मियों के वांछित आउटपुट को इनपुट के रैखिक संयोजन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है,

(30)

जहां X₁, X₂ ...X_n गैर-इनवर्टिंग इनपुट पर वांछित लाभ हैं और Y_a, Y_b ...Y_m inverting आदानों में वांछित लाभ हैं। समीकरण (30) चित्र (14) के सर्किट के साथ लागू किया गया है।

चित्रा 14- कई इनपुट गर्मी

यह सर्किट चित्र (13) के सर्किट का थोड़ा संशोधित संस्करण है (इनवर्टिंग और गैर-इनवर्टिंग इनपुट).

चित्रा 13- इनवर्टिंग और गैर-इनवर्टिंग इनपुट

एकमात्र बदलाव जो हमने किया है, वह op-amp आदानों और जमीन के बीच प्रतिरोधों को शामिल करना है। जमीन को इसी प्रतिरोधक के माध्यम से जुड़े शून्य वोल्ट के अतिरिक्त इनपुट के रूप में देखा जा सकता है (R_y inverting इनपुट के लिए और R_x गैर-इनवर्टिंग इनपुट के लिए)। इन प्रतिरोधों के अलावा हमें समीकरण (30) से परे किसी भी आवश्यकताओं को पूरा करने में लचीलापन प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, इनपुट प्रतिरोध निर्दिष्ट किया जा सकता है। या तो या इन दोनों अतिरिक्त प्रतिरोधों को उनके मूल्यों को अनन्तता में जाने से हटाया जा सकता है।

पिछले खंड से समीकरण (29) से पता चलता है कि प्रतिरोधों के मान, R_a, R_b, ...R_m और R₁, R₂, ...R_n संबंधित इनपुट वोल्टेज के साथ जुड़े वांछित लाभ के विपरीत आनुपातिक हैं। दूसरे शब्दों में, यदि किसी विशेष इनपुट टर्मिनल पर एक बड़ा लाभ वांछित है, तो उस टर्मिनल पर प्रतिरोध छोटा है।

जब परिचालन एम्पलीफायर का खुला लूप लाभ, G, बड़ा है, आउटपुट वोल्टेज समीकरण में परिचालन एम्पलीफायर से जुड़े प्रतिरोधों (29) के रूप में लिखा जा सकता है। समीकरण (31) इस अभिव्यक्ति को मामूली सरलीकरण के साथ और प्रतिरोधों को जमीन पर जोड़ने के साथ दोहराता है।

(31)

हम इस प्रकार दो समतुल्य प्रतिरोधों को परिभाषित करते हैं:

(32)

आवेदन

V निर्धारित करने के लिए TINACloud का उपयोग करते हुए निम्नलिखित सर्किट का विश्लेषण करें_आउट नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके इनपुट वोल्टेज के संदर्भ में।

TINACloud द्वारा एकाधिक इनपुट समर सर्किट सिमुलेशन

TINACloud द्वारा एकाधिक इनपुट समर सर्किट सिमुलेशन

हम देखते हैं कि आउटपुट वोल्टेज इनपुट का एक रैखिक संयोजन है जहां प्रत्येक इनपुट को उसके संबंधित प्रतिरोध से विभाजित किया जाता है और दूसरे प्रतिरोध से गुणा किया जाता है। गुणा प्रतिरोध है R_F इनवर्टिंग इनपुट के लिए और R_eq गैर-इनवर्टिंग इनपुट के लिए।

इस समस्या में अज्ञात की संख्या है n + m +3 (अर्थात अज्ञात अवरोधक मान)। इसलिए हमें विकास करने की आवश्यकता है n + m +इन अज्ञात को हल करने के लिए 3 समीकरण। हम तैयार कर सकते हैं n + m इन समीकरणों को समीकरण (30) में दिए गए गुणांक से मिलान करके। अर्थात्, हम केवल समीकरणों (30), (31) और (32) से समीकरणों की प्रणाली को इस प्रकार विकसित करते हैं:

(33)

