5। व्यावहारिक Op-amps
व्यावहारिक Op-amps
व्यावहारिक Op-amps उनके लगभग हैं आदर्श समकक्षों लेकिन कुछ महत्वपूर्ण मामलों में भिन्न हैं। सर्किट डिज़ाइनर के लिए वास्तविक op-amps और आदर्श op-amps के बीच के अंतर को समझना महत्वपूर्ण है, क्योंकि ये अंतर सर्किट प्रदर्शन को प्रतिकूल रूप से प्रभावित कर सकते हैं।
हमारा लक्ष्य व्यावहारिक ऑप-एम्प का एक विस्तृत मॉडल विकसित करना है - एक ऐसा मॉडल जो गैर-आदर्श डिवाइस की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं को ध्यान में रखता है। हम व्यावहारिक ऑप-एम्प्स का वर्णन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मापदंडों को परिभाषित करके शुरू करते हैं। ये पैरामीटर op-amp निर्माता द्वारा आपूर्ति की गई डेटा शीट पर लिस्टिंग में निर्दिष्ट हैं।
तालिका 1 तीन विशेष op-amps के लिए पैरामीटर मान को सूचीबद्ध करता है, तीन में से एक μA741 है। हम कई कारणों से कई उदाहरणों और अंत के अध्याय समस्याओं में μA741 परिचालन एम्पलीफायरों का उपयोग करते हैं: (1) वे कई आईसी निर्माताओं द्वारा गढ़े गए हैं, (2) वे इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में बड़ी मात्रा में पाए जाते हैं, और ( 3) वे सामान्य-उद्देश्य वाले आंतरिक रूप से मुआवजे वाले ऑप-एम्प्स हैं, और उनके गुणों का उपयोग अन्य ओप-amp प्रकारों से निपटने के दौरान तुलनात्मक उद्देश्यों के लिए एक संदर्भ के रूप में किया जा सकता है। जैसा कि विभिन्न मापदंडों को निम्न खंडों में परिभाषित किया गया है, संदर्भ को सामान्य मूल्यों को खोजने के लिए तालिका 9.1 के लिए बनाया जाना चाहिए।
आदर्श और वास्तविक op-amps के बीच सबसे महत्वपूर्ण अंतर वोल्टेज लाभ में है। आदर्श ऑप-एम्प में एक वोल्टेज लाभ होता है जो अनंत तक पहुंचता है। वास्तविक op-amp में एक परिमित वोल्टेज लाभ होता है जो आवृत्ति बढ़ने पर घटता है (हम अगले अध्याय में इस पर विस्तार से पता लगाते हैं)।
5.1 ओपन-लूप वोल्टेज लाभ (G)
एक सेशन-एम्पी का ओपन-लूप वोल्टेज लाभ आउटपुट वोल्टेज में परिवर्तन का अनुपात है, बिना प्रतिक्रिया के इनपुट वोल्टेज में बदलाव। वोल्टेज लाभ एक आयामहीन मात्रा है। प्रतीक जी का उपयोग ओपन-लूप वोल्टेज लाभ को इंगित करने के लिए किया जाता है। Op-amps में लो-फ्रीक्वेंसी इनपुट के लिए हाई वोल्टेज गेन होता है। सेशन-एम्पी स्पेसिफिकेशन वोल्ट में वोल्टेज लाभ को प्रति मिलीवोल्ट या डेसिबल (डीबी) में सूचीबद्ध करता है [XNNXlog के रूप में परिभाषित किया गया है10(vआउट/vin)]।
5.2 संशोधित Op-amp मॉडल
चित्रा 14 आदर्शित op-amp मॉडल का एक संशोधित संस्करण दिखाता है। हमने इनपुट प्रतिरोध को जोड़कर आदर्श मॉडल को बदल दिया है (Ri), आउटपुट प्रतिरोध (Ro), और आम-मोड प्रतिरोध (Rcm).
इन मापदंडों के विशिष्ट मूल्य (741 op-amp के लिए) हैं
अब हम op-amp प्रदर्शन की जांच करने के लिए चित्रा 15 के सर्किट पर विचार करते हैं। ऑप-एम्प के इनवर्टिंग और गैर-इनवर्टिंग इनपुट श्रृंखला प्रतिरोध वाले स्रोतों द्वारा संचालित होते हैं। Op-amp का आउटपुट एक रोकनेवाला के माध्यम से इनपुट को वापस खिलाया जाता है, RF.
