5. מעשיות אופ

מעשיות אופ

מעשיות אופ-אמפר משוער שלהם אידאל אך נבדלים בכמה היבטים חשובים. חשוב למעצב המעגל להבין את ההבדלים בין המגבר האופייני לבין המגבר האופטי האידיאלי, שכן הבדלים אלה יכולים להשפיע לרעה על ביצועי המעגל.

מטרתנו היא לפתח מודל מפורט של המודל המעשי - מודל המביא בחשבון את המאפיינים המשמעותיים ביותר של המכשיר הלא אידיאלי. אנו מתחילים בהגדרת הפרמטרים המשמשים לתיאור מגברי אופטיים מעשיים. פרמטרים אלה מפורטים ברישומים על גליונות נתונים שסופקו על ידי יצרן המגבר.

טבלה 1 מפרטת את ערכי הפרמטרים עבור שלושה אופ-אמפר מסוימים, אחד משלושתם הוא μA741. אנו משתמשים במגברים תפעוליים מסוג MICA741 ברבות מהדוגמאות ובסיומו של פרק פרק מהסיבות הבאות: (1) הם כבר מפוברקים על ידי יצרני IC רבים, (2) הם נמצאים בכמויות גדולות ברחבי תעשיית האלקטרוניקה, ו ( 3) הם מטרה כללית-פיצוי op- אמפר, ואת המאפיינים שלהם יכול לשמש התייחסות למטרות השוואה בעת התמודדות עם סוגים אחרים am-amp. כאשר הפרמטרים השונים מוגדרים בסעיפים הבאים, יש להתייחס לטבלה 9.1 כדי למצוא ערכים טיפוסיים.

מגבר אופציונלי, מגברים מבצעיים

טבלה 1 - ערכי פרמטרים עבור אופ-אמפר

ההבדל המשמעותי ביותר בין המגבר האופטי והאמפרטי בפועל הוא ברווח המתח. המגבר האופטי האידיאלי בעל רווח מתח המתקרב לאינסוף. המגבר אופ-בפועל יש רווח מתח סופי כי פוחתת עם תדירות מגביר (אנו לחקור את זה בפירוט בפרק הבא).

5.1 רווח מתח לולאה פתוח (G)

רווח המתח של לולאה פתוחה של מגבר אופ הוא היחס בין השינוי במתח המוצא לבין שינוי במתח הכניסה ללא משוב. מתח מתח הוא כמות ללא מימדים. סמל G משמש כדי להצביע על רווח לולאה מתח פתוח. מגברי אופ יש רווח מתח גבוה עבור תשומות בתדר נמוך. מפרט ה- op-amp מפרט את רווח המתח ב וולט למיליוולט או בדציבלים (dB) [המוגדרים כ- 20log10(vהַחוּצָה/vin)].

5.2 דגם אופ-אמפ שונה

איור 14 מראה גרסה שונה של מודל אופ-אמפ האידיאלי. שינינו את המודל אידיאליזציה על ידי הוספת התנגדות קלט (Ri), התנגדות פלט (Ro), ואת מצב משותף התנגדות (Rcm).

op-amp, אופציונלי op-amps

איור 14 - מודל אופ-אמפ שונה

ערכים אופייניים של פרמטרים אלה (עבור 741 op-amp) הם

עכשיו אנחנו רואים את המעגל של איור 15 כדי לבחון ביצועי AM-amp. ההכנסות המסתובבות ולא ההופכות של המגבר האופטי מונעות על ידי מקורות בעלי התנגדות לסדרה. הפלט של המגבר הוא מוזן בחזרה קלט דרך נגד, RF.

המקורות המניעים את שתי התשומות מסומנים vA ו v1, וההתנגדויות בסדרה המקושרות הן RA ו R1. אם מעגל הקלט מורכב יותר, ההתנגדויות האלה יכולות להיחשב כמקבילות מקבילות של המעגל.