चूंकि हमारे पास तीन और अज्ञात हैं, इसलिए हमारे पास तीन और बाधाओं को पूरा करने की क्षमता है। विशिष्ट अतिरिक्त बाधाओं में इनपुट प्रतिरोध विचार शामिल हैं और प्रतिरोधों के लिए उचित मूल्य हैं (उदाहरण के लिए, आप के लिए एक सटीक रोकनेवाला का उपयोग करना नहीं चाहेंगे R₁ 10 के बराबर^-4 ओम!)।

हालांकि आदर्श ऑप-एम्प्स का उपयोग करने के लिए डिजाइन की आवश्यकता नहीं है, हम एक डिजाइन बाधा का उपयोग करेंगे जो गैर-आदर्श ऑप-एम्प्स के लिए महत्वपूर्ण है। नॉन-इनवर्टिंग ऑप-एम्प के लिए, इनवेंटिंग इनपुट से पीछे मुड़ने वाले थेविन प्रतिरोध को आमतौर पर नॉन-इनवर्टिंग इनपुट से वापस देखने के बराबर बनाया जाता है। चित्र (14) में दिखाए गए कॉन्फ़िगरेशन के लिए, यह बाधा इस प्रकार व्यक्त की जा सकती है:

(34)

की परिभाषा से अंतिम समानता परिणाम है R_A समीकरण (32) से। इस परिणाम को समीकरण (31) में बदलने से अवरोध पैदा होता है,

(35)

(36)

इस परिणाम को समीकरण (33) में बदलने से समीकरणों का सरल सेट निकलता है,

(37)

समीकरण (34) और समीकरण (37) के संयोजन हमें सर्किट डिजाइन करने के लिए आवश्यक जानकारी देते हैं। हम एक मान का चयन करते हैं R_F और फिर समीकरण (37) का उपयोग करके विभिन्न इनपुट प्रतिरोधों के लिए हल करें। यदि प्रतिरोधों का मान व्यावहारिक सीमा में नहीं है, तो हम वापस जाते हैं और प्रतिक्रिया रोकनेवाला के मूल्य को बदलते हैं। एक बार जब हम इनपुट रेसिस्टर्स के लिए हल कर लेते हैं, तो हम प्रतिरोध (34) का उपयोग करके प्रतिरोधों को दो ऑप-एम्प इनपुट्स से बराबर दिखने के लिए मजबूर करते हैं। हम मूल्यों का चयन करते हैं R_x और R_y इस समानता को मजबूर करने के लिए। जबकि समीकरण (34) और (37) में डिजाइन के लिए आवश्यक जानकारी होती है, एक महत्वपूर्ण विचार यह है कि ऑप-एम्प इनपुट्स और ग्राउंड के बीच प्रतिरोधों को शामिल करना है या नहीं (R_x और R_y)। समाधान को सार्थक मान प्राप्त करने के लिए पुनरावृत्तियों की आवश्यकता हो सकती है (अर्थात आप एक बार समाधान कर सकते हैं और नकारात्मक प्रतिरोध मानों के साथ आ सकते हैं)। इस कारण से, हम एक संख्यात्मक प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं जो गणना की मात्रा को सरल करता है^[1]

समीकरण (34) को इस प्रकार फिर से लिखा जा सकता है:

(38)

समीकरण समीकरण (37) को समीकरण (38) में हम प्राप्त करते हैं,

(39)

याद रखें कि हमारा लक्ष्य प्रतिरोधों के मूल्यों के संदर्भ में हल करना है X_i और Y_j. आइए हम संक्षेप शब्दों को परिभाषित करते हैं:

(40)

इसके बाद हम समीकरण (39) को फिर से लिख सकते हैं:

(41)

यह हमारी डिजाइन प्रक्रिया के लिए एक प्रारंभिक बिंदु है। याद करें कि R_x और R_y क्रमशः जमीन और गैर-inverting और inverting आदानों के बीच प्रतिरोधक हैं। प्रतिक्रिया अवरोधक को निरूपित किया जाता है R_F और एक नया शब्द, Z, की तरह परिभाषित किया गया है

(42)