दो आदानों को चलाने वाले स्रोतों को निरूपित किया जाता है vA और v1, और संबंधित श्रृंखला प्रतिरोध हैं RA और R1। यदि इनपुट सर्किटरी अधिक जटिल है, तो इन प्रतिरोधों को उस सर्किटरी के थेवेनिन समकक्ष के रूप में माना जा सकता है।
5.3 इनपुट ऑफसेट वोल्टेज (वीio)
जब एक आदर्श ऑप-एम्प में इनपुट वोल्टेज शून्य होता है, तो आउटपुट वोल्टेज भी शून्य होता है। यह वास्तविक ऑप-एम्प के लिए सही नहीं है। निवेश समायोजन विद्युत संचालन शक्ति, Vio, को आउटपुट वोल्टेज को शून्य के बराबर बनाने के लिए आवश्यक अंतर इनपुट वोल्टेज के रूप में परिभाषित किया गया है। Vio आदर्श ऑप-एम्प के लिए शून्य है। का एक विशिष्ट मूल्य Vio 741 op-amp के लिए 2 mV है। का एक गैर-शून्य मान Vio अवांछनीय है क्योंकि op-amp किसी भी इनपुट ऑफसेट को बढ़ाता है, इस प्रकार एक बड़ा उत्पादन होता है dc त्रुटि।
इनपुट ऑफसेट वोल्टेज को मापने के लिए निम्न तकनीक का उपयोग किया जा सकता है। आउटपुट को शून्य करने के लिए इनपुट वोल्टेज में भिन्नता के बजाय, इनपुट को शून्य के बराबर सेट किया जाता है, जैसा कि चित्र 16 में दिखाया गया है, और आउटपुट वोल्टेज मापा जाता है।
शून्य इनपुट वोल्टेज से उत्पन्न आउटपुट वोल्टेज को किस नाम से जाना जाता है आउटपुट डीसी ऑफसेट वोल्टेज। इनपुट ऑफसेट वोल्टेज को ऑप-एम्प के ओपन-लूप गेन द्वारा इस मात्रा को विभाजित करके प्राप्त किया जाता है।
इनपुट ऑफसेट वोल्टेज के प्रभावों को ऑप-एम्प मॉडल में शामिल किया जा सकता है जैसा कि चित्रा एक्सएनयूएमएक्स में दिखाया गया है।
इनपुट ऑफ़सेट वोल्टेज को शामिल करने के अलावा, आदर्श op-amp मॉडल को चार प्रतिरोधों के अलावा के साथ संशोधित किया गया है। Ro विश्व का सबसे लोकप्रिय एंव आउटपुट प्रतिरोध। इनपुट प्रतिरोध ऑप-एम्प का, Ri, inverting और गैर-inverting टर्मिनलों के बीच मापा जाता है। मॉडल में दो इनपुटों में से प्रत्येक को जमीन से जोड़ने वाला एक रोकनेवाला भी होता है।
ये हैं आम मोड प्रतिरोध, और प्रत्येक 2 के बराबर हैRcm। यदि इनपुट 16 के रूप में एक साथ जुड़े हुए हैं, तो ये दो प्रतिरोध समानांतर में हैं, और संयुक्त Thevenin प्रतिरोध जमीन के लिए है Rcm। यदि op-amp आदर्श है, Ri और Rcm दृष्टिकोण अनंत (यानी, खुला सर्किट) और Ro शून्य है (यानी, शॉर्ट सर्किट)।
चित्रा 18 (ए) में दिखाए गए बाहरी कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग ऑफसेट वोल्टेज के प्रभावों को नकारने के लिए किया जा सकता है। एक चर वोल्टेज inverting इनपुट टर्मिनल पर लागू किया जाता है। इस वोल्टेज का उचित विकल्प इनपुट ऑफसेट को रद्द कर देता है। इसी तरह, चित्रा 18 (बी) गैर-इनवर्टिंग इनपुट पर लागू इस संतुलन सर्किट को दिखाता है।
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आप नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके TINACloud सर्किट सिम्युलेटर के साथ सिमुलेशन द्वारा 18 (ए) सर्किट के इनपुट ऑफसेट वोल्टेज वोल्टेज का परीक्षण कर सकते हैं।
TINACloud के साथ इनपुट ऑफसेट वोल्टेज बैलेंसिंग सर्किट सिमुलेशन (ए)
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आप नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके TINACloud सर्किट सिम्युलेटर के साथ सिमुलेशन द्वारा 18 (b) सर्किट के इनपुट ऑफसेट बैलेंसिंग का परीक्षण कर सकते हैं:
TINACloud के साथ इनपुट ऑफसेट बैलेंसिंग सर्किट सिमुलेशन (b)
5.4 इनपुट बायस करंट (I)पूर्वाग्रह)