מגבר אופציונלי, מגברים מבצעיים

איור 15 - אופ-Amp מעגל

5.3 מתח כניסה אופסט (Vio)

כאשר מתח הקלט למגבר אופציונלי הוא אפס, מתח המוצא הוא אפס. זה לא נכון עבור מגבר אופ. ה מתח קלט אופסט, Vio, מוגדר כמתח הזנה דיפרנציאלי הנדרש כדי להפוך את מתח המוצא שווה לאפס. Vio הוא אפס עבור המגבר האופטימלי. ערך טיפוסי של Vio עבור 741 op-amp הוא 2 mV. ערך לא אפס של Vio הוא לא רצוי כי מגבר אופ מגביר כל היסט היסט, ובכך גורם פלט גדול יותר dc שגיאה.

ניתן להשתמש בטכניקה הבאה כדי למדוד את המתח לקזז קלט. במקום לשנות את מתח הקלט על מנת לאלץ את הפלט לאפס, הקלט מוגדר לאפס, כפי שמוצג באיור 16, ומתח המוצא נמדד.

מגברים אופטיים, מגברים מבצעיים

איור 16 - טכניקה למדידת Vio

מתח המוצא הנובע ממתח קלט אפס ידוע בשם יציאת מתח DC. מתח היסט היסט מתקבל על ידי חלוקת כמות זו על ידי רווח לולאה פתוחה של המגבר op.

את ההשפעות של המתח לקזז קלט יכול להיות משולב לתוך מודל op-amp כפי שמוצג באיור 17.

בנוסף למתח הזנת קלט, המודל האופטי-אמפר האופייני שונה עוד יותר עם תוספת של ארבעה התנגדויות. Ro האם ה התנגדות פלט. ה התנגדות קלט של המגבר, Ri, נמדדת בין המסופים ההפוכים והבלתי-מפנים. המודל מכיל גם נגד הנכנס בין שתי התשומות לקרקע.

אלה התנגדויות מצב משותף, וכל אחד מהם שווה ל- 2Rcm. אם התשומות מחוברות יחד באיור 16, שני נגדים אלה מקבילים, והתנגדות המשולבת של Thevenin לקרקע היא Rcm. אם המגבר אופ אידיאלי, Ri ו Rcm גישה לאינסוף (כלומר, מעגל פתוח) Ro הוא אפס (כלומר, קצר).

איור 17 - מתח לקזז קלט

תצורה חיצונית שמוצג באיור 18 (א) ניתן להשתמש כדי לשלול את ההשפעות של מתח אופסט. מתח משתנה מוחל על מסוף הקלט ההפוכה. בחירה נכונה של מתח זה מבטלת את קיזוז הקלט. באופן דומה, איור 18 (b) ממחיש את מעגל האיזון הזה על קלט שאינו הפוך.

מגבר אופציונלי, אופ-אמפר

איור 18 - איזון מתח אופסט

בקשה

אתה יכול לבדוק את איזון המתח לקזז קלט של מעגל 18 (א) על ידי סימולציה מקוונת עם סימולטור מעגל TINACloud על ידי לחיצה על הקישור להלן.

קלט איזון מתח איזון סימולציה מעגל (א) עם TINACloud

קלט איזון מתח איזון סימולציה מעגל (א) עם TINACloud

קלט איזון מתח איזון סימולציה מעגל (א) עם TINACloud

בקשה

אתה יכול לבדוק את איזון קיזוז קלט של 18 (ב) מעגל על ​​ידי סימולציה מקוונת עם סימולטור מעגל TINACloud ידי לחיצה על הקישור הבא:

קלט איזון מתח איזון סימולציה מעגל (b) עם TINACloud

קלט איזון מתח איזון סימולציה מעגל (b) עם TINACloud

קלט איזון איזון סימולציה מעגל (ב) עם TINACloud

5.4 הקלט זרם (Iהטיה)

אף על פי שאמניות אופ-אמפר אידיאליות אינן מציגות שום זרם, מגברי אופ אמיתיים מאפשרים לכמה טבלאות קלט להיכנס לכל מסנן קלט. Iהטיה האם ה dc הנוכחי לתוך הטרנזיסטור קלט, ערך טיפוסי הוא 2 μA. כאשר עכבת המקור נמוכה, Iהטיה יש השפעה מועטה, שכן זה גורם לשינוי קטן יחסית מתח קלט. עם זאת, עם מעגלים נהיגה גבוהה עכבה, זרם קטן יכול להוביל למתח גדול.