तालिका (1) -सुंपली एम्पलीफायर डिज़ाइन

हम या तो या दोनों प्रतिरोधों को समाप्त कर सकते हैं, R_x और R_y, चित्रा (14) के सर्किट से। यही है, या तो या इन दोनों प्रतिरोधों को अनंत (यानी, खुले-सर्कुलेटेड) में सेट किया जा सकता है। इससे तीन डिजाइन संभावनाएं मिलती हैं। इनपुट से आउटपुट से संबंधित वांछित गुणन कारकों के आधार पर, इन मामलों में से एक उपयुक्त डिजाइन प्राप्त करेगा। परिणाम तालिका (1) में संक्षेपित हैं। 

टीना और टिनक्लाउड के साथ सर्किट डिजाइन

परिचालन एम्पलीफायर और सर्किट डिज़ाइन के लिए टीना और टिनक्लाउड में कई उपकरण उपलब्ध हैं।

इष्टतमीकरण

टीनाऑप्टिमाइज़ेशन मोड अज्ञात सर्किट मापदंडों को स्वचालित रूप से निर्धारित किया जा सकता है ताकि नेटवर्क एक पूर्वनिर्धारित लक्ष्य उत्पादन मूल्य, न्यूनतम या अधिकतम उत्पादन कर सके। अनुकूलन न केवल सर्किट डिजाइन में, बल्कि शिक्षण में, उदाहरण और समस्याओं के निर्माण के लिए उपयोगी है। ध्यान दें कि यह उपकरण न केवल आदर्श ऑप-एम्प्स और रैखिक सर्किट के लिए काम करता है, बल्कि वास्तविक नॉनलाइनियर और अन्य डिवाइस मॉडल के साथ किसी भी नॉनलाइनियर सर्किट के लिए।

वास्तविक परिचालन एम्पलीफायर OPA350 के साथ इन्वर्टिंग एम्पलीफायर सर्किट पर विचार करें।

इस सर्किट की डिफ़ॉल्ट सेटिंग से सर्किट का आउटपुट वोल्टेज 2.5 है

आप TINACloud में DC बटन दबाकर इसे आसानी से देख सकते हैं।

आवेदन

V निर्धारित करने के लिए TINACloud ऑनलाइन सर्किट सिम्युलेटर का उपयोग करके निम्नलिखित सर्किट का विश्लेषण करें_आउट नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके इनपुट वोल्टेज के संदर्भ में।

TINACloud के साथ OPA350 सर्किट सिमुलेशन

TINACloud के साथ OPA350 सर्किट सिमुलेशन

यदि इसे तैयार करने के लिए हमें निर्धारित किया जाना चाहिए लक्ष्य = एक्सएनयूएमएक्सवी और सर्किट पैरामीटर निर्धारित किया जाना चाहिए (ऑप्टिमाइज़ेशन ऑब्जेक्ट) Vref। इस ऑब्जेक्ट के लिए हमें एक ऐसे क्षेत्र को भी परिभाषित करना चाहिए जो खोज में मदद करता है लेकिन बाधाओं का भी प्रतिनिधित्व करता है।

TINACloud में ऑप्टिमाइज़ेशन लक्ष्य को चुनने और सेट करने के लिए, Vout Voltage pin पर क्लिक करें और ऑप्टिमाइज़ेशन लक्ष्य को Yes पर सेट करें

अगला ... एक ही पंक्ति में बटन पर क्लिक करें और 3 पर मान सेट करें।

सेटिंग्स को पूरा करने के लिए प्रत्येक संवाद में ओके दबाएं।

अब चलो Vref ऑप्टिमाइज़ेशन ऑब्जेक्ट चुनें और सेट करें।

उसी लाइन में फिर Vref… बटन पर क्लिक करें

वह शीर्ष पर सूची में ऑप्टिमाइज़ेशन ऑब्जेक्ट चुनें और ऑप्टिमाइज़ेशन / ऑब्जेक्ट चेकबॉक्स सेट करें।

