6. Progettazione di circuiti Op-amp
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Progettazione di circuiti op-amp
Una volta data la configurazione di un sistema operazionale, possiamo farlo analizzare quel sistema per determinare l'output in termini di input. Eseguiamo questa analisi utilizzando la procedura discussa in precedenza (in questo capitolo).
Se ora lo desideri DESIGN un circuito che combina ingressi sia invertenti che non invertenti, il problema è più complesso. In un problema di progettazione, viene fornita un'equazione lineare desiderata e il circuito dell'amplificatore operazionale deve essere progettato. L'uscita desiderata dell'amplificatore operazionale può essere espressa come una combinazione lineare di ingressi,
(30)
where X1, X2 ...Xn sono i guadagni desiderati sugli ingressi non invertenti e Ya, Yb ...Ym sono i guadagni desiderati agli ingressi invertenti. L'equazione (30) è implementata con il circuito di figura (14).
Figura 14- Ingresso multiplo estivo
Questo circuito è una versione leggermente modificata del circuito di Figura (13) (Ingressi invertenti e non invertenti).
Figura 13- Ingressi invertenti e non invertenti
L'unico cambiamento che abbiamo fatto è includere i resistori tra gli ingressi dell'amplificatore operazionale e la messa a terra. Il terreno può essere visto come un ingresso aggiuntivo di zero volt collegato attraverso il resistore corrispondente (Ry per l'ingresso invertente e Rx per l'ingresso non invertente). L'aggiunta di questi resistori ci offre la flessibilità necessaria per soddisfare qualsiasi esigenza oltre a quelle di Equation (30). Ad esempio, potrebbero essere specificate le resistenze di ingresso. Uno o entrambi questi resistori aggiuntivi possono essere rimossi lasciando che i loro valori vadano all'infinito.
L'equazione (29) della sezione precedente mostra che i valori dei resistori, Ra, Rb, ...Rm ed R1, R2, ...Rn sono inversamente proporzionali ai guadagni desiderati associati alle rispettive tensioni di ingresso. In altre parole, se si desidera un grande guadagno su un particolare terminale di ingresso, allora la resistenza su quel terminale è piccola.
Quando il guadagno del circuito aperto dell'amplificatore operazionale, G, è grande, la tensione di uscita può essere scritta in termini di resistori collegati all'amplificatore operazionale come in Equazione (29). L'equazione (31) ripete questa espressione con una leggera semplificazione e con l'aggiunta dei resistori a terra.
(31)
Definiamo due resistenze equivalenti come segue:
(32)
APPLICAZIONI
Analizza il seguente circuito usando TINACloud per determinare Vsu in termini di tensioni di ingresso facendo clic sul collegamento sottostante.
Simulazione di circuiti estivi con ingressi multipli di TINACloud
Simulazione di circuiti estivi con ingressi multipli di TINACloud
Vediamo che la tensione di uscita è una combinazione lineare di ingressi in cui ogni ingresso è diviso per la resistenza associata e moltiplicato per un'altra resistenza. La resistenza moltiplicativa è RF per l'inversione degli input e Req per ingressi non invertenti.
Il numero di incognite in questo problema è n + m +3 (ovvero i valori dei resistori sconosciuti). Dobbiamo quindi sviluppare n + m +Equazioni 3 per risolvere queste incognite. Possiamo formulare n + m di queste equazioni facendo corrispondere i coefficienti indicati in Equazione (30). Cioè, sviluppiamo semplicemente il sistema di equazioni da Equazioni (30), (31) e (32) come segue:
(33)
Dato che abbiamo altre tre incognite, abbiamo la flessibilità di soddisfare altri tre vincoli. I tipici vincoli aggiuntivi includono considerazioni sulla resistenza di ingresso e valori ragionevoli per i resistori (ad esempio, non si dovrebbe voler utilizzare un resistore di precisione per R1 uguale a 10-4 Ohm!).