זרם הטיה יכול להיות מודל כמו שני כיורים הנוכחי, כפי שמוצג באיור 19.

מגברים אופטיים, מגברים מבצעיים

איור 19 - איזון מתח אופסט

הערכים של כיורים אלה אינם תלויים בעכבת המקור. ה זרם הממתח מוגדר כערך הממוצע של שני הכיורים הנוכחיים. לכן

(40)

ההבדל בין שני ערכי הכיור ידוע בשם קלט היסט זרם, Iio, והוא נתון על ידי

(41)

גם זרם ההטיה-הקלט וגם זרם היסט הקלט תלוי בטמפרטורה. ה מקדם קלט מקדם טמפרטורה הנוכחי מוגדר כיחס של שינוי הטיה הנוכחית לשינוי בטמפרטורה. ערך טיפוסי הוא 10 nA /oג קלט מקדם טמפרטורה מקדם הנוכחי מוגדר כ היחס בין השינוי בגודלו של זרם ההיסט לקצב הטמפרטורה. ערך טיפוסי הוא -2nA /oC.

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 20 - מודל קלט מוטה הנוכחי

זרמי ההטיה של הקלט משולבים במודל op-amp של איור 20, שבו אנו מניחים כי זרם היסט הקלט הוא זניח.

כלומר,

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 21 (א) - המעגל

אנו מנתחים מודל זה כדי למצוא את מתח המוצא הנגרם על ידי זרמי הטיה קלט.

איור 21 (a) מציג מעגל אופ-אמפר שבו התשומות ההפוכות והבלתי-היוצרות מחוברות לקרקע באמצעות ההתנגדויות.

המעגל מוחלף על ידי המקבילה שלו באיור 21 (ב), שבו הזנחנו Vio. אנחנו עוד לפשט את המעגל באיור 21 (ג) על ידי הזנחה Ro ו Rלִטעוֹן. כלומר, אנחנו מניחים RF >> Ro ו Rלִטעוֹן >> Ro. דרישות הטעינה של פלט בדרך כלל להבטיח כי אי שוויון אלה מתקיימים.

המעגל מפושט עוד יותר באיור 21 (d), כאשר שילוב הסדרה של מקור המתח הנגד לבין הנגד מוחלף על ידי שילוב מקביל של מקור זרם נוגד תלוי.

לבסוף, אנו משלבים resistances ולשנות את שני מקורות הנוכחי בחזרה למקורות מתח כדי לקבל את המקבילה המקבילה פשוטה של ​​איור 21 (ה).

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 21 (b) ו- (c) - השפעות הקלט קלט

אנו משתמשים במשוואת לולאה כדי למצוא את מתח המוצא.

(43)

איפה

(44)

ההתנגדות במצב משותף, Rcm, הוא בטווח של כמה מאות megohms עבור רוב amps. לכן

(45)

אם נניח עוד Go הוא גדול, משוואה (43) הופך משוואה.

(46)

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 21 (ד) ו - (ה) - השפעות הקלט קלט

שים לב שאם הערך של R1 נבחרה להיות שווה, ואז מתח המוצא הוא אפס. אנו מסיקים מניתוח זה כי dc התנגדות מ V+ כדי הקרקע צריכה שווה dc התנגדות מ V- לקרקע. אנו משתמשים בזה - מאזן הטיה אילוץ פעמים רבות בעיצובים שלנו. חשוב כי הן מסופים היפוך ולא היפוך יש dc נתיב על הקרקע כדי להפחית את ההשפעות של זרם הטיה קלט.