दोनों संवादों में ओके दबाएं।

यदि ऑप्टिमाइज़ेशन सेटिंग्स सफलतापूर्वक हो गईं तो आपको नीचे दिखाए गए रूप में >> पर एक साइन इन और आउट पर एक << साइन दिखाई देगा।

अब विश्लेषण मेनू से ऑप्टिमाइज़ेशन चुनें और ऑप्टिमाइज़ेशन डायलॉग बॉक्स में RUN दबाएँ।

ऑप्टिमाइज़ेशन को पूरा करने के बाद, Vref, इष्टतम मान, DC ऑप्टिमाइज़ेशन डायलॉग में दिखाया जाएगा

आप सेटिंग्स का अध्ययन कर सकते हैं और अनुकूलन ऑनलाइन चला सकते हैं और नीचे दिए गए लिंक का उपयोग करके सर्किट सिमुलेशन द्वारा जांच कर सकते हैं।
विश्लेषण मेनू से ऑप्टिमाइज़ेशन चलाएँ, फिर DC बटन दबाएँ ताकि ऑप्टिमाइज़ सर्किट (3V) में परिणाम देखें

TINACloud के साथ ऑनलाइन अनुकूलन और सर्किट सिमुलेशन

ध्यान दें कि TINACloud में इस समय केवल एक साधारण डीसी अनुकूलन शामिल है। टीना के ऑफ़लाइन संस्करण में अधिक अनुकूलन सुविधाएँ शामिल हैं।

एसी अनुकूलन

टीना के ऑफ़लाइन संस्करण का उपयोग करके आप एसी सर्किट को भी अनुकूलित और फिर से डिज़ाइन कर सकते हैं।

MFB 2nd ऑर्डर Chebyshev LPF.TSC को लो-पास सर्किट से खोलें टीना के उदाहरण \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro फ़ोल्डर, नीचे दिखाया गया है।

एसी विश्लेषण / एसी ट्रांसफर कैरेक्टरिस्टिक चलाएं।

निम्नलिखित आरेख दिखाई देगा:

सर्किट में एकता (0dB) लाभ और 1.45kHz कटऑफ आवृत्ति है।

अब एसी ऑप्टिमाइज़ेशन का उपयोग करके सर्किट को फिर से डिज़ाइन करें और 6dB के लिए कम आवृत्ति लाभ और 900Hz के लिए कटऑफ़ आवृत्ति सेट करें।

नोट आम तौर पर केवल परिवर्तनों के लिए लागू अनुकूलन उपकरण। फ़िल्टर के मामले में आप फ़िल्टर डिज़ाइन टूल के बजाय उपयोग करना चाह सकते हैं। हम बाद में उस विषय से निपटेंगे।

अब अनुकूलन का उपयोग कर लाभ और कटऑफ आवृत्ति अनुकूलन लक्ष्य हैं।

टूलबार या विश्लेषण मेनू पर "ऑप्टिमाइज़ेशन टारगेट टारगेट" आइकन पर क्लिक करें "ऑप्टिमाइज़ेशन टारगेट चुनें"

कर्सर आइकन में बदल जाएगा: । नए कर्सर प्रतीक के साथ वाउट वोल्ट पिन पर क्लिक करें।

निम्नलिखित संवाद दिखाई देगा:

AC लक्ष्य फ़ंक्शंस बटन पर क्लिक करें। निम्नलिखित संवाद दिखाई देगा:

लो पास चेकबॉक्स को चेक करें और टारगेट कट-ऑफ फ्रीक्वेंसी को सेट करें 900। अब अधिकतम चेकबॉक्स जांचें और लक्ष्य को निर्धारित करें 6.

