Op-amp Praktis- TINA dan Sumber Daya Keras TINAC

Op-amp praktis

Op-amp praktis mendekati mereka ideal rekan tetapi berbeda dalam beberapa hal penting. Penting bagi perancang sirkuit untuk memahami perbedaan antara op-amp sebenarnya dan op-amp ideal, karena perbedaan ini dapat mempengaruhi kinerja rangkaian.

Tujuan kami adalah untuk mengembangkan model rinci op-amp praktis - model yang memperhitungkan karakteristik paling signifikan dari perangkat non-ideal. Kita mulai dengan mendefinisikan parameter yang digunakan untuk mendeskripsikan op-amp praktis. Parameter ini ditentukan dalam daftar pada lembar data yang disediakan oleh produsen op-amp.

Tabel 1 mencantumkan nilai parameter untuk tiga op-amp tertentu, salah satunya adalah μA741. Kami menggunakan amplifier operasional μA741 dalam banyak contoh dan masalah akhir bab karena alasan berikut: (1) mereka telah dibuat oleh banyak produsen IC, (2) mereka ditemukan dalam jumlah besar di seluruh industri elektronik, dan ( 3) mereka adalah op-amp yang dikompensasi secara umum untuk keperluan umum, dan propertinya dapat digunakan sebagai referensi untuk tujuan perbandingan ketika berhadapan dengan jenis op-amp lainnya. Karena berbagai parameter didefinisikan di bagian berikut, referensi harus dibuat untuk Tabel 9.1 untuk menemukan nilai-nilai khas.

Tabel 1 - Nilai parameter untuk op-amp

Perbedaan paling signifikan antara op-amp ideal dan aktual adalah pada penguatan voltase. Op-amp ideal memiliki penguatan tegangan yang mendekati tak terhingga. Op-amp yang sebenarnya memiliki penguatan tegangan hingga yang berkurang seiring dengan meningkatnya frekuensi (kita akan membahasnya secara rinci pada bab berikutnya).

Gain Tegangan Loop Terbuka (G) 5.1

Gain tegangan loop terbuka op-amp adalah rasio perubahan tegangan output terhadap perubahan tegangan input tanpa umpan balik. Gain tegangan adalah kuantitas tanpa dimensi. Simbol G digunakan untuk menunjukkan penguatan tegangan loop terbuka. Op-amp memiliki gain tegangan tinggi untuk input frekuensi rendah. Spesifikasi op-amp mencantumkan kenaikan voltase dalam volt per millivolt atau dalam desibel (dB) [didefinisikan sebagai 20log₁₀(v_{di luar}/v_in)].

5.2 Model Op-amp yang Dimodifikasi

Gambar 14 menunjukkan versi modifikasi dari model op-amp ideal. Kami telah mengubah model ideal dengan menambahkan resistansi input (R_i), resistansi keluaran (R_o), dan resistensi mode umum (R_cm).

Gambar 14 - Model op-amp yang dimodifikasi

Nilai khas dari parameter ini (untuk op-amp 741) adalah

Kami sekarang mempertimbangkan rangkaian Gambar 15 untuk memeriksa kinerja op-amp. Input op-amp pembalik dan non-pembalik didorong oleh sumber yang memiliki resistansi seri. Output dari op-amp diumpankan kembali ke input melalui resistor, R_F.

Sumber penggerak kedua input dilambangkan v_A dan v₁, dan resistansi seri yang terkait adalah R_A dan R₁. Jika sirkuit input lebih kompleks, resistensi ini dapat dianggap sebagai setara Thevenin dari sirkuit itu.

Gambar 15 - Sirkuit op-amp

5.3 Tegangan Offset Input (V_io)

Ketika tegangan input ke op-amp ideal adalah nol, tegangan output juga nol. Ini tidak benar untuk op-amp yang sebenarnya. Itu masukan tegangan offset, V_io, didefinisikan sebagai tegangan input diferensial yang diperlukan untuk membuat tegangan output sama dengan nol. V_io adalah nol untuk op-amp yang ideal. Nilai tipikal dari V_io untuk op-amp 741 adalah 2 mV. Nilai bukan nol dari V_io tidak diinginkan karena op-amp memperkuat setiap offset input, sehingga menyebabkan output yang lebih besar dc kesalahan.

Teknik berikut dapat digunakan untuk mengukur tegangan offset input. Daripada memvariasikan tegangan input untuk memaksa output ke nol, input diatur sama dengan nol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 16, dan tegangan output diukur.

