6. Izrada op-amp sklopova
STRUJA - 6. Dizajn sklopova op-pojačala
PRETHODNA- 5. Kombinirani invertirajući i neinvertirajući ulazi
Projektiranje krugova op-amp
Jednom kada je dana konfiguracija op-amp sustava, možemo analizirati taj sustav kako bi odredio izlaz u smislu inputa. Ovu analizu provodimo koristeći proceduru o kojoj smo ranije raspravljali (u ovom poglavlju).
Ako sada želiš dizajn sklop koji kombinira inverting i ne-inverting ulaza, problem je složeniji. U problemu dizajna daje se željena linearna jednadžba i mora se projektirati sklop op-amp. Željeni izlaz ljeta operacijskog pojačala može se izraziti kao linearna kombinacija ulaza,
(30)
gdje X1, X2 ...Xn su željeni dobici na neinvertirajućim ulazima i Ya, Yb ...Ym su željeni dobici na invertirajućim ulazima. Jednadžba (30) implementirana je sa sklopom slike (14).
Slika 14 - Ljeto s više ulaza
Ovaj sklop je malo izmijenjena verzija sklopa slike (13) (Invertirajući i neinvertirajući ulazi).
Slika 13 - Invertirajući i neinvertirajući ulazi
Jedina promjena koju smo napravili je da uključimo otpornike između ulaza op-amp i uzemljenja. Tlo se može promatrati kao dodatni ulaz nula volti povezanih preko odgovarajućeg otpornika (Ry za invertirajući ulaz i Rx za neinvertirajući ulaz). Dodavanje ovih otpornika daje nam fleksibilnost u ispunjavanju bilo kojih uvjeta osim onih jednadžbi (30). Na primjer, ulazni otpori mogu biti specificirani. Bilo koji ili oba ova dodatna otpornika mogu se ukloniti puštanjem njihovih vrijednosti u beskonačnost.
Jednadžba (29) iz prethodnog odjeljka pokazuje da su vrijednosti otpornika, Ra, Rb, ...Rm i R1, R2, ...Rn su obrnuto proporcionalni željenim dobitcima koji su povezani s odgovarajućim ulaznim naponima. Drugim riječima, ako je poželjno veliko pojačanje na određenom ulaznom terminalu, tada je otpor na tom terminalu mali.
Kada je dobitak otvorene petlje operativnog pojačala, G, je velik, izlazni napon može biti napisan u smislu otpornika spojenih na operativno pojačalo kao u jednadžbi (29). Jednadžba (31) ponavlja ovaj izraz s malim pojednostavljenjem i dodavanjem otpornika u masu.
(31)
Definiramo dva ekvivalentna otpora na sljedeći način:
(32)
PRIJAVA
Analizirajte sljedeći krug pomoću TINACloud da odredite Vvan u smislu ulaznih napona klikom na donju vezu.
Višestruka ulazna simulacija ljetnog kruga od strane TINACloud
Višestruka ulazna simulacija ljetnog kruga od strane TINACloud
Vidimo da je izlazni napon linearna kombinacija ulaza gdje je svaki ulaz podijeljen s pripadajućim otporom i pomnožen s drugim otporom. Umnožavanje otpora je RF za okretanje ulaza i Req za neinvertirajuće ulaze.
Broj nepoznanica u ovom problemu je n + m +3 (tj. Nepoznate vrijednosti otpornika). Stoga se moramo razvijati n + m +3 jednadžbe za rješavanje tih nepoznanica. Možemo formulirati n + m tih jednadžbi usklađivanjem danih koeficijenata u jednadžbi (30). To jest, mi jednostavno razvijamo sustav jednadžbi iz jednadžbi (30), (31) i (32) na sljedeći način:
(33)
Budući da imamo još tri nepoznanice, imamo fleksibilnost da zadovoljimo još tri ograničenja. Tipična dodatna ograničenja uključuju razmatranja ulaznog otpora i razumne vrijednosti otpornika (npr. Ne biste željeli koristiti precizni otpornik za R1 jednak 10-4 oma!).