यद्यपि आदर्श ऑप-एम्प इनपुट्स कोई करंट नहीं खींचते हैं, वास्तविक ऑप-एम्प्स कुछ बायस करंट को प्रत्येक इनपुट टर्मिनल में प्रवेश करने की अनुमति देते हैं। Iपूर्वाग्रह विश्व का सबसे लोकप्रिय एंव dc इनपुट ट्रांजिस्टर में करंट, और एक विशिष्ट मूल्य 2 μA है। जब स्रोत प्रतिबाधा कम है, Iपूर्वाग्रह थोड़ा प्रभाव पड़ता है, क्योंकि यह इनपुट वोल्टेज में अपेक्षाकृत छोटे बदलाव का कारण बनता है। हालांकि, उच्च प्रतिबाधा ड्राइविंग सर्किट के साथ, एक छोटा वर्तमान एक बड़े वोल्टेज को जन्म दे सकता है।
पूर्वाग्रह वर्तमान को दो वर्तमान सिंक के रूप में चित्रित किया जा सकता है, जैसा कि चित्रा एक्सएनयूएमएक्स में दिखाया गया है।
इन सिंक के मूल्य स्रोत प्रतिबाधा से स्वतंत्र हैं। बायस करंट को दो वर्तमान सिंक के औसत मूल्य के रूप में परिभाषित किया गया है। इस प्रकार
दो सिंक मूल्यों के बीच के अंतर को कहा जाता है इनपुट ऑफसेट वर्तमान, Iio, और द्वारा दिया जाता है
दोनों इनपुट-पूर्वाग्रह करंट और इनपुट ऑफसेट करंट तापमान निर्भर हैं। इनपुट पूर्वाग्रह वर्तमान तापमान गुणांक तापमान में परिवर्तन के लिए पूर्वाग्रह वर्तमान में परिवर्तन के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। एक विशिष्ट मूल्य 10 nA / हैoसी इनपुट ऑफसेट वर्तमान तापमान गुणांक तापमान में परिवर्तन के लिए ऑफसेट वर्तमान की परिमाण में परिवर्तन के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। एक विशिष्ट मान है -2nA /oC.
इनपुट पूर्वाग्रह धाराओं को चित्रा एक्सएनयूएमएक्स के ऑप-एम्प मॉडल में शामिल किया गया है, जहां हम मानते हैं कि इनपुट ऑफसेट वर्तमान नगण्य है।
यही कारण है,
इनपुट बायस धाराओं के कारण आउटपुट वोल्टेज का पता लगाने के लिए हम इस मॉडल का विश्लेषण करते हैं।
चित्रा 21 (ए) एक ऑप-एम्प सर्किट को दर्शाता है जहां प्रतिरोध और गैर-इनवर्टिंग इनपुट को प्रतिरोध के साथ जमीन से जोड़ा जाता है।
सर्किट को चित्रा 21 (बी) में इसके समकक्ष से बदल दिया गया है, जहां हमने उपेक्षा की है Vio। हम आगे चित्र 21 (c) में सर्किट की उपेक्षा करके सरल करते हैं Ro और Rभार। यानी हम मान लेते हैं RF >> Ro और Rभार >> Ro। आउटपुट लोडिंग आवश्यकताएं आमतौर पर सुनिश्चित करती हैं कि ये असमानताएं पूरी होती हैं।
चित्रा 21 (d) में सर्किट को और सरल बनाया गया है, जहां निर्भर वोल्टेज स्रोत और रोकनेवाला की श्रृंखला संयोजन को एक निर्भर वर्तमान स्रोत और रोकनेवाला के समानांतर संयोजन से बदल दिया जाता है।
अंत में, हम प्रतिरोधों को जोड़ते हैं और चित्रा 21 (ई) के सरलीकृत समकक्ष प्राप्त करने के लिए दोनों वर्तमान स्रोतों को वोल्टेज स्रोतों में बदलते हैं।
हम आउटपुट वोल्टेज को खोजने के लिए एक लूप समीकरण का उपयोग करते हैं।
जहां
सामान्य-मोड प्रतिरोध, Rcm, सबसे अधिक op-amps के लिए कई सौ megohms की सीमा में है। इसलिये
अगर हम ऐसा मान लेते हैं Go बड़ा है, समीकरण (43) समीकरण बन जाता है।
ध्यान दें कि यदि का मूल्य R1 के बराबर होने के लिए चुना जाता है, फिर आउटपुट वोल्टेज शून्य होता है। हम इस विश्लेषण से निष्कर्ष निकालते हैं कि विश्लेषण dc से प्रतिरोध V+ जमीन के बराबर होना चाहिए dc से प्रतिरोध V- जमीन की। हम इसका उपयोग करते हैं पूर्वाग्रह संतुलन हमारे डिजाइनों में कई बार बाधा। यह महत्वपूर्ण है कि inverting और non-inverting दोनों टर्मिनलों में a dc इनपुट बायस करंट के प्रभावों को कम करने के लिए जमीन का रास्ता।
उदाहरण 1
जहां चित्रा 22 के विन्यास के लिए आउटपुट वोल्टेज का पता लगाएं IB = 80 एनए = 8 10-8 A.
