6. תכנון מעגלי אופ-אמפ

תכנון מעגלי אופ-אמפר

לאחר התצורה של מערכת אופ-אמפר ניתנת, אנחנו יכולים לנתח כי מערכת לקבוע את התפוקה במונחים של תשומות. אנו מבצעים ניתוח זה באמצעות ההליך שנדון בו קודם לכן (בפרק זה).

אם אתה רוצה עכשיו עיצוב מעגל המשלב תשומות אינפורטיוויות ולא היפוך, הבעיה מורכבת יותר. בבעיית תכנון, משוואה ליניארית רצויה ניתנת, ומעגל אופ-אמפר חייב להיות מתוכנן. התפוקה הרצויה של הקיץ מגבר מבצעית יכולה לבוא לידי ביטוי כמו שילוב ליניארי של תשומות,

(30)

איפה X1, X2 ...Xn הם הרווחים הרצויים על תשומות שאינם היפוך ו Ya, Yb ...Ym הם הרווחים הרצויים על תשומות הפוך. משוואה (30) מיושמת עם המעגל של איור (14).

מגבר תפעולי אידיאלי, תכנון מעגלי אופ-אמפר

איור 14 - מספר קלט הקיץ

מעגל זה הוא גרסה שונה מעט של המעגל של איור (13) (היפוך ו Inverting תשומות).

מגבר תפעולי אידיאלי, מגבר תפעולי

איור 13- היפוך ולא תשומות Inverting

השינוי היחיד שעשינו הוא לכלול נגדים בין כניסות אופ-אמפר לקרקע. ניתן לראות את הקרקע כקלט נוסף של אפס וולט המחובר באמצעות הנגד המתאים (Ry עבור קלט הפוך Rx עבור קלט שאינו הפוך). תוספת של נגדים אלה נותן לנו גמישות לעמוד בכל הדרישות מעבר לאלה של משוואה (30). לדוגמה, ערכי ההתנגדות עשויים להיות מוגדרים. ניתן להסיר או את שני הנגדים הנוספים האלה על ידי מתן אפשרות לערכים שלהם להגיע לאינסוף.

משוואה (29) מהקטע הקודם מראה כי ערכי הנגדים, Ra, Rb, ...Rm ו R1, R2, ...Rn הם ביחס הפוך את הרווחים הרצויים הקשורים מתח קלט בהתאמה. במילים אחרות, אם רווח גדול הוא הרצוי על מסוף קלט מסוים, אז ההתנגדות במסוף זה הוא קטן.

כאשר רווח לולאה פתוח של מגבר תפעולי, G, הוא גדול, מתח המוצא עשוי להיכתב במונחים של הנגדים המחוברים למגבר המבצעי כמו במשוואה (29). משוואה (31) חוזרת על ביטוי זה בפשטות קלה ובהוספת הנגדים לקרקע.

(31)

אנו מגדירים שתי התנגדויות מקבילות כדלקמן:

(32)

בקשה

לנתח את המעגל הבא באמצעות TINACloud כדי לקבוע Vהַחוּצָה במונחים של מתח הקלט על ידי לחיצה על הקישור להלן.

מספר רב של סימולציות סימולציה של מעגל הקיץ על ידי TINACloud

מספר רב של סימולציות סימולציה של מעגל הקיץ על ידי TINACloud

מספר רב של סימולציות סימולציה של מעגל הקיץ על ידי TINACloud

אנו רואים כי מתח המוצא הוא שילוב ליניארי של תשומות כאשר כל קלט מחולק על ידי ההתנגדות הקשורה שלו מוכפל בהתנגדות אחרת. ההתנגדות הכפולה היא RF עבור היפוך תשומות ו Req עבור תשומות שאינן היפוך.

מספר הבלתי ידועים בבעיה זו הוא + + m +3 (כלומר ערכי נגד הנגד). לכן עלינו לפתח + + m +משוואות 3 כדי לפתור עבור אלה unknowns. אנחנו יכולים לנסח n + m של משוואות אלה על ידי התאמת מקדמים נתון משוואה (30). כלומר, אנו פשוט לפתח את מערכת משוואות משוואות (30), (31) ו (32) כדלקמן:

(33)

מכיוון שיש לנו שלושה אלמונים נוספים, יש לנו את הגמישות לספק שלושה אילוצים נוספים. אילוצים נוספים אופייניים כוללים שיקולי התנגדות קלט שיש ערכים סבירים עבור נגדים (למשל, אתה לא רוצה להשתמש נגד נגד דיוק עבור R1 שווה ל- 10-4 אוהם!).