Gambar 16 - Teknik untuk mengukur Vio

Tegangan output yang dihasilkan dari tegangan input nol dikenal sebagai output dc mengimbangi tegangan. Tegangan offset input diperoleh dengan membagi jumlah ini dengan gain loop terbuka dari op-amp.

Efek dari tegangan offset input dapat dimasukkan ke dalam model op-amp seperti yang ditunjukkan pada Gambar 17.

Selain memasukkan tegangan offset input, model op-amp yang ideal telah dimodifikasi lebih lanjut dengan penambahan empat resistansi. R_o adalah resistansi keluaran. itu resistensi input dari op-amp, R_i, diukur antara terminal pembalik dan non-pembalik. Model ini juga berisi resistor yang menghubungkan masing-masing dari dua input ke ground.

Ini adalah resistensi mode umum, dan masing-masing sama dengan 2R_cm. Jika input dihubungkan bersama seperti pada Gambar 16, dua resistor ini paralel, dan resistensi Thevenin gabungan ke ground adalah R_cm. Jika op-amp ideal, R_i dan R_cm mendekati tak terhingga (yaitu, sirkuit terbuka) dan R_o adalah nol (yaitu, korsleting).

Gambar 17 - Tegangan offset input

Konfigurasi eksternal yang ditunjukkan pada Gambar 18 (a) dapat digunakan untuk meniadakan efek tegangan offset. Tegangan variabel diterapkan ke terminal input pembalik. Pilihan tegangan ini dengan benar membatalkan offset input. Demikian pula, Gambar 18 (b) menggambarkan sirkuit balancing ini diterapkan pada input non-pembalik.

Gambar 18 - Penyeimbangan tegangan offset

APLIKASI

Anda dapat menguji Penyeimbangan Tegangan Input Offset dari rangkaian 18 (a) dengan simulasi online dengan TINACloud Circuit Simulator dengan mengklik tautan di bawah ini.

Simulasi Sirkuit Timbangan Balancing Input Offset (a) dengan TINACloud

Simulasi Sirkuit Timbangan Balancing Input Offset (a) dengan TINACloud

APLIKASI

Anda dapat menguji Balancing Offset Balancing dari rangkaian 18 (b) dengan simulasi online dengan TINACloud Circuit Simulator dengan mengklik tautan di bawah ini:

Simulasi Sirkuit Timbangan Balancing Input Offset (b) dengan TINACloud

Simulasi Input Offset Balancing Circuit (b) dengan TINACloud

5.4 Input Arus Bias (I_Prasangka)

Meskipun input op-amp ideal tidak menarik arus, op-amp sebenarnya memungkinkan beberapa arus bias masuk ke setiap terminal input. I_Prasangka adalah dc arus ke input transistor, dan nilai khasnya adalah 2 μA. Ketika impedansi sumber rendah, I_Prasangka tidak banyak berpengaruh, karena menyebabkan perubahan tegangan input yang relatif kecil. Namun, dengan sirkuit penggerak impedansi tinggi, arus kecil dapat menyebabkan tegangan besar.

Arus bias dapat dimodelkan sebagai dua arus tenggelam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.

Gambar 19 - Penyeimbangan tegangan offset

Nilai sink ini tidak tergantung pada impedansi sumber. Itu Bias saat ini didefinisikan sebagai nilai rata-rata dari dua sink saat ini. Demikian

(40)

Perbedaan antara dua nilai sink dikenal sebagai masukan arus offset, I_io, dan diberikan oleh

(41)

Baik arus bias input dan arus offset input bergantung pada suhu. Itu masukan koefisien suhu arus bias didefinisikan sebagai rasio perubahan arus bias terhadap perubahan suhu. Nilai tipikal adalah 10 nA /^oC. masukan mengimbangi koefisien suhu saat ini didefinisikan sebagai rasio dari perubahan besarnya arus offset dengan perubahan suhu. Nilai tipikal adalah -2nA /^oC.

Gambar 20 - Input bias model saat ini

Arus bias input dimasukkan ke dalam model op-amp Gambar 20, di mana kami mengasumsikan bahwa arus offset input dapat diabaikan.

Artinya,

Gambar 21 (a) - Rangkaian

Kami menganalisis model ini untuk menemukan tegangan output yang disebabkan oleh arus bias input.

Gambar 21 (a) menunjukkan sirkuit op-amp di mana input pembalik dan non-pembalik dihubungkan ke ground melalui resistansi.