उपाय: हम चित्रा 46 (a) के सर्किट के आउटपुट वोल्टेज को खोजने के लिए समीकरण (22) के सरलीकृत रूप का उपयोग करते हैं।
चित्रा 22 (बी) के सर्किट के लिए, हम प्राप्त करते हैं
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इसके अलावा, आप TINACloud सर्किट सिम्युलेटर के साथ इन गणनाओं को अंजाम दे सकते हैं, नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके इसके इंटरप्रेटर टूल का उपयोग कर सकते हैं।
TINACloud के साथ इनपुट बायस करंट मॉडलिंग सर्किट सिमुलेशन
5.5 सामान्य-मोड अस्वीकृति
आमतौर पर op-amp का उपयोग दो इनपुट वोल्टेज के बीच अंतर को बढ़ाने के लिए किया जाता है। इसलिए यह में संचालित होता है अंतर मोड। इन दो इनपुटों में से प्रत्येक में जोड़ा गया एक निरंतर वोल्टेज अंतर को प्रभावित नहीं करना चाहिए और इसलिए इसे आउटपुट में स्थानांतरित नहीं किया जाना चाहिए। व्यावहारिक मामले में, इनपुट का यह स्थिर, या औसत मूल्य कर देता है आउटपुट वोल्टेज को प्रभावित करें। यदि हम केवल दो इनपुट के बराबर भागों पर विचार करते हैं, तो हम विचार कर रहे हैं कि क्या कहा जाता है सामान्य मोड.
आइए हम मान लें कि एक वास्तविक ऑप-एम्प के दो इनपुट टर्मिनलों को एक साथ और फिर एक आम स्रोत वोल्टेज से जोड़ा जाता है। यह चित्र 23 में चित्रित किया गया है। आदर्श मामले में आउटपुट वोल्टेज शून्य होगा। व्यावहारिक मामले में, यह आउटपुट गैर-शून्य है। लागू इनपुट वोल्टेज के लिए गैर-शून्य आउटपुट वोल्टेज का अनुपात है आम मोड वोल्टेज लाभ, Gcm। सामान्य मोड अस्वीकृति अनुपात (CMRR) के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है dc खुला-पाश लाभ, Go, आम मोड हासिल करने के लिए। इस प्रकार,
CMRR के विशिष्ट मूल्य 80 से 100 dB तक हैं। जितना संभव हो उतना सीएमआरआर होना वांछनीय है।
5.6 बिजली की आपूर्ति अस्वीकृति अनुपात
बिजली आपूर्ति अस्वीकृति अनुपात, बिजली आपूर्ति वोल्टेज में परिवर्तन की अनदेखी करने के लिए ऑप-एम्प की क्षमता का एक उपाय है। यदि किसी सिस्टम का आउटपुट स्टेज करंट की वेरिएबल राशि खींचता है, तो सप्लाई वोल्टेज अलग-अलग हो सकता है। आपूर्ति वोल्टेज में यह लोड-प्रेरित परिवर्तन तब उसी आपूर्ति को साझा करने वाले अन्य एम्पलीफायरों के संचालन में परिवर्तन का कारण बन सकता है। इस रूप में जाना जाता है पार बात, और यह अस्थिरता को जन्म दे सकता है।
RSI बिजली की आपूर्ति अस्वीकृति अनुपात (PSRR) के परिवर्तन का अनुपात है vआउट बिजली की आपूर्ति वोल्टेज में कुल परिवर्तन के लिए। उदाहरण के लिए, यदि सकारात्मक और नकारात्मक आपूर्ति to 5 V से the 5.5 V तक भिन्न होती है, तो कुल परिवर्तन 11 - 10 = 1 V है। PSRR आमतौर पर प्रति वोल्ट microvolts में या कभी-कभी डेसीबल में निर्दिष्ट किया जाता है। विशिष्ट ऑप-एम्प में लगभग 30 μV / V का PSRR होता है।