אמנם לא נדרש עבור עיצוב באמצעות op-amps האידיאלי, נשתמש אילוצים עיצוב חשוב עבור הלא אידיאל op-amps. עבור המגבר האופציונלי שאינו מהפך, ההתנגדות של Thevenin המביטה לאחור מהכניסה המהופכת היא בדרך כלל שווה לזו המביטה לאחור מהקלט שאינו הופך. עבור התצורה שמופיעה באיור (14), ניתן להביע את האילוצים הבאים באופן הבא:

(34)

השוויון האחרון נובע מההגדרה RA משוואה (32). החלפת תוצאה זו למשוואה (31) מניבה את האילוצים,

(35)

(36)

החלפת תוצאה זו לתוך משוואה (33) תשואות פשוט קבוצה של משוואות,

(37)

השילובים של משוואה (34) ו משוואה (37) לתת לנו את המידע הדרוש כדי לעצב את המעגל. אנו בוחרים ערך של RF ולאחר מכן לפתור עבור נגדים קלט שונים באמצעות משוואה (37). אם ערכי הנגדים אינם בטווח מעשי, אנו חוזרים ומשנים את הערך של נגד המשוב. לאחר שאנו פותרים את נגדי הקלט, אנו משתמשים במשוואה (34) כדי לאלץ את ההתנגדויות להיות שווה להסתכל אחורה מן שתי כניסות op-amp. אנו בוחרים ערכים של Rx ו Ry לכפות את השוויון הזה. בעוד שהמשוואות (34) ו- 37 מכילות את המידע החיוני לתכנון, שיקול חשוב אחד הוא האם לכלול את הנגדים בין תשומות ה- am-amp לבין הקרקע (Rx ו Ry). הפתרון עשוי לדרוש איטרציות כדי להשיג ערכים משמעותיים (כלומר אתה יכול לבצע את הפתרון פעם אחת לעלות עם ערכי התנגדות שלילית). מסיבה זו, אנו מציגים נוהל מספרי המפשט את כמות החישובים[1]

משוואה (34) ניתן לכתוב מחדש כדלקמן:

(38)

החלפת משוואה (37) למשוואה (38) נקבל,

(39)

נזכיר כי המטרה שלנו היא לפתור עבור ערכי נגדים במונחים של Xi ו Yj. תן לנו להגדיר את תנאי הסיכום כדלקמן:

(40)

לאחר מכן נוכל לשכתב את משוואה (39) כדלקמן:

(41)

זוהי נקודת התחלה עבור הליך העיצוב שלנו. נזכיר את זה Rx ו Ry הם נגדים בין הקרקע לבין תשומות שאינם היפוך והפוכה, בהתאמה. נגיד המשוב מסומן RF ו מונח חדש, Z, זה מוגדר כ

(42)

טבלה (1) - סומפינג מגבר עיצוב

אנו יכולים לחסל את שני הנגדים או את שניהם, Rx ו Ry, מן המעגל של איור (14). כלומר, אחד או שני נגדים אלה יכולים להיות מוגדר אינסוף (כלומר, פתוח מעגל). זה מניב שלוש אפשרויות עיצוב. בהתאם לגורמים הכפולים הרצויים הקשורים בפלט לקלט, אחד המקרים הללו יניב את העיצוב המתאים. התוצאות מסוכמות בטבלה (1).

עיצוב מעגל עם TINA ו TINACloud

ישנם מספר כלים זמינים TINA ו TINACloud עבור מגבר מבצעית עיצוב המעגל.

אופטימיזציה

טינהשל מצב אופטימיזציה של מעגלים לא ידועים ניתן לקבוע באופן אוטומטי, כך הרשת יכולה לייצר ערך יעד מוגדר מראש, מינימום או מקסימום. אופטימיזציה היא שימושית לא רק בעיצוב מעגלים, אלא בהוראה, כדי לבנות דוגמאות ובעיות. שים לב כי כלי זה עובד לא רק עבור מגברי אופ אידיאלי ומעגל ליניארי, אלא עבור כל מעגל לא לינארי עם מודלים לא ליניארי ומכשירים אחרים.