अगला सर्किट मापदंडों का चयन करें जिन्हें आप ऑप्टिमाइज़ेशन लक्ष्यों तक पहुंचने के लिए बदलना चाहते हैं।

दबाएं   विश्लेषण मेनू पर नियंत्रण वस्तु का चयन करें।

ऊपर दिए गए सिंबल में कर्सर बदल जाएगा। इस नए कर्सर के साथ C1 कैपेसिटर पर क्लिक करें। निम्नलिखित संवाद दिखाई देगा:

सेलेक्ट बटन को दबाएँ। निम्नलिखित संवाद दिखाई देगा:

कार्यक्रम स्वचालित रूप से एक सीमा (बाधा) निर्धारित करता है जहां इष्टतम मूल्य खोजा जाएगा। जैसा कि ऊपर दिखाया गया है 20n का अंतिम मूल्य।

अब R2 के लिए एक ही प्रक्रिया दोहराएं। अंतिम मान को 20k पर सेट करें।

ऑप्टिमाइज़ेशन सेटअप को समाप्त करने के बाद, विश्लेषण मेनू से ऑप्टिमाइज़ेशन / एसी ऑप्टिमाइज़ेशन (ट्रांसफ़र) चुनें।

निम्नलिखित संवाद दिखाई देगा:

OK दबाकर डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स को स्वीकार करें।

एक छोटी गणना के बाद इष्टतम पाया जाता है और परिवर्तित घटक पैरामीटर दिखाई देते हैं:

अंत में रन एसी एनालिसिस / एसी ट्रांसफर कैरेक्टरिस्टिक रनिंग सर्किट सिमुलेशन के साथ परिणाम देखें।

जैसा कि आरेख पर लक्षित मान (Gain 6db, कट-ऑफ आवृत्ति 900Hz) को दिखाया गया है।

टीना और टिनक्लाउड में सर्किट डिजाइनर उपकरण का उपयोग करना

टीना और टीनाक्लाउड में सर्किट डिजाइन करने की विधि का एक और तरीका है, सर्किट डिजाइनर उपकरण का उपयोग करना जिसे केवल डिजाइन टूल कहा जाता है।

डिज़ाइन टूल आपके सर्किट के डिज़ाइन समीकरणों के साथ काम करता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि निर्दिष्ट इनपुट के परिणामस्वरूप निर्दिष्ट आउटपुट प्रतिक्रिया हो। उपकरण को आपके लिए इनपुट और आउटपुट के विवरण और घटक मूल्यों के बीच संबंधों की आवश्यकता होती है। उपकरण आपको एक समाधान इंजन प्रदान करता है जिसका उपयोग आप विभिन्न परिदृश्यों के लिए दोहराव और सटीकता से हल करने के लिए कर सकते हैं। गणना किए गए घटक मूल्यों को योजनाबद्ध में स्वचालित रूप से सेट किया गया है और आप सिमुलेशन द्वारा परिणाम की जांच कर सकते हैं।

आइए हमारे सर्किट डिजाइनर टूल का उपयोग करके उसी सर्किट के एसी प्रवर्धन को डिज़ाइन करें।

TINACloud के डिज़ाइन टूल फ़ोल्डर से सर्किट खोलें। निम्न स्क्रीन प्रदर्शित होगी।

अब चलिए AC एनालिसिस / AC Transfer Characteristic चलाते हैं।

निम्नलिखित आरेख दिखाई देगा:

अब एकता को प्राप्त करने के लिए सर्किट को फिर से डिज़ाइन करें (0dB)

इस सर्किट को टूल मेनू से रिडिजाइन करें

निम्नलिखित संवाद दिखाई देगा।

GX to -1 (0 dB) सेट करें और रन बटन दबाएं।

गणना किए गए नए घटक मान तुरंत लाल रंग में खींचे गए योजनाबद्ध संपादक में दिखाई देंगे।

स्वीकार करें बटन दबाएं।

बदलावों को अंतिम रूप दिया जाएगा। पुन: डिज़ाइन किए गए सर्किट की जांच करने के लिए एसी विश्लेषण / एसी ट्रांसफर विशेषताओं को फिर से चलाएँ।

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¹यह तकनीक कैलिफ़ोर्निया स्टेट यूनिवर्सिटी, लांग बीच में एक छात्र फिल वर्बैंसिक द्वारा तैयार की गई थी, और आईईईई क्षेत्र VI पुरस्कार पेपर प्रतियोगिता के लिए प्रस्तुत एक पेपर में प्रस्तुत की गई थी।

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