6. Op-amp áramkörök tervezése

Op-amp áramkörök tervezése

Miután megadta az op-amp rendszer konfigurációját elemez a rendszer a bemenetek szempontjából meghatározza a kimenetet. Ezt az elemzést a korábban (ebben a fejezetben) tárgyalt eljárással végeztük.

Ha most szeretné tervezés egy olyan áramkör, amely az inverz és nem invertáló bemeneteket egyesíti, a probléma bonyolultabb. A tervezési problémában egy kívánt lineáris egyenletet adunk meg, és az op-amp áramkört meg kell tervezni. Az operációs erősítő nyárának kívánt kimenetét a bemenetek lineáris kombinációjával lehet kifejezni,

(30)

ahol X1, X2 ...Xn a nem-invertáló bemenetek és a kívánt előnyök Ya, Yb ...Ym a kívánt nyereség az inverz bemeneteknél. Az (30) egyenletet az (14) ábra áramkörével valósítjuk meg.

Ideális operációs erősítő, op-áramkörök tervezése

14 ábra - Több bemeneti nyár

Ez az áramkör az 13 (XNUMX) áramkör egy kicsit módosított változata.Inverting és nem invertáló bemenetek).

Ideális operációs erősítő, operációs erősítő

13 ábra - Invertálás és nem invertáló bemenetek

Az egyetlen változtatás, hogy az op-amp bemenetek és a föld közötti ellenállásokat is beiktatjuk. A földet úgy tekinthetjük, mint egy kiegészítő bemenetet, amely a megfelelő ellenálláson keresztül van csatlakoztatva (Ry az inverz bemenethez és Rx a nem invertáló bemenetre). Ezeknek az ellenállásoknak a hozzáadásával rugalmasságot biztosítunk az (30) egyenleten kívüli követelmények teljesítéséhez. Például a bemeneti ellenállásokat lehet megadni. Ezek közül a két ellenállást vagy mindkettőt el lehet távolítani azáltal, hogy az értékük végtelen.

Az előző fejezetben az (29) egyenlet azt mutatja, hogy az ellenállások értékei, Ra, Rb, ...Rm és a R1, R2, ...Rn fordítottan arányosak a kívánt bemeneti feszültségekkel kapcsolatos kívánt nyereségekkel. Más szavakkal, ha egy adott bemeneti terminálon nagy erősítésre van szükség, akkor az ellenállás ezen a terminálon kicsi.

Amikor az operációs erősítő nyílt hurok erősítése, G, nagy, a kimeneti feszültség az operációs erősítőhöz csatlakoztatott ellenállások alapján írható le, mint az (29) egyenletben. Az (31) egyenlet megismétli ezt a kifejezést enyhe egyszerűsítéssel és az ellenállások földelésével.

(31)

Két egyenértékű ellenállást definiálunk az alábbiak szerint:

(32)

JELENTKEZÉS

Elemezze a következő áramkört a TINACloud segítségével a V meghatározásáhozki a bemeneti feszültségek tekintetében az alábbi linkre kattintva.

Több bemeneti nyári áramkör szimuláció TINACloud által

Több bemeneti nyári áramkör szimuláció TINACloud által

Több bemeneti nyári áramkör szimuláció TINACloud által

Látjuk, hogy a kimeneti feszültség egy olyan bemenetek lineáris kombinációja, ahol minden bemenet osztódik meg a kapcsolódó ellenállással, és megszorozva egy másik ellenállással. A szorzó ellenállás RF a bemenetek megfordításához és Req nem invertáló bemenetekhez.

Az ismeretlenek száma ebben a problémában n + m +3 (azaz az ismeretlen ellenállási értékek). Ezért fejleszteni kell n + m +3 egyenletek ezekre az ismeretlenekre. Megfogalmazhatjuk n + m Az egyenleteket az (30) egyenletben megadott együtthatókkal egyeztettük. Ez azt jelenti, hogy az egyenletek (30), (31) és (32) egyenletrendszereit egyszerűen a következőképpen fejlesztjük ki:

(33)

Mivel még három ismeretlen ismerőse van, rugalmasságunk van, hogy még három korlátot teljesítsünk. Jellemző további korlátozások közé tartoznak a bemeneti ellenállás megfontolások és az ellenállások számára megfelelő értékek (pl. Nem szeretné, hogy precíziós ellenállást használjon a R1 egyenlő 10 értékkel-4 ohm!).