שקול את מעגל מגבר הפוך עם מגבר תפעולי אמיתי OPA350.

על ידי הגדרת ברירת המחדל של מעגל זה מתח המוצא של המעגל הוא 2.5

אתה יכול בקלות לבדוק את זה על ידי לחיצה על כפתור DC ב TINACloud.

בקשה

לנתח את המעגל הבא באמצעות סימולטור מעגל TINACloud מקוון כדי לקבוע Vהַחוּצָה במונחים של מתח הקלט על ידי לחיצה על הקישור להלן.

סימולציה מעגל עם TINACloud

סימולציה מעגל עם TINACloud

סימולציה מעגל עם TINACloud

עכשיו נניח שאנחנו רוצים להגדיר את המתח על ידי שינוי מתח Vref בעיצוב סכמטי.

אם כדי להכין את זה אנחנו צריכים לבחור את היעד החוצה = 3V ופרמטר מעגל שייקבע (אובייקט אופטימיזציה) Vref. עבור אובייקט זה אנו צריכים גם להגדיר אזור המסייע החיפוש אבל גם מייצג את האילוצים.

כדי לבחור ולהגדיר את יעד האופטימיזציה ב- TINACloud, לחץ על סיכת מתח Vout והגדר את יעד המיטוב ל- Yes

לאחר מכן לחץ על הלחצן ... באותה שורה ולהגדיר את הערך ל- 3.

לחץ על אישור בכל שיח כדי לסיים את ההגדרות.

עכשיו בואו לבחור ולהגדיר את האופטימיזציה Vref אובייקט.

לחץ על Vref ואז על הלחצן ... באותו קו

בחר באופטימיזציה אובייקט ברשימה בראש ולהגדיר את תיבת הסימון אופטימיזציה / אובייקט.

לחץ על אישור בשני תיבות הדו-שיח.

אם הגדרות האופטימיזציה היו מוצלחות תראה סימן >> ב- Out ו- << Sign at Vref כפי שמוצג להלן.

כעת בחר 'מיטוב' מתפריט 'ניתוח' ולחץ על 'הפעל' בתיבת הדו-שיח 'אופטימיזציה'.

לאחר השלמת האופטימיזציה, ה- Vref שנמצא, הערך האופטימלי, יוצג בתיבת הדו-שיח 'מיטוב DC'

אתה יכול ללמוד את ההגדרות ולהפעיל את אופטימיזציה באינטרנט ולבדוק על ידי סימולציה מעגל באמצעות הקישור שלהלן.
הפעל את ייעול מתפריט ניתוח ולאחר מכן לחץ על לחצן DC כדי לראות את התוצאה במעגל אופטימיזציה (3V)

אופטימיזציה באינטרנט סימולציה מעגל עם TINACloud

שים לב כי בשלב זה ב TINACloud רק אופטימיזציה פשוטה DC נכלל. תכונות אופטימיזציה נוספות נכללות בגרסה הלא מקוונת של TINA.

אופטימיזציה של AC

באמצעות גרסה לא מקוונת של TINA אתה יכול לייעל ולעצב מחדש מעגלים AC גם כן.

פתח את MFB 2nd להזמין Chebyshev LPF.TSC נמוך לעבור מעגל, מן דוגמאות \ תיקיית Texas Instruments \ Filters_FilterPro של TINA, המוצג להלן.

הפעל AC / AC העברת מאפיין.

התרשים הבא יופיע:

המעגל יש אחדות (0dB) רווח ו 1.45kHz תדר Cutoff.

עכשיו בואו לעצב מחדש את המעגל באמצעות מיטוב AC ו להגדיר את תדירות נמוכה רווח 6dB ואת תדר Cutoff ל 900Hz.

הערות שבדרך כלל כלי האופטימיזציה החל על שינויים בלבד. במקרה של מסננים ייתכן שתרצה להשתמש בכלי עיצוב מסנן. אנו נדון בנושא מאוחר יותר.