Sebbene non sia richiesto per la progettazione usando gli op-amp ideali, useremo un vincolo di progettazione che è importante per gli op-amp non ideali. Per l'amplificatore operazionale non invertente, la resistenza di Thevenin che guarda indietro dall'ingresso invertente è di solito uguale a quella che guarda indietro dall'input non invertente. Per la configurazione mostrata in figura (14), questo vincolo può essere espresso come segue:
(34)
L'ultima uguaglianza deriva dalla definizione di RA dall'equazione (32). Sostituendo questo risultato in Equazione (31) si ottiene il vincolo,
(35)
(36)
Sostituendo questo risultato in equazione (33) si ottiene il semplice insieme di equazioni,
(37)
Le combinazioni di Equazione (34) ed Equazione (37) ci forniscono le informazioni necessarie per progettare il circuito. Selezioniamo un valore di RF e quindi risolvere i vari resistori di ingresso usando Equation (37). Se i valori dei resistori non sono in un intervallo pratico, torniamo indietro e cambiamo il valore del resistore di retroazione. Una volta risolti i resistori di ingresso, usiamo l'equazione (34) per forzare le resistenze a guardare indietro dai due ingressi op-amp. Selezioniamo i valori di Rx ed Ry per forzare questa uguaglianza. Mentre le equazioni (34) e (37) contengono le informazioni essenziali per il progetto, una considerazione importante è se includere o meno i resistori tra gli ingressi dell'amplificatore operazionale e la terra (Rx ed Ry). La soluzione può richiedere iterazioni per ottenere valori significativi (ad esempio, è possibile eseguire la soluzione una volta e ottenere valori di resistenza negativi). Per questo motivo, presentiamo una procedura numerica che semplifica la quantità di calcoli,
L'equazione (34) può essere riscritta come segue:
(38)
Sostituendo Equazione (37) in Equazione (38) otteniamo,
(39)
Ricordiamo che il nostro obiettivo è risolvere i valori dei resistori in termini di Xi ed Yj. Definiamo i termini di somma come segue:
(40)
Possiamo quindi riscrivere l'equazione (39) come segue:
(41)
Questo è un punto di partenza per la nostra procedura di progettazione. Richiama questo Rx ed Ry sono i resistori tra massa e gli ingressi non invertenti e invertenti, rispettivamente. La resistenza di feedback è indicata RF e un nuovo termine, Z, è definito come
(42)
Tabella (1) - Design amplificatore per il potenziamento
Possiamo eliminare uno o entrambi i resistori, Rx ed Ry, dal circuito di Figura (14). Cioè, uno o entrambi questi resistori possono essere impostati su infinito (cioè, a circuito aperto). Questo produce tre possibilità di design. A seconda dei fattori moltiplicativi desiderati relativi all'output da input, uno di questi casi produrrà la progettazione appropriata. I risultati sono riassunti in Tabella (1).
Progettazione di circuiti con TINA e TINACloud
Esistono diversi strumenti disponibili in TINA e TINACloud per l'amplificazione operazionale e la progettazione dei circuiti.
OTTIMIZZAZIONE
TINAI parametri del circuito sconosciuto della modalità di ottimizzazione possono essere determinati automaticamente in modo che la rete possa produrre un valore di uscita target predefinito, minimo o massimo. L'ottimizzazione è utile non solo nella progettazione di circuiti, ma nell'insegnamento, per costruire esempi e problemi. Si noti che questo strumento funziona non solo per amplificatori operazionali e circuiti lineari ideali, ma per qualsiasi circuito non lineare con modelli di dispositivi non lineari reali e altri.
Considera il circuito dell'amplificatore invertente con un vero amplificatore operazionale OPA350.
Con l'impostazione predefinita di questo circuito, la tensione di uscita del circuito è 2.5
Puoi facilmente controllarlo premendo il pulsante DC in TINACloud.
APPLICAZIONI
Analizza il seguente circuito utilizzando il simulatore di circuito online TINACloud per determinare Vsu in termini di tensioni di ingresso facendo clic sul collegamento sottostante.
Simulazione del circuito OPA350 con TINACloud
Simulazione del circuito OPA350 con TINACloud
Se l'ordine per preparare questo dovremmo selezionare il target Out = 3V e il parametro del circuito da determinare (oggetto di ottimizzazione) Vref. Per questo oggetto dovremmo anche definire una regione che aiuti la ricerca ma che rappresenti anche i vincoli.
Per selezionare e impostare il target di ottimizzazione in TINAC, fare clic sul pin Vout Voltage e impostare Target di ottimizzazione su Sì
Quindi fai clic sul pulsante ... nella stessa riga e imposta il valore su 3.
Premere OK in ciascuna finestra di dialogo per completare le impostazioni.
Ora selezioniamo e impostiamo l'oggetto di ottimizzazione Vref.
Fai clic su Vref quindi sul pulsante ... nella stessa riga
Seleziona Oggetto ottimizzazione nella lista in alto e imposta la casella di controllo Ottimizzazione / Oggetto.
Premere OK in entrambe le finestre di dialogo.
Se le impostazioni di ottimizzazione sono state eseguite correttamente, vedrai un segno >> su Out e un segno << su Vref come mostrato di seguito.
Ora seleziona Ottimizzazione dal menu Analisi e premi ESEGUI nella finestra di dialogo Ottimizzazione.
Dopo aver completato l'ottimizzazione, Vref trovato, il valore ottimale, verrà mostrato nella finestra di dialogo Ottimizzazione DC
È possibile studiare le impostazioni ed eseguire l'ottimizzazione online e verificare tramite Circuit Simulation utilizzando il link sottostante.
