6. Desain Sirkuit Op-amp
CURRENT - 6. Desain Sirkuit Op-amp
SEBELUMNYA- 5. Input kombinasi pembalik dan non-pembalik
Desain sirkuit op-amp
Setelah konfigurasi sistem op-amp diberikan, kita bisa menganalisa sistem untuk menentukan output dalam hal input. Kami melakukan analisis ini menggunakan prosedur yang dibahas sebelumnya (dalam bab ini).
Jika sekarang Anda ingin disain sebuah sirkuit yang menggabungkan input inverting dan non-inverting, masalahnya lebih kompleks. Dalam masalah desain, persamaan linear yang diinginkan diberikan, dan rangkaian op-amp harus dirancang. Output yang diinginkan dari musim panas penguat operasional dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear dari input,
(30)
dimana X1, X2 ...Xn adalah keuntungan yang diinginkan pada input non-pembalik dan Ya, Yb ...Ym adalah keuntungan yang diinginkan pada input pembalik. Persamaan (30) diimplementasikan dengan rangkaian Gambar (14).
Gambar 14- Beberapa input musim panas
Rangkaian ini adalah versi yang sedikit dimodifikasi dari rangkaian Gambar (13) (Input pembalik dan non-pembalik).
Gambar 13 - Pembalikan dan input non-pembalik
Satu-satunya perubahan yang kami lakukan adalah memasukkan resistor antara input op-amp dan ground. Tanah dapat dilihat sebagai input tambahan dari nol volt yang terhubung melalui resistor yang sesuai (Ry untuk input pembalik dan Rx untuk input non-pembalik). Penambahan resistor ini memberi kita keleluasaan dalam memenuhi persyaratan apa pun di luar persyaratan Persamaan (30). Misalnya, resistensi input mungkin ditentukan. Salah satu atau kedua resistor tambahan ini dapat dihilangkan dengan membiarkan nilainya turun hingga tak terbatas.
Persamaan (29) dari bagian sebelumnya menunjukkan bahwa nilai-nilai resistor, Ra, Rb, ...Rm dan R1, R2, ...Rn berbanding terbalik dengan keuntungan yang diinginkan terkait dengan masing-masing tegangan input. Dengan kata lain, jika gain besar diinginkan pada terminal input tertentu, maka resistansi pada terminal itu kecil.
Ketika gain loop terbuka dari penguat operasional, G, besar, tegangan output dapat ditulis dalam hal resistor yang terhubung ke penguat operasional seperti dalam Persamaan (29). Persamaan (31) mengulangi ungkapan ini dengan sedikit penyederhanaan dan dengan penambahan resistor ke ground.
(31)
Kami mendefinisikan dua resistensi setara sebagai berikut:
(32)
APLIKASI
Analisis rangkaian berikut menggunakan TINACloud untuk menentukan V.di luar dalam hal tegangan input dengan mengklik tautan di bawah ini.
Multiple Input Summer Circuit Simulasi oleh TINACloud
Multiple Input Summer Circuit Simulasi oleh TINACloud
Kita melihat bahwa tegangan output adalah kombinasi linear dari input di mana setiap input dibagi dengan resistansi terkait dan dikalikan dengan resistansi lain. Resistansi yang berlipat ganda adalah RF untuk membalikkan input dan Req untuk input non-pembalik.
Jumlah tidak diketahui dalam masalah ini adalah n + m +3 (yaitu nilai resistor yang tidak diketahui). Karena itu kita perlu berkembang n + m +Persamaan 3 untuk menyelesaikan untuk yang tidak diketahui ini. Kami dapat merumuskan n + m persamaan ini dengan mencocokkan koefisien yang diberikan dalam Persamaan (30). Artinya, kami cukup mengembangkan sistem persamaan dari Persamaan (30), (31) dan (32) sebagai berikut:
(33)
Karena kami memiliki tiga hal yang tidak diketahui, kami memiliki fleksibilitas untuk memenuhi tiga kendala lagi. Kendala tambahan umum meliputi pertimbangan resistansi masukan dan memiliki nilai wajar untuk resistor (misalnya, Anda tidak ingin harus menggunakan resistor presisi untuk R1 sama dengan 10-4 ohm!).