עכשיו באמצעות אופטימיזציה של רווח ואת תדירות Cutoff הם מטרות אופטימיזציה.

לחץ על הסמל "בחר ייעול יעד" בסרגל הכלים או בתפריט הניתוח "בחר יעד לאופטימיזציה"

הסמן ישתנה לסמל: . לחץ על סיכת המתח Vout עם סמל הסמן החדש.

תיבת הדו-שיח הבאה תופיע:

לחץ על לחצני פונקציות יעד AC. תיבת הדו-שיח הבאה תופיע:

סמן את תיבת הסימון 'מעבר נמוך' והגדר את תדר חיתוך היעד ל 900. כעת סמן את תיבת הסימון המקסימלית והגדר את היעד 6.

לאחר מכן בחר את פרמטרים המעגל שבו אתה רוצה לשנות כדי להגיע ליעדי אופטימיזציה.

לחץ על סמל או בשורת בחירת אובייקט בחירה בתפריט ניתוח.

הסמן ישתנה לסמל לעיל. לחץ על הקבל C1 באמצעות הסמן החדש. תיבת הדו-שיח הבאה תופיע:

לחץ על לחצן הבחירה. תיבת הדו-שיח הבאה תופיע:

התוכנית קובעת באופן אוטומטי טווח (אילוץ) שבו הערך האופטימלי יחפש. סיים את הערך ל- 20n כפי שמוצג למעלה.

עכשיו לחזור על הליך זהה R2. הגדר את ערך הסיום ל- 20k.

לאחר שתסיים את הגדרת האופטימיזציה, בחר אופטימיזציה / אופטימיזציית AC (העברה) מתפריט הניתוח.

תיבת הדו-שיח הבאה תופיע:

קבל את הגדרות ברירת המחדל על-ידי הקשה על אישור.

לאחר חישוב קצר האופטימלי נמצא ופרמטרים רכיב השתנה מופיעים:

לבסוף לבדוק את התוצאה עם סימולציה מעגל פועל הפעלה AC ניתוח / AC העברת אופייני.

כפי שמוצג בתרשים ערכי היעד (רווח 6db, תדר חיתוך 900Hz) כבר הגיע.

באמצעות המעצב כלי כלי ב TINA ו TINACloud

שיטה נוספת של שיטת עיצוב מעגלים ב TINA ו TINACloud היא באמצעות בנוי הוא מעגל מעצב כלי שנקרא פשוט כלי עיצוב.

כלי עיצוב עובד עם משוואות העיצוב של המעגל שלך על מנת להבטיח את התשומות שצוינו התוצאה התגובה פלט שצוין. הכלי דורש ממך הצהרה על תשומות ותפוקות ועל היחסים בין ערכי המרכיבים. הכלי מציע לך מנוע פתרון שבו אתה יכול להשתמש כדי לפתור באופן חוזר ומדויק עבור תרחישים שונים. ערכי המרכיבים המחושבים נקבעים באופן אוטומטי במקום הסכימטי וניתן לבדוק את התוצאה באמצעות סימולציה.

בואו לעצב את הגברה AC של המעגל אותו באמצעות כלי המעגל שלנו מעצב.

פתח את המעגל מהתיקייה Design Tool של TINACloud. המסך הבא יופיע.

עכשיו בואו להפעיל AC / AC מאפיין העברת.

התרשים הבא יופיע:

עכשיו בואו לעצב מחדש את המעגל כדי לקבל אחדות אחדות (0dB)

הפעל את העיצוב מחדש של מעגל זה מתפריט כלים

תיבת הדו-שיח הבאה תופיע.

הגדר רווח ל- 1 (0 dB) ולחץ על הלחצן הפעלה.

ערכי המרכיבים החדשים המחושבים יופיעו מיד בעורך הסכימטי, המצויר בצבע אדום.

לחץ על הלחצן קבל.

השינויים יסתיימו. הפעל AC / ניתוח מאפייני AC שוב לבדוק את המעגל מחדש.

-------------------------------------------------- -

1טכניקה זו הומצאה על ידי פיל Vrbancic, סטודנט באוניברסיטת קליפורניה המדינה, לונג ביץ ', והוצג במאמר שהוגש לתחרות נייר IEEE אזור השישי.