6 オペアンプ回路の設計

オペアンプ回路の設計

オペアンプシステムの構成が決まったら、 分析します そのシステムは、入力に関して出力を決定します。 この分析は、(この章で)前述した手順を使用して実行します。

あなたが今欲しいなら デザイン 反転入力と非反転入力の両方を組み合わせた回路では、問題はさらに複雑になります。 設計問題においては、所望の一次方程式が与えられ、オペアンプ回路を設計しなければならない。 演算増幅器加算器の所望の出力は、入力の線形結合として表すことができる。

(30)

コラボレー X1, X2 ...Xn 非反転入力の所期のゲイン Ya, Yb ...Ym 反転入力の所期のゲインです。 式(30)は図(14)の回路で実装されています。

理想的なオペアンプ、オペアンプ回路の設計

図14 - 複数入力サマー

この回路は図(13)の回路をわずかに修正したものです(反転および非反転入力).

理想的なオペアンプ、オペアンプ

図13-反転入力と非反転入力

唯一の変更は、オペアンプ入力とグランドの間に抵抗を含めることです。 グランドは対応する抵抗を介して接続されたゼロボルトの追加入力と見なすことができます(Ry 反転入力用 Rx 非反転入力の場合) これらの抵抗を追加すると、式(30)の要件を超える要件を柔軟に満たすことができます。 たとえば、入力抵抗を指定できます。 これらの追加の抵抗器のいずれかまたは両方は、それらの値を無限大にすることによって削除できます。

前のセクションの式(29)は、抵抗の値が Ra, Rb、...Rm および R1, R2、...Rn は、それぞれの入力電圧に関連する望ましいゲインに反比例します。 言い換えれば、特定の入力端子において大きな利得が望まれる場合、その端子における抵抗は小さい。

オペアンプの開ループゲインが G、が大きい場合、出力電圧は、式(XNUMX)のように、演算増幅器に接続された抵抗に関して書くことができる。 式(29)は、この表現を少し単純化し、さらにグランドに抵抗を追加して繰り返します。

(31)

次のように2つの等価抵抗を定義します。

(32)

お申込み

TINACloudを使用して次の回路を分析し、Vを決定しますでる 下のリンクをクリックして、入力電圧に関して

TINACloudによる多入力加算回路シミュレーション

TINACloudによる多入力加算回路シミュレーション

TINACloudによる多入力加算回路シミュレーション

出力電圧は入力の線形結合であり、各入力はそれに関連付けられた抵抗で除算され、別の抵抗で乗算されています。 増倍抵抗は RF 反転入力用 Req 非反転入力用です。

この問題の未知数は n + m +3(すなわち、未知の抵抗値)。 それ故私達は開発する必要があります n + m +これらの未知数を解くための3方程式。 定式化できます n + m 式(30)で与えられた係数を一致させることによって、これらの式を計算します。 つまり、式(30)、(31)、および(32)から連立方程式を次のように単純に開発します。

(33)

未知数が3つあるので、さらに3つの制約を満たす柔軟性があります。 一般的な追加の制約条件としては、入力抵抗の考慮事項と抵抗値に妥当な値を設定することが挙げられます(たとえば、高精度の抵抗値を使用する必要はないでしょう)。 R1 10と等しい-4 オーム!)

理想的なオペアンプを使用した設計には必要ありませんが、理想的でないオペアンプにとって重要な設計制約を使用します。 非反転オペアンプの場合、反転入力から見たテブナン抵抗は、通常、非反転入力から見たものと等しくなります。 図(14)に示す構成の場合、この制約は次のように表すことができます。

(34)

最後の平等はの定義から生じる RA 式(XNUMX)から。 この結果を式(32)に代入すると、制約が得られます。

(35)

(36)

この結果を式(33)に代入すると、一連の単純な式が得られます。

(37)

