Gyakorlati Op-amper-TINA és TINACloud erőforrások

Gyakorlati Op-erősítők

Gyakorlati Op-erősítők közelítik egymáshoz ideális különbözik néhány fontos szempontból. Fontos, hogy az áramköri tervező megértse a tényleges op-erősítők és az ideális op-erősítők közötti különbségeket, mivel ezek a különbségek hátrányosan befolyásolhatják az áramkör teljesítményét.

Célunk a gyakorlati op-amp részletes modelljének kidolgozása - egy olyan modell, amely figyelembe veszi a nem ideális eszköz legfontosabb jellemzőit. Először a gyakorlati op-erősítők leírásához használt paraméterek meghatározásával kezdjük. Ezeket a paramétereket az op-amp gyártója által szolgáltatott adatlapok felsorolásai határozzák meg.

Az 1 táblázat felsorolja a paraméterek értékeit három külön opcióra, amelyek közül az egyik a μA741. A példákban és a fejezet végi problémákban számos μA741 operációs erősítőt használunk az alábbi okok miatt: (1) sok IC gyártót gyártottak (2), amelyeket nagy mennyiségben találtak az elektronikai iparban, és 3) általános célú belső kompenzált op-erősítők, és tulajdonságaik hivatkozási célként használhatók más op-amp típusok kezelésében. Mivel a különböző paramétereket a következő szakaszokban határoztuk meg, a tipikus értékek megtalálásához hivatkozni kell az 9.1 táblázatra.

Gyakorlati Op-erősítők, operációs erősítők

1. táblázat - Az op-erősítők paraméterértékei

Az ideális és a tényleges op-erősítők között a legnagyobb különbség a feszültségnövekedésben van. Az ideális op-amp feszültségnövekedés a végtelenhez közeledik. A tényleges op-amp véges feszültségnövekedés csökken, amint a frekvencia növekszik (ezt részletesebben a következő fejezetben tárgyaljuk).

5.1 nyílt hurkú feszültségnövekedés (G)

Az op-amp nyílt hurkú feszültségerősítése a kimeneti feszültség változásának aránya a bemeneti feszültség változásáig visszacsatolás nélkül. A feszültségnövekedés dimenzió nélküli mennyiség. A G szimbólum a nyílt hurkú feszültségerősítés jelzésére szolgál. Az op-amperek nagyfeszültségű erősítéssel rendelkeznek alacsony frekvenciájú bemenetekhez. Az op-amp specifikáció felsorolja a feszültséggyarapodást voltos / millivolt vagy decibelben (dB) [20log₁₀(v_ki/v_in)].

5.2 módosított op-amp modell

Az 14 ábra az idealizált op-amp modell módosított változatát mutatja. Az idealizált modellt bemeneti ellenállás hozzáadásával módosítottuk (R_i), kimeneti ellenállás (R_o) és a közös módú ellenállás (R_cm).

14 ábra - Módosított op-amp modell

Ezeknek a paramétereknek a tipikus értékei (az 741 op-amp esetében)

Most az 15 ábra áramkörét vizsgáljuk, hogy megvizsgáljuk az op-amp teljesítményét. Az op-amp inverz és nem invertáló bemeneteit olyan források vezérlik, amelyek sorozatellenállással rendelkeznek. Az op-amp kimenetét egy ellenálláson keresztül visszavezetjük a bemenetbe, R_F.

A két bemenetet vezető forrásokat jelöljük v_A és a v₁és a kapcsolódó sorozatellenállások R_A és a R₁. Ha a bemeneti áramkör bonyolultabb, ezeket az ellenállásokat az adott áramkör Thevenin-ekvivalenseinek tekinthetjük.

15 ábra - Op-amp áramkör

5.3 Bemeneti eltolás feszültség (V_io)

Ha az ideális op-amp bemenet feszültsége nulla, akkor a kimeneti feszültség nulla. Ez nem igaz a tényleges op-amp. A bemeneti eltolás feszültség, V_io, úgy van definiálva, mint a differenciális bemeneti feszültség, amely a kimeneti feszültség nullához való hozzáadásához szükséges. V_io nulla az ideális op-amp. Tipikus értéke V_io az 741 op-amp az 2 mV. Nem nulla érték V_io nem kívánatos, mivel az op-amp minden bemeneti eltolást erősít, így nagyobb kimenetet eredményez dc hiba.

