Praktični Op-Amps- TINA i TINACloud resursi

Praktične op-pojačala

Praktične op-pojačala približavaju njihovu idealan u nekim važnim aspektima. Važno je da dizajner sklopa razumije razlike između stvarnih op-ampera i idealnih op-ampera, jer te razlike mogu negativno utjecati na performanse sklopa.

Cilj nam je razviti detaljan model praktičnog opcijskog pojačala - model koji uzima u obzir najznačajnije karakteristike neidealnog uređaja. Započinjemo definiranjem parametara koji se koriste za opisivanje praktičnih pojačala. Ti su parametri navedeni u popisima na tehničkim listovima koje je dostavio proizvođač opcijskih pojačala.

Tablica 1 navodi vrijednosti parametara za tri pojedinačna op-ampera, od kojih je jedan μA741. Mi koristimo μA741 operativna pojačala u mnogim primjerima i problemima na kraju poglavlja iz sljedećih razloga: (1) koje su proizveli mnogi proizvođači IC-a, (2), nalaze se u velikim količinama u elektronskoj industriji, i ( 3) oni su opće namjene interno kompenziranih op-ampera, a njihova se svojstva mogu koristiti kao referenca za svrhe usporedbe kada se radi o drugim op-amp tipovima. Kako su različiti parametri definirani u sljedećim odjeljcima, treba se pozvati na tablicu 9.1 kako bi se pronašle tipične vrijednosti.

Praktična op-pojačala, operativna pojačala

Tablica 1 - Vrijednosti parametara za op-pojačala

Najznačajnija razlika između idealnog i stvarnog op-ampera je u naponskom pojačanju. Idealan op-amp ima napon koji se približava beskonačnosti. Stvarni op-amp ima konačni napon koji se smanjuje kako se frekvencija povećava (ovo ćemo detaljno istražiti u sljedećem poglavlju).

5.1 pojačanje napona otvorene petlje (G)

Dobit napona otvorene petlje op-amp je omjer promjene izlaznog napona i promjene ulaznog napona bez povratne sprege. Dobitak napona je bezdimenzijska veličina. Simbol G se koristi za označavanje dobitka napona otvorene petlje. Op-amperi imaju visok napon za niske frekvencije ulaza. Specifikacija op-amp navodi popis napona u voltima po milivoltu ili decibelima (dB) [definirano kao 20log₁₀(v_van/v_in)].

Modul X-NUMX modificiran op-amp

Slika 14 prikazuje modificiranu verziju idealiziranog op-amp modela. Izmijenili smo idealizirani model dodavanjem ulaznog otpora (R_i), izlazna otpornost (R_o), i otpornost zajedničkog načina rada (R_cm).

Slika 14 - Modificirani op-amp model

Tipične vrijednosti ovih parametara (za 741 op-amp) su

Sada ćemo razmotriti sklop slike 15 kako bismo ispitali performanse op-amp-a. Inverting i ne-invertirajući ulazi op-amp pogonjeni su izvorima koji imaju serijski otpor. Izlaz op-amp se vraća na ulaz kroz otpornik, R_F.

Označeni su izvori koji pokreću ova dva ulaza v_A i v₁, a pridruženi serijski otpori su R_A i R₁, Ako je ulazni sklop složeniji, ti se otpori mogu smatrati Theveninovim ekvivalentima tog kruga.

Slika 15 - krug op-amp

5.3 Ulazni offset napon (V_io)

Kada je ulazni napon na idealnom op-amp je nula, izlazni napon je također nula. To ne vrijedi za stvarni op-amp. ulazni offset napon, V_io, definira se kao diferencijalni ulazni napon potreban da bi izlazni napon bio jednak nuli. V_io je nula za idealnu op-amp. Tipična vrijednost V_io za 741 op-amp je 2 mV. Ne-nula vrijednost od V_io je nepoželjno jer op-amp pojačava bilo koji ulazni offset, uzrokujući tako veći izlaz dc greška.

Sljedeća tehnika se može koristiti za mjerenje ulaznog offset napona. Umjesto da se mijenja ulazni napon kako bi se izlaz pretvorio u nulu, ulaz se postavlja jednak nuli, kao što je prikazano na slici 16, a izlazni napon se mjeri.