Rangkaian diganti dengan yang setara pada Gambar 21 (b), di mana kita telah mengabaikan V_io. Kami selanjutnya menyederhanakan sirkuit pada Gambar 21 (c) dengan mengabaikan R_o dan R_memuat. Itu, kami berasumsi R_F >> R_o dan R_memuat >> R_o. Persyaratan pemuatan keluaran biasanya memastikan bahwa ketidaksetaraan ini terpenuhi.

Rangkaian ini selanjutnya disederhanakan pada Gambar 21 (d) di mana kombinasi seri dari sumber tegangan dependen dan resistor diganti dengan kombinasi paralel dari sumber arus dependen dan resistor.

Akhirnya, kami menggabungkan resistensi dan mengubah kedua sumber arus kembali ke sumber tegangan untuk mendapatkan padanan yang disederhanakan dari Gambar 21 (e).

Gambar 21 (b) dan (c) - Input efek bias

Kami menggunakan persamaan loop untuk menemukan tegangan output.

(43)

dimana

(44)

Resistansi mode umum, R_cm, berada dalam kisaran beberapa ratus megohms untuk sebagian besar op-amp. Karena itu

(45)

Jika kita menganggap lebih jauh G_o besar, Persamaan (43) menjadi Persamaan.

(46)

Gambar 21 (d) dan (e) - Input efek bias

Perhatikan bahwa jika nilai R₁ dipilih sama dengan, maka tegangan output adalah nol. Kami menyimpulkan dari analisis ini bahwa dc resistensi dari V₊ ke tanah harus sama dengan dc resistensi dari V_- ke tanah. Kami menggunakan ini keseimbangan bias Kendala berkali-kali dalam desain kami. Adalah penting bahwa terminal inverting dan non-inverting memiliki a dc jalur ke tanah untuk mengurangi efek arus bias input.

Input Bias Arus, op-amp praktis, penguat operasional

Gambar 22 - Konfigurasi untuk Contoh 1

Contoh 1

Temukan tegangan output untuk konfigurasi Gambar 22 di mana I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Larutan: Kami menggunakan bentuk Persamaan (46) yang disederhanakan untuk menemukan tegangan output untuk rangkaian Gambar 22 (a).

Untuk rangkaian Gambar 22 (b), kita dapatkan

APLIKASI

Selain itu, Anda dapat melakukan perhitungan ini dengan simulator sirkuit TINACloud, menggunakan alat juru bahasa dengan mengklik tautan di bawah ini.

Input Bias Simulasi Pemodelan Sirkuit Saat Ini

Input Bias Simulasi Pemodelan Arus Sirkuit dengan TINACloud

Input Bias Simulasi Pemodelan Arus Sirkuit dengan TINACloud

5.5 Penolakan Mode Umum

Op-amp biasanya digunakan untuk memperkuat perbedaan antara dua tegangan input. Oleh karena itu beroperasi di mode diferensial. Tegangan konstan yang ditambahkan ke masing-masing dari dua input ini seharusnya tidak mempengaruhi perbedaan dan oleh karena itu tidak boleh ditransfer ke output. Dalam kasus praktis, nilai input konstan, atau rata-rata tidak mempengaruhi tegangan output. Jika kami hanya mempertimbangkan bagian yang sama dari dua input, kami mempertimbangkan apa yang dikenal sebagai mode umum.

Gambar 23 - Mode umum

Mari kita asumsikan bahwa dua terminal input op-amp aktual dihubungkan bersama dan kemudian ke tegangan sumber yang sama. Ini diilustrasikan pada Gambar 23. Tegangan output akan menjadi nol dalam kasus ideal. Dalam kasus praktis, output ini bukan nol. Rasio tegangan keluaran non-nol terhadap tegangan input yang diterapkan adalah gain tegangan mode umum, G_cm. itu rasio penolakan mode umum (CMRR) didefinisikan sebagai rasio dari dc gain loop terbuka, G_o, untuk penguatan mode umum. Demikian,

(47)

Nilai khas kisaran CMRR dari 80 ke 100 dB. Sangat diinginkan untuk memiliki CMRR setinggi mungkin.

5.6 Rasio Penolakan Catu Daya

Rasio penolakan catu daya adalah ukuran kemampuan op-amp untuk mengabaikan perubahan tegangan catu daya. Jika tahap keluaran suatu sistem menarik jumlah arus variabel, tegangan suplai dapat bervariasi. Perubahan tegangan suplai yang disebabkan oleh beban ini kemudian dapat menyebabkan perubahan dalam operasi amplifier lain yang berbagi suplai yang sama. Ini dikenal sebagai bicara silang, dan itu dapat menyebabkan ketidakstabilan.