Bár nem szükséges az ideális op-erősítővel történő tervezéshez, olyan tervezési korlátot fogunk használni, amely fontos a nem ideális op-erősítők számára. A nem invertáló op-amp esetében az invertáló bemenetről visszatekintő Thevenin-ellenállás általában egyenlő azzal, ami visszatekint a nem invertáló bemenetre. Az 14 ábrán látható konfiguráció esetében ez a kényszer a következőképpen fejezhető ki:

(34)

Az utolsó egyenlőség a RA az (32) egyenletből. Ennek az eredménynek az egyenlete (31) helyettesítése adja a kényszert,

(35)

(36)

Ennek az eredménynek az egyenlete (33) helyettesítése az egyenletek egyszerű halmazát adja,

(37)

Az (34) és az (37) egyenlet kombinációi megadják a szükséges információkat az áramkör megtervezéséhez. Kiválasztunk egy értéket RF majd az egyenlet (37) segítségével megoldja a különböző bemeneti ellenállásokat. Ha az ellenállások értékei nincsenek gyakorlati tartományban, visszamegyünk és megváltoztatjuk a visszacsatolási ellenállás értékét. Miután megoldottuk a bemeneti ellenállásokat, az egyenletet (34) használjuk arra, hogy az ellenállásokat egyenlőre kényszerítsük a két op-amp bemenetből. Kiválasztjuk az értékeket Rx és a Ry kényszeríteni ezt az egyenlőséget. Míg a (34) és (37) egyenlet tartalmazza a tervezéshez szükséges alapvető információkat, az egyik fontos szempont az, hogy az op-amp bemenetek és a föld közé helyezzük-e az ellenállásokat (vagy sem) (Rx és a Ry). A megoldás szükségessé teheti az iterációkat az értelmes értékek eléréséhez (vagyis egyszerre végezheti el a megoldást, és negatív ellenállási értékeket hozhat létre). Emiatt egy numerikus eljárást mutatunk be, amely leegyszerűsíti a számítások összegét[1]

Az (34) egyenletet a következőképpen lehet átírni:

(38)

Az (37) egyenlet helyettesítése (38) egyenletre, amit kapunk,

(39)

Emlékezzünk arra, hogy célunk az, hogy az ellenállások értékeit a következőképpen oldjuk meg: Xi és a Yj. Határozzuk meg az összegzési feltételeket az alábbiak szerint:

(40)

Ezután átírhatjuk az egyenletet (39) az alábbiak szerint:

(41)

Ez kiindulópont a tervezési eljárásunkhoz. Emlékezzünk erre Rx és a Ry a földelés, illetve a nem invertáló és invertáló bemenetek közötti ellenállások. A visszacsatolási ellenállást jelöljük RF és egy új kifejezés, Z, azt jelenti

(42)

Táblázat (1) -Summing Amplifier Design

Megszüntethetjük az egyik vagy mindkét ellenállást, Rx és a Ry, az (14) ábra áramköréből. Ez azt jelenti, hogy ezek közül az ellenállók közül mindkettő vagy mindkettő végtelenre állítható (azaz nyitott körű). Ez három tervezési lehetőséget eredményez. A kimenetetől a bevitelhez kapcsolódó kívánt szorzótényezőktől függően az egyik ilyen eset a megfelelő kialakítást eredményezi. Az eredményeket az (1) táblázat foglalja össze. 

Áramkör tervezése TINA és TINACloud

Számos eszköz áll rendelkezésre a TINA és a TINACloud operációs erősítő és áramkör tervezéséhez.