מקלט זרם, מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 22 - תצורות עבור דוגמה 1

דוגמה 1

מצא את מתח המוצא עבור התצורות של איור 22 היכן IB = 80 nA = 8 10-8 A.
פתרון: אנו משתמשים בצורה פשוטה של ​​משוואה (46) כדי למצוא את המתח המוצא עבור המעגל של איור 22 (א).

עבור המעגל של איור 22 (ב), אנו מקבלים

בקשה

כמו כן, אתה יכול לבצע את החישובים האלה עם סימולטור מעגל TINACloud, באמצעות כלי המתורגמן שלה על ידי לחיצה על הקישור להלן.

הקלט זרם הדמיה מעגל סימולציה

הדמיה הנוכחית הדמיה סימולציה מעגל עם TINACloud

הדמיה הנוכחית הדמיה סימולציה מעגל עם TINACloud

5.5 דחייה במצב משותף

המגבר אופ משמש בדרך כלל כדי להגביר את ההבדל בין שני מתח הקלט. לכן היא פועלת מצב דיפרנציאלי. מתח מתמיד המתווסף לכל אחד משני אלה תשומות לא צריך להשפיע על ההבדל ולכן לא צריך להיות מועבר התפוקה. במקרה המעשי, ערך קבוע זה או ממוצע של התשומות עושה להשפיע על מתח המוצא. אם ניקח בחשבון רק את החלקים השווים של שתי התשומות, אנחנו שוקלים מה שמכונה מצב נפוץ.

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 23 - מצב משותף

נניח כי שני מסופי הקלט של מגבר אופ ממשי מחוברים זה לזה ולאחר מכן למתח מקור משותף. זה מתואר באיור 23. מתח המוצא יהיה אפס במקרה האידיאלי. במקרה המעשי, פלט זה אינו אפס. היחס בין מתח המוצא שאינו אפס למתח הקלט היישומי הוא רווח מצב מתח משותף, Gcm. ה מצב דחיית מצב שכיח (CMRR) מוגדר כשיעור של dc רווח פתוח לולאה, Go, לרווח מצב משותף. לפיכך,

(47)

ערכים טיפוסיים של טווח CMRR מ 80 ל 100 dB. זה רצוי יש CMRR גבוה ככל האפשר.

5.6 יחס דחיית ספק כוח

יחס דחיית ספק הכוח הוא מדד ליכולתו של המגבר כדי להתעלם מהשינויים במתח החשמל. אם שלב הפלט של המערכת מצייר כמות משתנה של זרם, מתח האספקה ​​יכול להשתנות. זה שינוי לטעון המושרה במתח ההיצע יכול לגרום לשינויים בפעולה של מגברים אחרים החולקים את אותו היצע. זה ידוע בשם דו-שיח, וזה יכול להוביל לחוסר יציבות.

ה יחס דחיית ספק כוח (PSRR) הוא היחס בין השינוי vהַחוּצָה על סך השינוי במתח החשמל. לדוגמה, אם אספקה ​​חיובית ושלילית משתנים מ 5 V ± ל 5.5 V, השינוי הכולל הוא 11 - 10 = 1 V. PSRR מוגדר בדרך כלל microvolts לכל וולט או לפעמים דציבלים. אופיי אופ-אמפר יש PSRR של כ 30 μV / V.

כדי להקטין את השינויים במתח האספקה, אספקת החשמל עבור כל קבוצה של op-amp צריכה להיות מנותקת (כלומר, מבודדים) מאלה של קבוצות אחרות. זה מגביל את האינטראקציה לקבוצה אחת של op-amps. בפועל, כל כרטיס מעגל מודפס צריך את קווי האספקה ​​לעקוף לקרקע באמצעות קרמיקה 0.1-μF או 1-μF טנטלום טנטלום. זה מבטיח כי וריאציות עומס לא יהיה להאכיל באופן משמעותי באמצעות ההיצע לכרטיסי אחרים.