A bemeneti eltolás feszültségének mérésére az alábbi módszer használható. A bemenet feszültségének nullára történő kényszerítése helyett a bemeneti feszültséget nullával állítjuk be, amint azt az 16 ábra mutatja, és a kimeneti feszültséget méri.

16 ábra - A Vio mérésének technikája

A nulla bemeneti feszültségből eredő kimeneti feszültség a következő: kimeneti DC eltolás feszültség. A bemeneti eltolás feszültségét úgy kapjuk meg, hogy ezt a mennyiséget az op-amp nyílt hurkú erősítésével osztjuk el.

A bemeneti eltolás feszültségének hatásai beépíthetők az op-amp modellbe, amint az az 17 ábrán látható.

A bemeneti offset feszültség mellett az ideális op-amp modellt négy ellenállás hozzáadásával tovább módosították. R_o a kimeneti ellenállás Az bemeneti ellenállás az op-amp, R_i, az inverz és nem invertáló terminálok között mérhető. A modell tartalmaz egy ellenállást is, amely összeköti a két bemenetet a földre.

Ezek az közös módú ellenállások, és mindegyik megegyezik az 2 értékkelR_cm. Ha a bemenetek egymáshoz vannak csatlakoztatva, mint az 16 ábrán, ezek a két ellenállás párhuzamosak, és a kombinált Thevenin ellenállás a talajjal szemben R_cm. Ha az op-amp ideális, R_i és a R_cm közeledik (azaz nyitott áramkör) és R_o nulla (azaz rövidzárlat).

17 ábra - Bemeneti eltolás feszültsége

Az 18 (a) ábrán látható külső konfiguráció az eltolt feszültség hatásainak elhárítására használható. Változó feszültséget alkalmazunk az inverz bemeneti kapocsra. A feszültség helyes megválasztása visszavonja a bemeneti eltolást. Hasonlóképpen, az 18 (b) ábra ezt a kiegyenlítő áramkört mutatja be a nem invertáló bemenetre.

18. Ábra - Offset feszültségkiegyenlítés

JELENTKEZÉS

Az 18 (a) áramkör bemeneti eltolódási feszültségkiegyenlítőjét tesztelheti online a TINACloud Circuit Simulator segítségével az alábbi linkre kattintva.

Input Offset feszültségkiegyenlítő áramkör szimuláció (a) a TINACloud segítségével

Input Offset feszültségkiegyenlítő áramkör szimuláció (a) a TINACloud segítségével

JELENTKEZÉS

Az 18 (b) áramkör bemeneti eltolásának kiegyenlítését tesztelheti online a TINACloud áramkör szimulátor segítségével az alábbi linkre kattintva:

Bemeneti eltolás feszültségkiegyenlítő áramkör szimulációja (b) a TINACloud segítségével

Bemeneti eltolás kiegyenlítő áramkör-szimuláció (b) a TINACloud-mal

5.4 Bemeneti biasáram (I)_Előítélet)

Bár az ideális op-amp bemenetek nem kapnak áramot, a tényleges op-erősítők lehetővé teszik, hogy egyes bemeneti áramok belépjenek minden bemeneti terminálba. I_Előítélet a dc áramot a bemeneti tranzisztorba, és tipikus értéke 2 μA. Ha a forrásimpedancia alacsony, I_Előítélet kevés hatása van, mivel viszonylag kis változást okoz a bemeneti feszültségben. Nagy impedanciájú vezetési áramköröknél azonban egy kis áram nagyfeszültséghez vezethet.

A torzításáramot két aktuális mosogatóként modellezhetjük, amint az az 19 ábrán látható.

19. Ábra - Offset feszültségkiegyenlítés

Ezeknek a mosogatóknak az értékei függetlenek a forrásimpedanciától. A torzító áram a két aktuális mosogató átlagos értéke. És így

(40)

A két mosogató érték közötti különbség az bemeneti eltolásáram, I_io, és a

(41)

Mind a bemeneti, mind a bemeneti áramáram hőmérséklet-függő. A bemeneti torziós áramhőmérséklet-együttható a torzítási áram változásának aránya a hőmérséklet változásáig. Egy tipikus érték az 10 nA /^oC. A bemeneti eltolás aktuális hőmérsékleti együtthatója az eltolt áram nagyságrendjének változása és a hőmérséklet-változás aránya. Egy tipikus érték -2nA /^oC.

20 ábra - Input bias aktuális modell

A bemeneti torzításáramokat az 20 ábra op-amp modelljébe illesztjük, ahol feltételezzük, hogy a bemeneti offset áram elhanyagolható.