Meskipun tidak diperlukan untuk desain menggunakan op-amp yang ideal, kami akan menggunakan batasan desain yang penting untuk op-amp yang tidak ideal. Untuk op-amp non-pembalik, resistansi Thevenin yang melihat kembali dari input pembalik biasanya dibuat sama dengan yang melihat ke belakang dari input non-pembalik. Untuk konfigurasi yang ditunjukkan pada Gambar (14), batasan ini dapat dinyatakan sebagai berikut:
(34)
Kesetaraan terakhir dihasilkan dari definisi RA dari Equation (32). Mengganti hasil ini ke dalam Persamaan (31) menghasilkan kendala,
(35)
(36)
Mengganti hasil ini ke dalam Persamaan (33) menghasilkan persamaan sederhana,
(37)
Kombinasi Persamaan (34) dan Persamaan (37) memberi kita informasi yang diperlukan untuk merancang rangkaian. Kami memilih nilai RF dan kemudian memecahkan berbagai resistor input menggunakan Persamaan (37). Jika nilai resistor tidak dalam rentang praktis, kami kembali dan mengubah nilai resistor umpan balik. Setelah kami menyelesaikan resistor input, kami kemudian menggunakan Persamaan (34) untuk memaksa resistansi agar sama dengan melihat ke belakang dari dua input op-amp. Kami memilih nilai Rx dan Ry untuk memaksa kesetaraan ini. Sementara Persamaan (34) dan (37) berisi informasi penting untuk desain, satu pertimbangan penting adalah apakah akan menyertakan resistor antara input op-amp dan ground (Rx dan Ry). Solusi mungkin memerlukan iterasi untuk mendapatkan nilai yang berarti (yaitu Anda dapat melakukan solusi satu kali dan muncul dengan nilai resistansi negatif). Untuk alasan ini, kami menyajikan prosedur numerik yang menyederhanakan jumlah perhitungan[1]
Persamaan (34) dapat ditulis ulang sebagai berikut:
(38)
Mengganti Persamaan (37) menjadi Persamaan (38) yang kita dapatkan,
(39)
Ingatlah bahwa tujuan kami adalah untuk memecahkan nilai-nilai resistor dalam hal Xi dan Yj. Mari kita mendefinisikan istilah penjumlahan sebagai berikut:
(40)
Kami kemudian dapat menulis ulang Persamaan (39) sebagai berikut:
(41)
Ini adalah titik awal untuk prosedur desain kami. Ingat itu Rx dan Ry adalah resistor antara ground dan input non-inverting dan inverting. Resistor umpan balik dilambangkan RF dan sebuah istilah baru, Z, didefinisikan sebagai
(42)
Table (1) -Memadukan Desain Amplifier
Kita dapat menghilangkan salah satu atau kedua resistor, Rx dan Ry, dari sirkuit Gambar (14). Artinya, salah satu atau kedua resistor ini dapat diatur hingga tak terbatas (yaitu, hubung-terbuka). Ini menghasilkan tiga kemungkinan desain. Bergantung pada faktor-faktor pengganda yang diinginkan terkait output ke input, salah satu kasus ini akan menghasilkan desain yang sesuai. Hasilnya diringkas dalam Tabel (1).
Desain sirkuit dengan TINA dan TINACloud
Ada beberapa alat yang tersedia di TINA dan TINACloud untuk penguat operasional dan desain sirkuit.
Optimasi
TINAMode Optimasi Parameter rangkaian yang tidak diketahui dapat ditentukan secara otomatis sehingga jaringan dapat menghasilkan nilai keluaran target yang telah ditentukan, minimum atau maksimum. Optimasi berguna tidak hanya dalam desain sirkuit, tetapi juga dalam pengajaran, untuk membuat contoh dan masalah. Perhatikan bahwa alat ini berfungsi tidak hanya untuk op-amp ideal dan rangkaian linier, tetapi juga untuk rangkaian nonlinier dengan model nonlinier nyata dan perangkat lainnya.
Pertimbangkan sirkuit penguat pembalik dengan penguat operasional nyata OPA350.
Dengan pengaturan default dari sirkuit ini, tegangan output dari sirkuit adalah 2.5
Anda dapat dengan mudah memeriksanya dengan menekan tombol DC di TINACloud.
APLIKASI
Analisis rangkaian berikut menggunakan simulator rangkaian online TINACloud untuk menentukan V.di luar dalam hal tegangan input dengan mengklik tautan di bawah ini.
Simulasi Sirkuit OPA350 dengan TINACloud
Simulasi Sirkuit OPA350 dengan TINACloud
Jika untuk mempersiapkan ini, kita harus memilih target Out = 3V dan parameter rangkaian yang akan ditentukan (Objek Optimasi) Vref. Untuk objek ini kita juga harus mendefinisikan suatu wilayah yang membantu pencarian tetapi juga mewakili kendala.
Untuk memilih dan menetapkan target Optimasi di TINAClalu klik pin Vout Voltage dan atur Target Optimasi ke Ya
Selanjutnya klik tombol ... di baris yang sama dan atur Value ke 3.
Tekan OK di setiap dialog untuk menyelesaikan pengaturan.
Sekarang mari pilih dan atur Objek Optimasi Vref.
Klik Vref lalu tombol… di baris yang sama
Pilih Objek Optimasi dalam daftar di atasnya dan atur kotak centang Optimasi / Objek.
Tekan OK di kedua dialog.
Jika pengaturan Optimasi berhasil, Anda akan melihat >> tanda di Keluar dan tanda << di Vref seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Sekarang pilih Optimasi dari menu Analisis dan tekan RUN di kotak dialog Optimasi.
Setelah menyelesaikan Pengoptimalan, Vref yang ditemukan, Nilai Optimal, akan ditampilkan dalam dialog Pengoptimalan DC
Anda dapat mempelajari pengaturan dan menjalankan Pengoptimalan online dan memeriksa dengan Simulasi Sirkuit menggunakan tautan di bawah ini.