式(34)と式(37)の組み合わせにより、回路設計に必要な情報が得られます。 値を選択します RF 次に、式(37)を使ってさまざまな入力抵抗を求めます。 抵抗の値が実用的な範囲内にない場合は、戻ってフィードバック抵抗の値を変更します。 入力抵抗を求めたら、式(34)を使って2つのオペアンプ入力から見て抵抗値が等しくなるようにします。 の値を選択 Rx および Ry この平等を強制します。 式(34)と(37)には設計に不可欠な情報が含まれていますが、重要な考慮事項のXNUMXつは、オペアンプの入力とグランドの間に抵抗を含めるかどうかです(Rx および Ry) 解決策は、意味のある値を得るために反復を必要とするかもしれません(すなわち、あなたは一度解決策を実行し、負の抵抗値を考え出すことができます)。 このため、計算量を単純化する数値的手順を提示します。【1]

式(34)は次のように書き直すことができます。

(38)

式(37)を式(38)に代入すると、

(39)

私たちの目標は以下の点で抵抗値を求めることであることを思い出してください。 Xi および Yj. 以下のように総和項を定義しましょう。

(40)

その後、式(39)を次のように書き換えることができます。

(41)

これが私たちの設計手順の出発点です。 それを思い出します Rx および Ry は、それぞれグランドと非反転および反転入力の間の抵抗です。 フィードバック抵抗は RF そして新しい言葉 Z、 と定義されている

(42)

テーブル(1) - サミングアンプの設計

一方または両方の抵抗を削除できます。 Rx および Ry、図(14)の回路から。 すなわち、これらの抵抗器の一方または両方を無限大に設定することができる(すなわち、開回路)。 これは3つの設計可能性を生み出す。 出力を入力に関連付ける望ましい倍率によっては、これらのケースの1つが適切な設計になります。 結果は表(XNUMX)に要約されている。 

TINAとTINACloudによる回路設計

TINAとTINACloudには、オペアンプと回路設計用のツールがいくつかあります。

最適化

TINAの最適化モードの未知の回路パラメータを自動的に決定できるため、ネットワークは事前定義されたターゲット出力値(最小または最大)を生成できます。 最適化は、回路設計だけでなく、例や問題を構築するための教育にも役立ちます。 このツールは、理想的なオペアンプや線形回路だけでなく、実際の非線形およびその他のデバイスモデルを備えた非線形回路でも機能することに注意してください。

実数オペアンプOPA350を備えた反転増幅回路を考えてみましょう。

この回路のデフォルト設定では、回路の出力電圧は2.5です。

TINACloudのDCボタンを押すことでこれを簡単に確認できます。

お申込み

TINACloudオンライン回路シミュレータを使用して次の回路を分析し、Vを決定しますでる 下のリンクをクリックして、入力電圧に関して

TINACloudによるOPA350回路シミュレーション

TINACloudによるOPA350回路シミュレーション

TINACloudによるOPA350回路シミュレーション

回路図設計でVref電圧を変更してこの電圧を設定したいとします。

これを準備するために我々は目標Out = XNUMXVと決定されるべき回路パラメータ(最適化オブジェクト)Vrefを選択するべきである。 このオブジェクトでは、検索に役立つだけでなく制約も表す領域も定義する必要があります。

TINACloudで最適化ターゲットを選択して設定するには、Vout Voltageピンをクリックして最適化ターゲットをYesに設定します。

次に同じ行の…ボタンをクリックして、値を3に設定します。

各ダイアログで[OK]を押して設定を終了します。

次に、Vref最適化オブジェクトを選択して設定しましょう。

同じ行のVrefをクリックしてから…ボタンをクリックします。

上部のリストで「最適化オブジェクト」を選択し、「最適化/オブジェクト」チェックボックスを設定します。

両方のダイアログで[OK]を押します。

最適化の設定が正常に行われた場合、以下に示すように、Outに>>記号が表示され、Vrefに<<記号が表示されます。

今すぐ分析メニューから最適化を選択し、最適化ダイアログボックスでRUNを押します。

最適化が完了すると、検出されたVref(最適値)がDC最適化ダイアログに表示されます。

以下のリンクを使用して、設定を調べてオンラインで最適化を実行し、回路シミュレーションで確認することができます。
解析メニューから最適化を実行してDCボタンを押すと、最適化された回路(3V)に結果が表示されます。