Iako nije potrebno za dizajn koristeći idealne op-pojačala, mi ćemo koristiti dizajn ograničenje koje je važno za ne-idealne op-pojačala. Za ne-inverting op-amp, Thevenin otpora gledajući natrag od inverting ulaz je obično napravio jednak da gleda natrag od ne-inverting ulaz. Za konfiguraciju prikazanu na slici (14), ovo ograničenje može se izraziti na sljedeći način:
(34)
Posljednja jednakost proizlazi iz definicije RA iz jednadžbe (32). Zamjenom ovog rezultata u jednadžbu (31) dobiva se ograničenje,
(35)
(36)
Zamjenom ovog rezultata u jednadžbu (33) dobiva se jednostavan skup jednadžbi,
(37)
Kombinacije jednadžbe (34) i jednadžbe (37) daju nam potrebne informacije za oblikovanje kruga. Odabiremo vrijednost od RF i zatim riješite različite ulazne otpornike pomoću jednadžbe (37). Ako vrijednosti otpornika nisu u praktičnom rasponu, vraćamo se i mijenjamo vrijednost otpornika povratne veze. Nakon što smo riješili za ulazni otpornici, a zatim koristiti jednadžbe (34) na snagu otporima biti jednaki gledajući natrag od dva op-amp ulaza. Odabiremo vrijednosti od Rx i Ry prisiliti na ovu jednakost. Iako jednadžbe (34) i (37) sadrže bitne informacije za dizajn, jedno važno razmatranje je treba li uključiti otpore između ulaza op-pojačala i mase (ili ne) (Rx i Ry). Rješenje može zahtijevati ponavljanje kako bi se dobile smislene vrijednosti (tj. Rješenje možete izvesti jednokratno i doći do negativnih vrijednosti otpora). Iz tog razloga predstavljamo numerički postupak koji pojednostavljuje količinu izračuna[1]
Jednadžba (34) može se ponovno napisati na sljedeći način:
(38)
Zamjenjujući jednadžbu (37) u jednadžbu (38) dobivamo,
(39)
Podsjetimo se da je naš cilj riješiti za otpornike vrijednosti u smislu Xi i Yj. Definiramo pojmove zbrajanja na sljedeći način:
(40)
Tada možemo ponovno napisati jednadžbu (39) na sljedeći način:
(41)
Ovo je polazna točka za naš postupak dizajna. Sjetite se toga Rx i Ry su otpornici između uzemljenja i neinvertirajućih, odnosno invertirajućih ulaza. Označen je povratni otpor RF i novi pojam, Z, definiran je kao
(42)
Tablica (1) - Dizajn pojačala za sumnju
Možemo eliminirati jedan ili oba otpornika, Rx i Ry, iz kruga slike (14). To jest, bilo koji ili oba ova otpornika mogu biti postavljeni na beskonačnost (tj. Otvoreni sklop). To daje tri mogućnosti oblikovanja. Ovisno o željenim faktorima množenja koji se odnose na izlaz na ulaz, jedan od tih slučajeva će dati odgovarajući dizajn. Rezultati su sažeti u tablici (1).
Dizajn kruga s TINA-om i TINAC-om
Postoji nekoliko alata dostupnih u TINA i TINACloud za operativno pojačalo i dizajn sklopa.
Optimizacija
TINANepoznati parametri sklopa u načinu optimizacije mogu se automatski odrediti tako da mreža može proizvesti unaprijed definiranu ciljanu izlaznu vrijednost, minimalnu ili maksimalnu. Optimizacija je korisna ne samo u dizajnu sklopova, već i u nastavi, kako bi se konstruirali primjeri i problemi. Imajte na umu da ovaj alat ne radi samo za idealna op-pojačala i linearni krug, već i za bilo koji nelinearni krug sa stvarnim nelinearnim i drugim modelima uređaja.
Razmotrimo okretni krug pojačala s pravim operativnim pojačalom OPA350.
Prema zadanoj postavci ovog kruga izlazni napon kruga je 2.5
To možete jednostavno provjeriti pritiskom na tipku DC u TINACloud.
PRIJAVA
Analizirajte sljedeći krug pomoću mrežnog simulatora TINACloud kako biste odredili Vvan u smislu ulaznih napona klikom na donju vezu.
OPA350 simulacija kruga s TINACloud
OPA350 simulacija kruga s TINACloud
Da bi se to pripremilo treba odabrati ciljani Out = 3V i parametar kruga koji treba odrediti (objekt optimizacije) Vref. Za ovaj objekt trebali bismo također definirati regiju koja pomaže u pretraživanju, ali također predstavlja ograničenja.
Za odabir i postavljanje cilja optimizacije u TINACloud kliknite Vout napon napona i postavite cilj optimizacije na Da
Zatim kliknite gumb… u istom retku i postavite vrijednost na 3.
Pritisnite OK u svakom dijaloškom okviru da biste dovršili postavke.
Sad odaberimo i postavimo objekt optimizacije Vref.
Kliknite Vref, a zatim gumb… u istom retku
Odaberite Optimizacijski objekt na popisu na vrhu i postavite potvrdni okvir Optimizacija / Objekt.
Pritisnite OK u oba dijaloška okvira.
Ako su postavke optimizacije bile uspješno, vidjet ćete znak >> na Out i znak << na Vrefu, kao što je prikazano dolje.
Sada odaberite Optimizacija iz izbornika Analiza i pritisnite RUN u dijaloškom okviru Optimizacija.
Nakon završetka optimizacije, pronađeni Vref, optimalna vrijednost, bit će prikazan u dijalogu DC Optimization
Možete proučiti postavke i pokrenuti online optimizaciju i provjeriti simulacijom kruga pomoću veze u nastavku.