आपूर्ति वोल्टेज में परिवर्तन को कम करने के लिए, ऑप-एम्प्स के प्रत्येक समूह के लिए बिजली की आपूर्ति होनी चाहिए decoupled (यानी, अलग-थलग) अन्य समूहों के उन लोगों से। यह op-amps के एकल समूह के संपर्क को परिभाषित करता है। व्यवहार में, प्रत्येक मुद्रित सर्किट कार्ड में एक 0.1-μF सिरेमिक या 1-μF टैंटलम संधारित्र के माध्यम से जमीन पर बाईपास की गई आपूर्ति लाइनें होनी चाहिए। यह सुनिश्चित करता है कि लोड विविधताएं अन्य कार्डों को आपूर्ति के माध्यम से महत्वपूर्ण रूप से फ़ीड नहीं करेंगी।
5.7 उत्पादन प्रतिरोध
आउटपुट प्रतिरोध को निर्धारित करने में पहले कदम के रूप में, Rआउट, हम चित्र XNXX में धराशायी लाइनों में संलग्न बॉक्स में दिखाए गए ऑप-एम्प सर्किट के हिस्से के लिए थेवेन को बराबर पाते हैं। ध्यान दें कि हम इस विश्लेषण में ऑफसेट वर्तमान और वोल्टेज की अनदेखी कर रहे हैं।
चूंकि सर्किट में कोई स्वतंत्र स्रोत नहीं है, इसलिए थेवेनिन समकक्ष वोल्टेज शून्य है, इसलिए सर्किट एक एकल रोकनेवाला के बराबर है। रोकनेवाला संयोजनों का उपयोग करके रोकनेवाला का मान नहीं पाया जा सकता है। समकक्ष प्रतिरोध को खोजने के लिए, मान लें कि वोल्टेज स्रोत, v, आउटपुट लीड पर लागू होता है। हम तब परिणामी करंट की गणना करते हैं, i, और अनुपात ले लो v/i। यह थेवेनिन प्रतिरोध का उत्पादन करता है।
चित्रा 25 (ए) लागू वोल्टेज स्रोत को दिखाता है। चित्रा 25 (b) में दिखाए गए सर्किट को सरल बनाया गया है।
सर्किट को चित्र 25 (c) में दिखाया गया है, जिसे हम निम्न दो नए प्रतिरोधों के रूप में परिभाषित कर सकते हैं:
हम यह धारणा बनाते हैं कि आर 'A << (आर '1 + Ri) और Ri >> आर '1। चित्रा 25 (डी) के परिणाम का सरलीकृत सर्किट।
इनपुट अंतर वोल्टेज, vd, इस सरलीकृत सर्किट से वोल्टेज विभक्त अनुपात का उपयोग करके पाया जाता है।
आउटपुट प्रतिरोध को खोजने के लिए, हम आउटपुट लूप समीकरण लिखकर शुरू करते हैं।
आउटपुट प्रतिरोध तब समीकरण (51) द्वारा दिया जाता है।
अधिकतर परिस्थितियों में, Rcm इतना बड़ा है कि आर 'A»RA और R1'»R1। शून्य-आवृत्ति वोल्टेज लाभ का उपयोग करके समीकरण (51) को सरल बनाया जा सकता है, Go। परिणाम समीकरण (52) है।
आवेदन
आप नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके TINACloud सर्किट सिम्युलेटर का उपयोग करके सर्किट सिमुलेशन के साथ सर्किट 25 (ए) के आउटपुट इम्पीडेंस की गणना कर सकते हैं।
TINACloud के साथ एक Opamp सर्किट सिमुलेशन का आउटपुट प्रतिबाधा
उदाहरण 2
चित्रा 26 में दिखाए गए अनुसार एकता-लाभ बफर के आउटपुट प्रतिबाधा का पता लगाएं।
उपाय: जब चित्रा 26 के सर्किट की तुलना चित्रा 24 के फीडबैक सर्किट से की जाती है, तो हम पाते हैं कि
इसलिए,
समीकरण (51) का उपयोग नहीं किया जा सकता है, क्योंकि हम सुनिश्चित नहीं हैं कि चित्र 25 (c) के सरलीकरण के लिए असमानताएं इस मामले में लागू होती हैं। यही है, सरलीकरण की आवश्यकता है कि
इस सरलीकरण के बिना, सर्किट चित्रा 27 में दिखाया गया रूप लेता है।
इस सर्किट का विश्लेषण निम्नलिखित संबंधों को खोजने के लिए किया गया है:
इन समीकरणों के पहले में, हमने मान लिया है Ro<< (आर '1+Ri) << 2Rcm। तब आउटपुट प्रतिरोध द्वारा दिया जाता है
जहां हम फिर से शून्य-आवृत्ति वोल्टेज लाभ का उपयोग करते हैं, Go.