Jalankan Optimasi dari menu Analisis kemudian tekan tombol DC sehingga lihat hasilnya di sirkuit Dioptimalkan (3V)
Optimasi Online dan Simulasi Sirkuit dengan TINACloud
Perhatikan bahwa saat ini di TINACloud hanya pengoptimalan DC sederhana yang disertakan. Lebih banyak fitur optimisasi termasuk dalam versi offline TINA.
Pengoptimalan AC
Menggunakan versi offline TINA Anda dapat mengoptimalkan dan mendesain ulang sirkuit AC juga.
Buka sirkuit low-pass MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, dari Contoh \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro folder TINA, ditunjukkan di bawah ini.
Jalankan Analisis AC / Karakteristik Transfer AC.
Diagram berikut akan muncul:
Rangkaian ini memiliki frekuensi Gain dan 0kHz Cutoff unity (1.45dB).
Sekarang mari kita mendesain ulang sirkuit menggunakan Optimasi AC dan atur Gain frekuensi rendah ke 6dB dan frekuensi Cutoff ke 900Hz.
Note yang biasanya alat optimisasi hanya berlaku untuk perubahan. Dalam hal filter Anda mungkin ingin menggunakan alat desain filter. Kami akan membahas topik itu nanti.
Sekarang menggunakan Pengoptimalan, Penguatan dan frekuensi Cutoff adalah target Pengoptimalan.
Klik ikon "Pilih Target Pengoptimalan" di toolbar atau di menu Analisis "Pilih Target Pengoptimalan"
Kursor akan berubah menjadi ikon: 
. Klik pin Vout Voltage dengan simbol kursor baru.
Dialog berikut akan muncul:
Klik Tombol Fungsi Sasaran AC. Dialog berikut akan muncul:
Centang kotak Low Pass dan atur frekuensi cut-off Target ke 900. Sekarang centang kotak centang Maksimum dan atur Target ke 6.
Selanjutnya pilih parameter sirkuit yang ingin Anda ubah untuk mencapai target Optimasi.
klik 
simbol atau garis Pilih Objek Kontrol pada menu Analisis.
Kursor akan berubah menjadi simbol di atas. Klik kapasitor C1 dengan kursor baru ini. Dialog berikut akan muncul:
Tekan tombol pilih. Dialog berikut akan muncul:
Program secara otomatis menetapkan rentang (kendala) di mana nilai Optimal akan dicari. Nilai akhir ke 20n seperti yang ditunjukkan di atas.
Sekarang ulangi prosedur yang sama untuk R2. Setel nilai Akhir menjadi 20k.
Setelah menyelesaikan pengaturan Pengoptimalan, pilih Pengoptimalan / Pengoptimalan AC (Transfer) dari menu Analisis.
Dialog berikut akan muncul:
Terima pengaturan default dengan menekan OK.
Setelah perhitungan singkat, optimum ditemukan dan parameter komponen yang berubah muncul:
Akhirnya periksa hasilnya dengan simulasi rangkaian menjalankan Analisis AC Jalankan / Karakteristik Transfer AC.
Seperti yang ditunjukkan pada diagram, nilai target (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz) telah tercapai.
Menggunakan Alat Desainer Sirkuit di TINA dan TINACloud
Metode lain dari metode merancang sirkuit di TINA dan TINAcloud menggunakan alat Circuit Designer yang disebut hanya Alat Desain.
Alat Desain bekerja dengan persamaan desain sirkuit Anda untuk memastikan bahwa input yang ditentukan menghasilkan respons output yang ditentukan. Alat ini mensyaratkan Anda pernyataan input dan output dan hubungan antara nilai-nilai komponen. Alat ini menawarkan kepada Anda mesin solusi yang dapat Anda gunakan untuk menyelesaikan secara berulang dan akurat untuk berbagai skenario. Nilai komponen yang dihitung secara otomatis ditetapkan pada skema dan Anda dapat memeriksa hasilnya dengan simulasi.
Mari kita merancang amplifikasi AC dari sirkuit yang sama menggunakan alat Circuit Designer kami.
Buka sirkuit dari folder Alat Desain TINACloud. Layar berikut akan muncul.
Sekarang mari kita jalankan Analisis AC / Karakteristik Transfer AC.
Diagram berikut akan muncul:
Sekarang mari kita mendesain ulang sirkuit untuk mendapatkan gain (0dB)
Luncurkan Desain Ulang Sirkuit ini dari menu Alat
Dialog berikut akan muncul.
Atur Gain ke -1 (0 dB) dan tekan tombol Run.
Nilai komponen baru yang dihitung akan segera muncul dalam editor skematik, dibuat dengan warna merah.
Tekan tombol Terima.
Perubahan akan diselesaikan. Jalankan Analisis AC / Karakteristik Transfer AC lagi untuk memeriksa sirkuit yang didesain ulang.
—————————————————————————————————————————————————— —-
1Teknik ini dirancang oleh Phil Vrbancic, seorang mahasiswa di California State University, Long Beach, dan disajikan dalam sebuah makalah yang diserahkan ke Kontes Kertas Hadiah Wilayah VI IEEE.