Optimalizálás

TINAAz optimalizálási mód ismeretlen áramköri paraméterei automatikusan meghatározhatók, hogy a hálózat előre definiált cél kimeneti értéket állítson elő, minimum vagy maximum. Az optimalizálás nemcsak az áramköri tervezésben, hanem a tanításban is hasznos példák és problémák felépítéséhez. Ne feledje, hogy ez az eszköz nemcsak ideális op-erősítők és lineáris áramkörök esetén működik, hanem bármely nemlineáris áramkör esetében is, amely valós nemlineáris és más eszközmodellekkel rendelkezik.

Tekintsük az inverz erősítő áramkört az OPA350 valódi operációs erősítővel.

Ezen áramkör alapértelmezett beállításával az áramkör kimeneti feszültsége 2.5

Ezt könnyen ellenőrizheti a DC gomb megnyomásával a TINACloudban.

JELENTKEZÉS

Elemezze a következő áramkört a TINACloud online áramkör-szimulátor segítségével a V meghatározásáhozki a bemeneti feszültségek tekintetében az alábbi linkre kattintva.

OPA350 áramkör szimuláció a TINACloud programmal

OPA350 áramkör szimuláció a TINACloud programmal

OPA350 áramkör szimuláció a TINACloud programmal

Most feltételezzük, hogy ezt a feszültséget szeretnénk beállítani a Vref feszültség megváltoztatásával a vázlatos kivitelben.

Ha ezt meg kívánjuk előkészíteni, akkor válassza ki a meghatározni kívánt cél Out = 3V és áramkör paramétert (Optimization Object) Vref. Ehhez az objektumhoz meg kell határoznunk egy olyan régiót is, amely segíti a keresést, de a korlátozásokat is képviseli.

Az optimalizálási cél kiválasztásához és beállításához a TINACloud-ban kattintson a Vout Voltage pin gombra, és állítsa az Optimization Target értéket Yes értékre

Ezután kattintson a… gombra a sorban, és állítsa az értéket az 3 értékre.

A beállítások befejezéséhez minden párbeszédablakban nyomja meg az OK gombot.

Most válasszuk ki és állítsuk be a Vref optimalizálási objektumot.

Kattintson a Vref-re, majd a… gombra a sorban

Válassza ki az Optimalizálási objektumot a listában a tetején, és állítsa be az Optimalizálás / Objektum jelölőnégyzetet.

Mindkét párbeszédablakban nyomja meg az OK gombot.

Ha az optimalizálási beállítások sikeresek voltak, akkor >> jelet fog látni a Kimenetnél és egy << jelet a Vrefnél az alábbiak szerint.

Az elemzés menüből válassza az Optimalizálást, majd nyomja meg az RUN gombot az Optimalizálás párbeszédpanelen.

Az optimalizálás befejezése után a megtalált Vref, az optimális érték jelenik meg a DC optimalizálás párbeszédablakban

Tanulmányozhatja a beállításokat, és futtathatja az online optimalizálást és ellenőrizheti a Circuit Simulation segítségével az alábbi linket.
Az Analízis menüből futtassa az optimalizálást, majd nyomja meg a DC gombot, hogy az optimalizált áramkör (3V) eredményét tekintse meg.

Online optimalizálás és áramkör szimuláció a TINACloud programmal

Ne feledje, hogy ebben az időben a TINACloudban csak egy egyszerű DC optimalizálás szerepel. További optimalizálási funkciók szerepelnek a TINA offline verziójában.

AC optimalizálás

A TINA offline verziójával optimalizálhatja és átalakíthatja az AC áramköröket is.

Nyissa meg az MFB 2nd megrendelés Chebyshev LPF.TSC aluláteresztő áramkört, a Példák Texas Instruments szűrők_FilterPro mappája a TINA-tól, lásd lent.

Futtassa az AC elemzést / AC átviteli karakterisztikát.

A következő ábra jelenik meg:

Az áramkör egység (0dB) Gain és 1.45kHz Cutoff frekvenciával rendelkezik.

Most újratervezzük az áramkört AC optimalizálással és állítsa be az alacsony frekvenciát az 6dB-re és a Cutoff frekvenciát 900Hz-re.

Megjegyzések hogy általában csak a módosításokra alkalmazható optimalizáló eszköz. Szűrők esetén inkább szűrőeszközt kell használni. A témával később foglalkozunk.