Ez az,

21 (a) ábra - Az áramkör

Ezt a modellt elemezzük annak érdekében, hogy megtaláljuk a bemeneti torziós áramok által okozott kimeneti feszültséget.

Az 21 (a) ábrán egy op-amp áramkör látható, ahol az inverz és nem invertáló bemenetek ellenálláson keresztül kapcsolódnak a talajhoz.

Az áramkört az 21 (b) ábra helyettesíti, ahol elhanyagoltuk V_io. Az 21 (c) ábrán látható áramkört tovább egyszerűsítjük azáltal, hogy elhanyagoljuk R_o és a R_{kiszámításának}. Vagyis feltételezzük R_F >> R_o és a R_{kiszámításának} >> R_o. A kimeneti terhelési követelmények általában biztosítják, hogy ezek az egyenlőtlenségek teljesüljenek.

Az áramkört az 21 (d) ábra tovább egyszerűsíti, ahol a függő feszültségforrás és ellenállás soros kombinációját egy függő áramforrás és ellenállás párhuzamos kombinációja váltja fel.

Végül kombináljuk az ellenállásokat és mindkét áramforrást a feszültségforrásokra, hogy megkapjuk az 21 (e) ábra egyszerűsített egyenértékét.

21 (b) és (c) ábra - Input bias effektek

Hurokegyenletet használunk a kimeneti feszültség megtalálásához.

(43)

ahol

(44)

A közös módú ellenállás, R_cm, több száz megohm tartományban van a legtöbb op-amper esetében. Ebből adódóan

(45)

Ha azt is feltételezzük G_o nagy, az (43) egyenlet egyenlet.

(46)

21 (d) és (e) - Input bias effektek

Ne feledje, hogy ha az értéke R₁ a kimeneti feszültség értéke nulla. Ebből az elemzésből arra következtetünk, hogy a dc ellenállás V₊ a földre egyenlőnek kell lennie dc ellenállás V_- a földre. Ezt használjuk elfogultsági egyensúly sokszor korlátozza a terveket. Fontos, hogy mind az inverz, mind a nem invertáló terminálok a dc elérési útja a bemeneti torzításáram hatásának csökkentéséhez.

Bemenet Bias Aktuális, praktikus, operációs erősítők

22. ábra - Konfigurációk az 1. példához

Példa 1

Keresse meg a kimeneti feszültséget az 22 I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Megoldás: Az (46) egyenlet egyszerűsített formáját használjuk a 22 (a) ábra áramkörének kimeneti feszültségeinek megtalálásához.

A 22 (b) ábrán látható áramkörre kapunk

JELENTKEZÉS

Ezeket a számításokat a TINACloud áramkör szimulátor segítségével is elvégezheti, a tolmács eszköz segítségével az alábbi linkre kattintva.

Input Bias Current Modeling áramkör szimuláció a TINACloud programmal

Input Bias Current Modeling áramkör szimuláció a TINACloud programmal

5.5 Általános módú elutasítás

Az op-amp általában a két bemeneti feszültség közötti különbség erősítésére szolgál. Ezért az EU-ban működik differenciál üzemmód. E két bemenet mindegyikéhez hozzáadott állandó feszültség nem befolyásolhatja a különbséget, ezért nem szabad átvinni a kimenetre. Gyakorlati esetben ez a bemenetek állandó vagy átlagos értéke nem befolyásolja a kimeneti feszültséget. Ha csak a két bemenet egyenlő részeit vesszük figyelembe, úgy gondoljuk, hogy mi az közös módban.

23 - közös mód

Tegyük fel, hogy a tényleges op-amp két bemeneti terminálja össze van kötve, majd egy közös forrásfeszültséggel. Ezt az 23 ábrán mutatjuk be. Az ideális esetben a kimeneti feszültség nulla lenne. A gyakorlatban ez a kimenet nem nulla. A nem nulla kimeneti feszültség és az alkalmazott bemeneti feszültség aránya a közös módú feszültségerősítés, G_cm Az közös módú elutasítási arány (CMRR) a dc nyílt hurkú nyereség, G_o, a közös módban. És így,

(47)

A CMRR tipikus értékei 80-től 100 dB-ig terjednek. Kívánatos, hogy a CMRR a lehető legmagasabb legyen.