5.7 התנגדות ההתנגדות

כצעד ראשון בקביעת התנגדות התפוקה, Rהַחוּצָה, אנו מוצאים את המקבילה שווה Thevenin עבור החלק של המעגל op-amp מוצג בתיבה מוקף בקווים מקווקווים באיור 24. שים לב שאנו מתעלמים מהזרם ההיסטורי ומהמתח שבניתוח זה.

(24)

מאחר והמעגל אינו מכיל מקורות עצמאיים, המתח השווה של Thevenin הוא אפס, ולכן המעגל שווה לנגד יחיד. לא ניתן למצוא את ערך הנגד באמצעות שילובי הנגד. כדי למצוא את ההתנגדות המקבילה, מניחים שמקור המתח, v, מוחל על הפלט של הפלט. לאחר מכן אנו לחשב את הנוכחי שנוצר, i, ולקחת את היחס v/i. זה מניב את ההתנגדות Thevenin.

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 25 (חלק א) - Thevenin מעגלים שווים

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 25 (חלק ב)

איור 25 (א) ממחיש את מקור המתח המופעל. המעגל הוא פשוט יותר, כי שמוצג באיור 25 (ב).

המעגל יכול להיות מופחת עוד יותר לזה שמוצג באיור 25 (ג), שבו אנו מגדירים שתי ההתנגדויות החדשות כדלקמן:

(48)

אנו מניחים את ההנחה RA <<R1 + Ri) ו Ri >> R1. מעגל פשוטה של ​​איור 25 (ד) תוצאות.

מתח הפרשי הקלט, vd, נמצא מעגל זה מפושט באמצעות יחס מחלק מתח.

(49)

כדי למצוא את ההתנגדות פלט, אנו מתחילים על ידי כתיבת משוואת לולאה פלט.

(50)

מגבר אופציונלי, מגבר תפעולי

איור 25 (חלקים c ו- d) - מופחת מעגלים מקבילים Thevenin

התנגדות ההתנגדות ניתנת לאחר מכן על ידי משוואה (51).

(51)

ברוב המקרים, Rcm הוא כל כך גדול RA»RA ו R1'»R1. משוואה (51) ניתן לפשט באמצעות רווח מתח אפס תדר, Go. התוצאה היא משוואה (52).

(52)

בקשה

אתה יכול לחשב את עכבת פלט של המעגל 25 (א) עם סימולציה מעגל באמצעות סימולטור מעגל TINACloud ידי לחיצה על הקישור להלן.

פלט עכבה של סימולציה מעגל Opamp עם TINACloud

פלט עכבה של סימולציה מעגל Opamp עם TINACloud

פלט עכבה של סימולציה מעגל Opamp עם TINACloud

דוגמה 2

מצא את עכבת פלט של המאגר רווח אחדות כפי שמוצג באיור 26.

מגבר אופציונלי, מגברים תפעוליים

איור 26 - אחדות צובר חיץ

פתרון: כאשר המעגל של איור 26 מושווה למעגל המשוב של איור 24, אנו מוצאים את זה

לכן,

משוואה (51) לא ניתן להשתמש, שכן אנו לא בטוחים כי אי השוויון המוביל לפשט של איור 25 (ג) חל במקרה זה. כלומר, פישוט דורש את זה

ללא פישוט זה, המעגל לוקח את הטופס שמוצג באיור 27.

אחדות צובר חיץ, מגברים אופטיים, מגברים תפעוליים,

איור 27 - מעגל מקביל לאחסון חיץ אחדות

מעגל זה מנותח כדי למצוא את היחסים הבאים:

במשוואה הראשונה, הנחנו כי Ro<<R1+Ri) << 2Rcm. התנגדות ההתנגדות ניתנת על ידי

איפה אנחנו שוב להשתמש רווח אפס מתח מתח, Go.