Az optimalizálás használatával a Gain és a Cutoff frekvencia az optimalizálási célok.

Kattintson az eszköztár „Optimalizálási cél kiválasztása” ikonjára vagy az Elemzés menü „Optimalizálási cél kiválasztása” menüjére.

A kurzor az ikonra változik: . Az új kurzor szimbólummal kattintson a Vout Voltage pin-ra.

A következő párbeszédablak jelenik meg:

Kattintson az AC célfüggvények gombjára. A következő párbeszédablak jelenik meg:

Jelölje be az Low Pass jelölőnégyzetet, és állítsa be a Target cut-off frekvenciát 900. Most jelölje be a Maximum jelölőnégyzetet, és állítsa a Target értékre 6.

Ezután válassza ki azokat az áramkörparamétereket, amelyeket módosítani szeretne az optimalizálási célok eléréséhez.

Kattintson az   szimbólum vagy a Vezérlő objektum kijelölése sor az elemzés menüben.

A kurzor a fenti szimbólumra változik. Ezzel az új kurzorral kattintson a C1 kondenzátorra. A következő párbeszédablak jelenik meg:

Nyomja meg a választógombot. A következő párbeszédablak jelenik meg:

A program automatikusan beállít egy tartományt (kényszert), ahol az optimális értéket keresi. Végezze el az értéket az 20n értékre a fentiek szerint.

Most ismételje meg ugyanazt az eljárást az R2 esetében. Állítsa a Végérték értéket 20k-ra.

Az optimalizálási beállítás befejezése után válassza az Elemzés menü Optimalizálás / AC optimalizálása (Transfer) pontját.

A következő párbeszédablak jelenik meg:

Az OK gomb megnyomásával fogadja el az alapértelmezett beállításokat.

Rövid számítás után megtalálható az optimális érték és a megváltozott összetevő paraméterek:

Végül ellenőrizze az eredményt az áramköri szimuláció futtatásával.

Amint az ábrán látható, elérték a célértékeket (Gain 6db, 900Hz kivágási frekvencia).

A Circuit Designer eszköz használata a TINA és a TINACloud programban

A TINA és a TINAcloud áramkörök tervezésének egy másik módszere az épített Circuit Designer eszköz, a egyszerűen tervezőeszköz.

A Design Tool együttműködik az áramkör tervezési egyenleteivel annak biztosítása érdekében, hogy a megadott bemenetek a megadott kimeneti választ eredményezzék. Az eszköz megköveteli Önnek a bemenetek és kimenetek, valamint az összetevők értékei közötti kapcsolatok kimutatását. Az eszköz egy olyan megoldásmotort kínál Önnek, amelyet többszöri és pontos megoldásra használhat a különböző forgatókönyvek esetében. A számított komponens értékek automatikusan a helyben kerülnek rögzítésre, és az eredményt szimulációval ellenőrizheti.

Tervezzük meg ugyanazon áramkör AC erősítését a Circuit Designer eszköz segítségével.

Nyissa meg az áramkört a TINACloud Design Tool mappájából. Megjelenik a következő képernyő.

Most futtassuk az AC elemzést / AC átviteli karakterisztikát.

A következő ábra jelenik meg:

Most újratervezzük az áramkört, hogy egységerősítést kapjunk (0dB)

Az Eszközök menüben indítsa el a kör újratervezését

Megjelenik a következő párbeszédablak.

Állítsa be a Gain -1 értéket (0 dB) és nyomja meg a Run gombot.

A számított új komponens értékek azonnal megjelennek a vázlatos szerkesztőben, piros színben.

Nyomja meg az Elfogadás gombot.

A módosítások véglegesítésre kerülnek. Az újratervezett áramkör ellenőrzéséhez ismét futtassa az AC elemzés / AC átviteli jellemzőket.

 

 

——————————————————————————————————————————————————— —-

1Ezt a technikát Phil Vrbancic, a Long Beach-i California State University hallgatója dolgozta ki, és bemutatta az IEEE VI.