5.6 Tápegység visszautasítási aránya

A tápegység elutasításának aránya az op-amp képességének a tápfeszültség változásainak figyelmen kívül hagyásának mértéke. Ha a rendszer kimeneti fázisa változó mennyiségű áramot kap, a tápfeszültség változhat. Ez a terhelés által kiváltott tápfeszültségváltozás ezáltal megváltoztathatja az azonos tápegységgel rendelkező más erősítők működését. Ezt úgy ismerjük, mint áthallás, és ez instabilitáshoz vezethet.

A tápegység elutasítási aránya (PSRR) a változás aránya v_ki a tápfeszültség teljes változásához. Például, ha a pozitív és a negatív tápellátás ± 5 V és ± 5.5 V között változik, a teljes változás 11 - 10 = 1 V. A PSRR értéket általában mikrovolt / volt vagy néha decibelben adják meg. A tipikus op-erősítők PSRR-értéke körülbelül 30 μV / V.

A tápfeszültség változásának csökkentése érdekében az op-erősítők minden csoportjának tápellátását kell biztosítani függetlenített (azaz izolált) más csoportoktól. Ez az interakciót egyetlen op-ampercsoportra korlátozza. A gyakorlatban minden nyomtatott áramköri kártyának meg kell akadályoznia a tápvezetékeket egy 0.1-μF kerámia vagy 1-μF tantál kondenzátor segítségével. Ez biztosítja, hogy a terhelésváltozások a többi kártyára történő táplálás révén nem fognak jelentősen eljutni.

5.7 Kimeneti ellenállás

A kimeneti ellenállás meghatározásának első lépése, R_kiAz 24 ábrán a szaggatott vonalakkal jelölt mezőben található op-amp áramkör részének Thevenin-egyenértékét találjuk. Vegye figyelembe, hogy ebben az elemzésben figyelmen kívül hagyjuk az eltolt áramot és feszültséget.

(24)

Mivel az áramkör nem tartalmaz független forrásokat, a Thevenin ekvivalens feszültség nulla, tehát az áramkör egyenértékű egyetlen ellenállással. Az ellenállás értéke nem található ellenállás kombinációkkal. Az egyenértékű ellenállás megtalálásához tegyük fel, hogy a kimeneti vezetékekre feszültségforrást (v) alkalmazunk. Ezután kiszámoljuk a kapott áramot, i, és vegye figyelembe az arányt v/i. Ez a Thevenin-rezisztenciát eredményezi.

25. ábra (a) rész - Thevenin egyenértékű áramkörök

25 ábra (b rész)

Az 25 (a) ábrán az alkalmazott feszültségforrás látható. Az áramkört az 25 (b) ábrán látható módon egyszerűsítettük.

Az áramkör tovább csökkenthető az 25 (c) ábrán látható értékre, ahol két új ellenállást definiálunk az alábbiak szerint:

(48)

Feltételezzük, hogy R '_A << (R '₁ + R_i) És R_i >> R '₁. Az 25 (d) ábra egyszerűsített áramkörének eredménye.

A bemeneti differenciálfeszültség, v_d, ez az egyszerűsített áramkör feszültségmegosztó arány alkalmazásával található.

(49)

A kimeneti ellenállás megtalálásához kezdjük a kimeneti hurokegyenlet írását.

(50)

25. ábra (c és d rész) - Csökkentett Thevenin ekvivalens áramkörök

A kimeneti ellenállást az (51) egyenlet adja meg.

(51)

A legtöbb esetben, R_cm annyira nagy R '_A»R_A és a R₁"»R₁. Az (51) egyenlet egyszerűsíthető a nullfrekvenciás feszültség erősítéssel, G_o. Az eredmény egyenlet (52).

(52)

JELENTKEZÉS

Az alábbi linkre kattintva kiszámíthatja a 25 (a) áramkör kimeneti impedanciáját áramköri szimulációval a TINACloud áramkör-szimulátor segítségével.

Opamp áramkör szimuláció kimeneti impedancia a TINACloud-tal

Opamp áramkör szimuláció kimeneti impedancia a TINACloud-tal

Példa 2

Keresse meg az egység-erősítő puffer kimeneti impedanciáját az 26 ábrán látható módon.

26 ábra - Egységerősítő puffer

Megoldás: Ha az 26 ábra áramkörét összehasonlítjuk a 24 ábrán látható visszacsatoló áramkörrel, akkor azt találjuk

Ezért

Az (51) egyenlet nem használható, mivel nem vagyunk biztosak abban, hogy az 25 (c) ábra egyszerűsítéséhez vezető egyenlőtlenségek ebben az esetben érvényesek. Azaz, az egyszerűsítés ezt megköveteli