Slika 16 - Tehnika mjerenja Vio

Izlazni napon koji proizlazi iz nultog ulaznog napona poznat je kao izlazni istosmjerni napon. Ulazni offset napon dobiva se dijeljenjem te količine s dobitkom otvorene petlje op-amp.

Učinci ulaznog offset napona mogu se ugraditi u op-amp model kako je prikazano na slici 17.

Osim što uključuje ulazni offset napon, idealan op-amp model dodatno je modificiran dodavanjem četiri otpora. R_o je izlazni otpor, ulazni otpor op-amp, R_i, mjeri se između invertirajućih i neinvertirajućih terminala. Model također sadrži otpornik koji povezuje svaki od dva ulaza s masom.

To su otpori u zajedničkom načinu rada, a svaki je jednak 2R_cm, Ako su ulazi međusobno povezani kao na slici 16, ta dva otpornika su paralelna, a kombinirana otpornost na tenevinu na tlo je R_cm, Ako je op-amp idealan, R_i i R_cm prilaz beskonačnosti (tj. otvoreni krug) i R_o je nula (tj. kratki spoj).

Slika 17 - ulazni napon pomaka

Vanjska konfiguracija prikazana na slici 18 (a) može se koristiti za negiranje učinaka offset napona. Promjenjivi napon se primjenjuje na invertirajući ulazni priključak. Pravilan izbor ovog napona poništava ulazni offset. Slično tome, slika 18 (b) ilustrira ovaj krug uravnoteženja koji se primjenjuje na neinvertirajući ulaz.

Slika 18 - uravnoteženje napona

PRIJAVA

Možete testirati balansiranje ulaznog ofsetnog napona 18 (a) kruga simulacijom na mreži s TINACloud simulatorom kruga klikom na vezu u nastavku.

Simulacija kola za uravnoteženje ulaznog pomaka napona (a) s TINACsvjetlom

Simulacija kola za uravnoteženje ulaznog pomaka napona (a) s TINACsvjetlom

PRIJAVA

Možete testirati uravnoteženje ulaznog pomaka 18 (b) kruga simulacijom na mreži s TINACloud simulatorom kruga klikom na vezu u nastavku:

Simulacija kola za uravnoteženje ulaznog offsetnog napona (b) s TINACsvjetlom

Simulacija ulaska u balansiranje pomaka (b) s TINACsvjetlom

5.4 Ulazna struja pomaka (I_Prednapon)

Iako idealni op-amp ulazi ne privlače struju, stvarni op-amperi dopuštaju nekoj struji pristranosti da ulaze u svaki ulazni terminal. I_Prednapon je dc struja u ulazni tranzistor, a tipična vrijednost je 2 μA. Kada je impedancija izvora niska, I_Prednapon ima mali učinak, jer uzrokuje relativno malu promjenu ulaznog napona. Međutim, kod visokotemperaturnih pogonskih krugova, mala struja može dovesti do velikog napona.

Struja bias-a može se modelirati kao dva tekuća odvoda, kao što je prikazano na slici 19.

Slika 19 - uravnoteženje napona

Vrijednosti tih odvoda su neovisne o impedanciji izvora. struja pristranosti definira se kao prosječna vrijednost dva trenutna ponora. Tako

(40)

Razlika između dvije vrijednosti sudopera poznata je kao struja pomaka ulaza, I_io, a daje se pomoću

(41)

Oba struja ulaznog i prednaponskog toka ovise o temperaturi. temperaturni koeficijent ulazne pristranosti se definira kao omjer promjene struje pristranosti prema promjeni temperature. Tipična vrijednost je 10 nA /^oC. ulazni offset trenutni temperaturni koeficijent se definira kao omjer promjene veličine mjerne struje i promjene temperature. Tipična vrijednost je -2nA /^oC.

Slika 20 - Ulazni trenutni model pristranosti

Ulazne struje prednapona ugrađene su u op-amp model na slici 20, gdje pretpostavljamo da je ulazna offset struja zanemariva.

To je,

Slika 21 (a) - Krug

Ovaj model analiziramo kako bismo pronašli izlazni napon uzrokovan strujama ulazne pristranosti.