Pokrenite Optimizaciju iz izbornika Analiza, a zatim pritisnite gumb DC kako biste vidjeli rezultat u optimiziranom krugu (3V)
Online optimizacija i simulacija kruga s TINACloudom
Imajte na umu da je u ovom trenutku u TINACloud uključena samo jednostavna DC optimizacija. Više značajki optimizacija uključene su u offline verziju TINA-e.
AC Optimizacija
Korištenjem offline verzije TINA-e možete optimizirati i redizajnirati strujne krugove izmjenične struje.
Otvorite niskonaponski krug MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, od Primjeri Texas Instruments Filters_FilterPro mapa TINA, prikazano ispod.
Pokreni analizu izmjenične struje / karakteristika prijenosa izmjenične struje.
Pojavit će se sljedeći dijagram:
Krug ima jedinstvo (0dB) dobitak i 1.45kHz granična frekvencija.
Sada ćemo redizajnirati sklop pomoću AC optimizacije i postavite nisku frekvenciju pojačanja na 6dB i graničnu frekvenciju na 900Hz.
bilješke to je inače alat za optimizaciju primjenjiv samo na promjene. U slučaju filtara možda želite koristiti alat za dizajn filtra. O toj temi ćemo se pozabaviti kasnije.
Sada pomoću Optimizacije Gain i Cutoff frequency ciljevi optimizacije su.
Kliknite ikonu “Select Optimization Target” na alatnoj traci ili na izborniku Analiza “Select Optimization Target”
Pokazivač će se promijeniti u ikonu: 
, Kliknite Vout Voltage pin s novim simbolom kursora.
Pojavit će se sljedeći dijalog:
Kliknite gumbe AC Goal Functions. Pojavit će se sljedeći dijalog:
Potvrdite okvir Low Pass i postavite Target cut-off frequency na 900. Sada označite potvrdni okvir Maximum i postavite Target na 6.
Zatim odaberite parametre kruga koje želite promijeniti kako biste postigli ciljeve optimizacije.
kliknite 
ili u retku Odaberi kontrolni objekt na izborniku Analiza.
Pokazivač će se promijeniti na gornji simbol. Kliknite na kondenzator C1 s ovim novim pokazivačem. Pojavit će se sljedeći dijalog:
Pritisnite gumb za odabir. Pojavit će se sljedeći dijalog:
Program automatski postavlja raspon (ograničenje) gdje će se tražiti optimalna vrijednost. Krajnja vrijednost za 20n kao što je prikazano gore.
Sada ponovite isti postupak za R2. Krajnju vrijednost postavite na 20k.
Nakon završetka podešavanja Optimization, odaberite Optimizacija / AC Optimizacija (Prijenos) iz izbornika Analiza.
Pojavit će se sljedeći dijalog:
Prihvatite zadane postavke pritiskom na U redu.
Nakon kratkog izračuna nađe se optimum i pojavljuju se promijenjeni parametri komponente:
Na kraju provjerite rezultat pomoću simulacije strujnog kruga koji izvodi Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Kao što je prikazano na dijagramu, postignute su ciljne vrijednosti (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz).
Korištenje alata Circuit Designer u TINA-u i TINAC-u
Druga metoda za projektiranje sklopova u TINA-i i TINAcloud-u je upotreba ugrađenog alata Circuit Designer koji se naziva jednostavno Design Tool.
Alat za dizajn radi s jednadžbama dizajna vašeg kruga kako bi se osiguralo da navedeni unosi rezultiraju navedenim izlaznim odzivom. Alat zahtijeva od vas izjavu o ulazima i izlazima i odnosima između vrijednosti komponenti. Alat nudi rješenje koje možete upotrijebiti za rješavanje ponavljanja i točnosti za različite scenarije. Izračunate vrijednosti komponenti automatski se postavljaju u shemu i rezultat možete provjeriti simulacijom.
Osmislit ćemo AC pojačanje istog kruga pomoću našeg alata Circuit Designer.
Otvorite krug iz mape Design Tool u TINACloud. Pojavit će se sljedeći zaslon.
Sada ćemo pokrenuti AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Pojavit će se sljedeći dijagram:
Sada ćemo redizajnirati sklop kako bi imao jedinstvenu dobit (0dB)
Pokrenite redizajn ovog kruga iz izbornika Alati
Pojavit će se sljedeći dijalog.
Podesite Gain na -1 (0 dB) i pritisnite gumb Pokreni.
Izračunate vrijednosti novih komponenti odmah će se pojaviti u uređivaču sheme, nacrtane u crvenoj boji.
Pritisnite gumb Prihvati.
Promjene će biti dovršene. Ponovno pokrenite AC Analysis / AC Transfer Characteristics kako biste provjerili redizajnirani krug.
—————————————————————————————————————————————————— —-
1Tu je tehniku osmislio Phil Vrbančić, student na Kalifornijskom državnom sveučilištu u Long Beachu, a predstavljen je u radu predanom na IEEE natječaju za nagradu za VI regiju.