Grafik rasio penolakan catu daya (PSRR) adalah rasio perubahan v_{di luar} dengan perubahan total tegangan catu daya. Misalnya, jika suplai positif dan negatif bervariasi dari ± 5 V hingga ± 5.5 V, perubahan total adalah 11 - 10 = 1 V. PSRR biasanya ditentukan dalam mikrovolt per volt atau terkadang dalam desibel. Op-amp tipikal memiliki PSRR sekitar 30 μV / V.

Untuk mengurangi perubahan tegangan suplai, catu daya untuk setiap kelompok op-amp harus dipisahkan (Yaitu, terisolasi) dari orang-orang dari kelompok lain. Ini membatasi interaksi ke satu kelompok op-amp. Dalam praktiknya, setiap kartu sirkuit tercetak harus memiliki jalur suplai dilewati ke ground melalui keramik 0.1-μF atau kapasitor tantalum 1-μF. Ini memastikan bahwa variasi pemuatan tidak akan mengumpan secara signifikan melalui persediaan ke kartu lain.

5.7 Perlawanan Output

Sebagai langkah pertama dalam menentukan resistansi keluaran, R_{di luar}, kami menemukan padanan Thevenin untuk bagian sirkuit op-amp yang ditunjukkan pada kotak terlampir dalam garis putus-putus pada Gambar 24. Perhatikan bahwa kita mengabaikan arus dan tegangan offset dalam analisis ini.

(24)

Karena rangkaian tidak mengandung sumber independen, tegangan ekivalen Thevenin adalah nol, sehingga rangkaian tersebut ekivalen dengan resistor tunggal. Nilai resistor tidak dapat ditemukan menggunakan kombinasi resistor. Untuk menemukan resistansi ekivalen, asumsikan bahwa sumber tegangan, v, diterapkan ke kabel keluaran. Kami kemudian menghitung arus yang dihasilkan, i, dan ambil rasionya v/i. Ini menghasilkan resistensi Thevenin.

Gambar 25 (bagian a) - Sirkuit ekivalen Thevenin

Gambar 25 (bagian b)

Gambar 25 (a) menggambarkan sumber tegangan yang diberikan. Rangkaian disederhanakan dengan yang ditunjukkan pada Gambar 25 (b).

Sirkuit selanjutnya dapat direduksi menjadi yang ditunjukkan pada Gambar 25 (c), di mana kami mendefinisikan dua resistensi baru sebagai berikut:

(48)

Kami membuat asumsi itu R '_A << (R '₁ + R_i) Dan R_i >> R '₁. Sirkuit disederhanakan dari Gambar 25 (d) hasil.

Tegangan diferensial input, v_d, ditemukan dari rangkaian yang disederhanakan ini menggunakan rasio pembagi tegangan.

(49)

Untuk menemukan resistansi keluaran, kita mulai dengan menulis persamaan loop keluaran.

(50)

Gambar 25 (bagian c dan d) - Reduksi sirkuit ekivalen Thevenin

Resistansi keluaran kemudian diberikan oleh Persamaan (51).

(51)

Umumnya, R_cm begitu besar itu R '_A»R_A dan R₁'»R₁. Persamaan (51) dapat disederhanakan menggunakan gain tegangan frekuensi nol, G_o. Hasilnya adalah Persamaan (52).

(52)

APLIKASI

Anda dapat menghitung Impedansi Output rangkaian 25 (a) dengan simulasi rangkaian menggunakan TINACloud Circuit Simulator dengan mengklik link di bawah ini.

Impedansi Output dari Simulasi Sirkuit Opamp dengan TINACloud

Impedansi Output dari Simulasi Sirkuit Opamp dengan TINACloud

Contoh 2

Temukan impedansi output buffer gain-seperti yang ditunjukkan pada Gambar 26.

Gambar 26 - Buffer gain persatuan

Larutan: Ketika sirkuit Gambar 26 dibandingkan dengan sirkuit umpan balik dari Gambar 24, kami menemukan itu

Oleh karena itu,

Persamaan (51) tidak dapat digunakan, karena kami tidak yakin bahwa ketidaksetaraan yang mengarah pada penyederhanaan Gambar 25 (c) berlaku dalam kasus ini. Artinya, penyederhanaan mengharuskan itu