Slika 21 (a) prikazuje op-amp krug gdje su invertirajući i ne-invertirajući ulazi spojeni na uzemljenje putem otpora.

Krug je zamijenjen njegovim ekvivalentom na slici 21 (b), gdje smo zanemarili V_io, Daljnje pojednostavljenje sklopa na slici 21 (c) zanemarivanjem R_o i R_teret, To je, pretpostavljamo R_F >> R_o i R_teret >> R_o, Zahtjevi za izlaznim opterećenjem obično osiguravaju zadovoljavanje tih nejednakosti.

Krug je dodatno pojednostavljen na slici 21 (d) gdje se serijska kombinacija ovisnog izvora napona i otpornika zamjenjuje paralelnom kombinacijom ovisnog izvora struje i otpornika.

Konačno, kombiniramo otpore i mijenjamo oba izvora struje natrag na izvore napona kako bismo dobili pojednostavljeni ekvivalent slike 21 (e).

Slika 21 (b) i (c) - Ulazni efekti pristranosti

Koristimo jednadžbu petlje kako bismo pronašli izlazni napon.

(43)

gdje

(44)

Otpor u zajedničkom načinu rada, R_cm, je u rasponu od nekoliko stotina megohms za većinu op-pojačala. Stoga

(45)

Ako to dalje pretpostavimo G_o je velika, jednadžba (43) postaje jednadžba.

(46)

Slika 21 (d) i (e) - Ulazni efekti pristranosti

Imajte na umu da ako vrijednost R₁ je odabran da bude jednak, tada je izlazni napon jednak nuli. Iz ove analize zaključujemo da je dc otpor od V₊ na tlo treba biti jednako dc otpor od V_- prizemljiti. Koristimo ovo ravnoteža pristranosti ograničenja mnogo puta u našim nacrtima. Važno je da oba invertirajuća i neinvertirajuća terminala imaju a dc put do tla kako bi se smanjili učinci struje ulaznih pristranosti.

Ulazna struja, praktična op-amp, operacijska pojačala

Slika 22 - Konfiguracije za primjer 1

Primjer 1

Pronađite izlazni napon za konfiguracije na slici 22 gdje I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Rješenje: Koristimo pojednostavljeni oblik jednadžbe (46) kako bismo pronašli izlazne napone za krug na slici 22 (a).

Za krug slike 22 (b) dobivamo

PRIJAVA

Također, te izračune možete izvršiti pomoću simulatora TINACloud sklopa, koristeći alat Interpreter klikom na donji link.

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation

Input Bias Current Modeliranje kruga Simulacija s TINACloud

Input Bias Current Modeliranje kruga Simulacija s TINACloud

5.5 Odbijanje zajedničkog načina rada

Op-amp se obično koristi za pojačavanje razlike između dva ulazna napona. Stoga djeluje u diferencijalni mod. Stalni napon dodan na svaki od ova dva ulaza ne bi trebao utjecati na razliku i stoga se ne bi trebao prenositi na izlaz. U praktičnom slučaju, ova konstanta ili prosječna vrijednost ulaznih podataka ne utjecati na izlazni napon. Ako uzmemo u obzir samo jednake dijelove dvaju ulaza, razmatramo ono što je poznato kao zajednički način rada.

Slika 23 - zajednički način rada

Pretpostavimo da su dva ulazna terminala stvarnog op-amp spojena zajedno, a zatim na zajednički izvor napona. To je prikazano na slici 23. U idealnom slučaju izlazni napon bi bio nula. U praktičnom slučaju, ovaj rezultat nije nula. Omjer izlaznog napona koji nije nula i primijenjenog ulaznog napona je pojačanje napona u zajedničkom modu, G_cm, omjer odbacivanja u zajedničkom načinu rada (CMRR) definira se kao omjer dc dobitak otvorene petlje, G_o, do uobičajenog načina rada. Tako,

(47)

Tipične vrijednosti CMRR se kreću od 80 do 100 dB. Poželjno je imati CMRR što je više moguće.