TINACloudによるオンライン最適化と回路シミュレーション

現時点ではTINACloudでは単純なDC最適化のみが含まれています。 TINAのオフライン版には、より多くの最適化機能が含まれています。

AC最適化

TINAのオフライン版を使用すると、AC回路も最適化して再設計できます。

からMFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSCローパス回路を開きます。 TINAのExamples \ Texas Instruments \ Filters_FilterProフォルダ、 下に示された。

AC解析/ AC伝達特性を実行します。

次の図が表示されます。

この回路は、1(0dB)のゲインと1.45kHzのカットオフ周波数を持っています。

それではAC最適化を使って回路を再設計しましょう。 低周波数のゲインを6dBに、カットオフ周波数を900Hzに設定します。

Note それは通常、変更に対してのみ適用可能な最適化ツールです。 フィルタの場合は、フィルタ設計ツールを使用することをお勧めします。 このトピックについては後で説明します。

最適化を使用して、ゲインとカットオフ周波数が最適化のターゲットになります。

ツールバーまたは[分析]メニューの[最適化ターゲットの選択]アイコンをクリックします。

カーソルがアイコンに変わります。 。 新しいカーソル記号でVout Voltageピンをクリックします。

以下のダイアログが表示されます。

AC目標機能ボタンをクリックします。 以下のダイアログが表示されます。

Low Passチェックボックスをチェックして、Target cut-off frequencyをに設定します。 900。 次に、[最大]チェックボックスをオンにして、[ターゲット]を[ 6.

次に、最適化目標を達成するために変更したい回路パラメータを選択します。

クリック   AnalysisメニューのシンボルまたはSelect Control Object行を選択します。

カーソルが上の記号に変わります。 この新しいカーソルでC1コンデンサをクリックします。 以下のダイアログが表示されます。

選択ボタンを押します。 以下のダイアログが表示されます。

プログラムは、最適値が検索される範囲(制約)を自動的に設定します。 上記のように、終了値を20nにします。

ここで、R2に対して同じ手順を繰り返します。 End値を20kに設定します。

最適化設定が完了したら、解析メニューから最適化/ AC最適化(転送)を選択します。

以下のダイアログが表示されます。

OKを押してデフォルト設定を受け入れます。

簡単に計算すると、最適値が見つかり、変更されたコンポーネントパラメータが表示されます。

最後に、Run AC Analysis / AC Transfer Characteristicを実行している回路シミュレーションで結果を確認します。

図に示すように、目標値(ゲイン6db、カットオフ周波数900Hz)に達しています。

TINAとTINACloudでCircuit Designerツールを使用する

TINAとTINAcloudで回路を設計する方法のもう1つの方法は、単に設計ツールと呼ばれる回路設計ツールです。

設計ツールは回路の設計方程式と連携して、指定された入力が指定された出力応答になるようにします。 このツールでは、入力と出力、およびコンポーネント値間の関係についての記述が必要です。 このツールは、さまざまなシナリオで繰り返し正確に解決するために使用できるソリューションエンジンを提供します。 計算された部品の値は自動的に回路図の所定の位置に設定され、シミュレーションによって結果を確認することができます。

Circuit Designerツールを使用して、同じ回路のAC増幅を設計しましょう。

TINACloudのDesign Toolフォルダから回路を開きます。 次のような画面が表示されます。

それでは、AC Analysis / AC Transfer Characteristicを実行しましょう。

次の図が表示されます。

それでは、ユニティゲイン(0dB)を持つように回路を再設計しましょう。

ToolsメニューからRedesign this Circuitを起動します。

以下のダイアログが表示されます。

ゲインを-1(0 dB)に設定して、Runボタンを押します。

計算された新しいコンポーネントの値はすぐに回路図エディタに赤で表示されます。

確定ボタンを押します。

変更が確定します。 AC解析/ AC伝達特性を再度実行して、再設計された回路を確認してください。

 

 

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1この手法は、ロングビーチのカリフォルニア州立大学の学生であるPhil Vrbancicによって考案され、IEEE Region VI Prize Paper Contestに提出された論文で発表されました。