Esegui ottimizzazione dal menu Analisi quindi premi il pulsante DC in modo da vedere il risultato nel circuito ottimizzato (3V)
Ottimizzazione online e simulazione dei circuiti con TINACloud
Nota che in questo momento in TINACloud è inclusa solo una semplice ottimizzazione DC. Altre funzionalità di ottimizzazione sono incluse nella versione offline di TINA.
Ottimizzazione AC
Utilizzando la versione offline di TINA è possibile ottimizzare e riprogettare anche i circuiti CA.
Aprire il circuito passa basso MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, da Esempi \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro cartella di TINA, mostrato di seguito.
Eseguire AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Apparirà il seguente diagramma:
Il circuito ha una frequenza di taglio unitaria (0dB) e frequenza di taglio 1.45kHz.
Ora riprogettiamo il circuito usando AC Optimization e impostare il guadagno a bassa frequenza su 6dB e la frequenza di taglio su 900Hz.
Note: che normalmente lo strumento di ottimizzazione è applicabile solo per le modifiche. In caso di filtri potresti voler utilizzare piuttosto uno strumento di progettazione di filtri. Tratteremo questo argomento più tardi.
Ora usando Optimization the Gain e la frequenza Cutoff sono gli obiettivi di ottimizzazione.
Fare clic sull'icona "Seleziona obiettivo di ottimizzazione" sulla barra degli strumenti o sul menu Analisi "Seleziona obiettivo di ottimizzazione"
Il cursore cambierà nell'icona: 
. Fare clic sul pin Vout Voltage con il nuovo simbolo del cursore.
Apparirà la seguente finestra di dialogo:
Fai clic sui pulsanti delle funzioni dell'obiettivo AC. Apparirà la seguente finestra di dialogo:
Seleziona la casella di controllo Passa basso e imposta la frequenza di taglio Target su 900. Ora seleziona la casella di controllo Massimo e imposta il Target su 6.
Quindi selezionare i parametri del circuito che si desidera modificare per raggiungere gli obiettivi di ottimizzazione.
Clicca su 
simbolo o la riga Seleziona oggetto di controllo nel menu Analisi.
Il cursore cambierà al simbolo sopra. Fare clic sul condensatore C1 con questo nuovo cursore. Apparirà la seguente finestra di dialogo:
Premere il pulsante Seleziona. Apparirà la seguente finestra di dialogo:
Il programma imposta automaticamente un intervallo (vincolo) in cui verrà cercato il valore ottimale. Valore finale per 20n come mostrato sopra.
Ora ripeti la stessa procedura per R2. Imposta il valore finale su 20k.
Dopo aver completato la configurazione dell'ottimizzazione, selezionare Ottimizzazione / Ottimizzazione AC (trasferimento) dal menu Analisi.
Apparirà la seguente finestra di dialogo:
Accetta le impostazioni predefinite premendo OK.
Dopo un breve calcolo, viene trovato l'optimum e vengono visualizzati i parametri dei componenti modificati:
Infine controlla il risultato con la simulazione del circuito in esecuzione Esegui analisi AC / Caratteristica di trasferimento AC.
Come mostrato sul diagramma, sono stati raggiunti i valori target (Gain 6db, frequenza di taglio 900Hz).
Utilizzo dello Strumento di progettazione circuiti in TINA e TINACloud
Un altro metodo di progettazione dei circuiti in TINA e TINAcloud è l'utilizzo dello strumento Circuit Designer chiamato semplicemente Design Tool.
Lo strumento di progettazione funziona con le equazioni di progettazione del circuito per garantire che gli ingressi specificati generino la risposta di uscita specificata. Lo strumento richiede una dichiarazione di input e output e le relazioni tra i valori dei componenti. Lo strumento offre un motore di soluzione che è possibile utilizzare per risolvere ripetutamente e con precisione per vari scenari. I valori dei componenti calcolati vengono impostati automaticamente nello schema e si può verificare il risultato tramite simulazione.
Progettiamo l'amplificazione AC dello stesso circuito usando il nostro strumento Circuit Designer.
Aprire il circuito dalla cartella Design Tool di TINACloud. Apparirà la seguente schermata.
Ora eseguiamo Analisi AC / Caratteristica di trasferimento AC.
Apparirà il seguente diagramma:
Ora riprogettiamo il circuito per ottenere il guadagno unitario (0dB)
Richiama la riprogettazione di questo circuito dal menu Strumenti
Apparirà la seguente finestra di dialogo.
Impostare Gain su -1 (0 dB) e premere il pulsante Run.
I nuovi valori dei componenti calcolati appariranno immediatamente nell'editor schematico, disegnato in rosso.
Premi il pulsante Accetta.
Le modifiche saranno finalizzate. Eseguire di nuovo Analisi AC / Caratteristiche di trasferimento AC per verificare il circuito ridisegnato.
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1Questa tecnica è stata ideata da Phil Vrbancic, uno studente della California State University, a Long Beach, e presentato in un documento presentato al concorso IEEE Region VI.