5.6 Omjer odbijanja napajanja

Omjer odbijanja napajanja je mjera sposobnosti op-amp-a da ignorira promjene napona napajanja. Ako izlazni stupanj sustava izvlači varijabilnu količinu struje, napon napajanja može varirati. Ova promjena opskrbnog napona uzrokovana opterećenjem mogla bi uzrokovati promjene u radu drugih pojačala koja dijele istu opskrbu. To je poznato kao cross-talk, i to može dovesti do nestabilnosti.

Korištenje električnih romobila ističe omjer odbijanja napajanja (PSRR) je omjer promjene u v_van do ukupne promjene napona napajanja. Na primjer, ako pozitivne i negativne opskrbe variraju od ± 5 V do ± 5.5 V, ukupna promjena je 11 - 10 = 1 V. PSRR se obično navodi u mikrovoltima po voltu ili ponekad u decibelima. Tipična op-pojačala imaju PSRR od oko 30 μV / V.

Da bi se smanjile promjene napona napajanja, potrebno je napajanje za svaku skupinu op-ampera odvojena (tj. izolirani) od onih drugih skupina. To ograničava interakciju na jednu skupinu op-pojačala. U praksi, svaka kartica s tiskanim krugom treba imati dovodne vodove zaobilazeće uzemljenje preko keramičkih pločica 0.1-μF ili 1-μF tantalnog kondenzatora. Time se osigurava da se varijacije opterećenja neće značajno prenijeti preko isporuke drugim karticama.

5.7 Otpornost na izlaz

Kao prvi korak u određivanju izlazne otpornosti, R_van, nalazimo da je Thevenin ekvivalent za dio kruga op-amp prikazan u kutiji zatvorenoj isprekidanim linijama na slici 24. Napominjemo da u ovoj analizi ignoriramo struju pomaka i napon.

(24)

Budući da krug ne sadrži neovisne izvore, ekvivalentni napon Thevenina je nula, pa je krug ekvivalentan jednom otporu. Vrijednost otpora ne može se pronaći pomoću kombinacija otpornika. Da biste pronašli ekvivalentni otpor, pretpostavimo da je na izlazne vodove primijenjen izvor napona v. Zatim izračunavamo rezultirajuću struju, i, i uzeti omjer v/i, To daje otpornost na Thevenin.

Slika 25 (dio a) - Thevenin ekvivalentni krugovi

Slika 25 (dio b)

Slika 25 (a) prikazuje primijenjeni izvor napona. Krug je pojednostavljen na onaj prikazan na slici 25 (b).

Krug se može dalje reducirati na onaj prikazan na slici 25 (c), gdje definiramo dva nova otpora na sljedeći način:

(48)

Pretpostavljamo da R '_A << (R '₁ + R_i) I R_i >> R '₁, Pojednostavljeni krug slike 25 (d) daje rezultate.

Ulazni diferencijalni napon, v_d, nalazi se iz ovog pojednostavljenog kruga pomoću omjera djelitelja napona.

(49)

Da biste pronašli izlazni otpor, počinjemo pisanjem jednadžbe izlazne petlje.

(50)

Slika 25 (dijelovi c i d) - Smanjeni ekvivalentni krugovi za Thevenin

Izlazni otpor se tada daje jednadžbom (51).

(51)

U većini slučajeva, R_cm je tako velika da R '_A»R_A i R₁'»R₁, Jednadžba (51) može se pojednostaviti pomoću nultog frekvencijskog pojačanja, G_o, Rezultat je jednadžba (52).

(52)

PRIJAVA

Izlaznu impedansu kruga 25 (a) možete izračunati simulacijom kruga pomoću TINACloud Circuit Simulator klikom na donju vezu.

Izlazna impedancija simulacije kruga opampa s TINACloudom

Izlazna impedancija simulacije kruga opampa s TINACloudom

Primjer 2

Pronađite izlaznu impedanciju međuspremnika za jedinicu dobitka kao što je prikazano na slici 26.

Slika 26 - međuspremnik jedinstva dobitka

Rješenje: Kada se krug slike 26 uspoređuje s povratnim krugom na slici 24, nalazimo to

Prema tome,

Jednadžba (51) se ne može koristiti jer nismo sigurni da se u ovom slučaju primjenjuju nejednakosti koje dovode do pojednostavljenja slike 25 (c). To znači da pojednostavljenje to zahtijeva