5. Тәжірибелік ампер

Тәжірибелік ампер

Практикалық Опперптер оларды жақындастырады мінсіз бірақ кейбір маңызды жағынан айырмашылығы бар. Схема дизайнер үшін нақты ампер-амптар мен идеалды ампер-амптар арасындағы айырмашылықты түсіну маңызды, себебі бұл айырмашылықтар тізбектің жұмысына кері әсерін тигізуі мүмкін.

Біздің мақсат - практикалық op-amp-дің егжей-тегжейлі моделін жасау - идеал емес құрылғының маңызды сипаттамаларын ескеретін модель. Біз практикалық оп-амперді сипаттау үшін қолданылатын параметрлерді анықтаудан бастаймыз. Бұл параметрлер op-amp өндірушісі ұсынған деректер парақтарының тізімінде көрсетілген.

Кесте 1 параметрі үш нақты ампер үшін тізімдейді, олардың үшеуі μA741 болып табылады. Біз μA741 операциялық күшейткіштерін көптеген мысалдар мен тараудың соңғы тарауларында пайдаланамыз: (1) көптеген IC өндірушілері (2) олар электроника өнеркәсібінде үлкен мөлшерде табылған және ( 3) олар жалпы мақсаттағы ішінара өтелетін оп-амптер болып табылады және олардың қасиеттері басқа оп-амп түрлерімен жұмыс істеу кезінде салыстыру мақсаттары үшін сілтеме ретінде пайдаланылуы мүмкін. Әр түрлі параметрлер келесі бөлімдерде анықталғандықтан, әдеттегі мәндерді табу үшін кесте 9.1-ға сілтеме жасалуы керек.

Тәжірибелік ампер, амалдық күшейткіштер

Кесте 1 - Оп-ампер үшін параметр мәндері

Идеал мен нақты опампалар арасындағы ең маңызды айырмашылық кернеуді арттыруда. Керемет амп-амптың шексіздікке жететін кернеу күші бар. Нақты оп-амптың кернеудің соңғы артуы бар, ол жиілік артып келеді (бұл туралы келесі тарауда егжей-тегжейлі қарастырамыз).

5.1 Open-Loop кернеуінің пайдасы (G)

Оп-амптың ашық ілмекті кернеуі - шығыс кернеуіндегі өзгеріс кері байланыссыз кіріс кернеуінің өзгеруіне қатынасы. Кернеудің жоғарылауы - өлшемсіз мөлшер. G белгісі ашық-тұйықталған кернеудің пайда болуын көрсету үшін пайдаланылады. Оп-амптың төменгі жиіліктегі кірулер үшін жоғары кернеу пайдасы бар. Оп-амптың сипаттамасында кернеудің вольтқа шаққанда милливольт немесе децибелде (дБ) [20log10(vсыртында/vin)).

5.2 Modified Op-amp моделі 

Сурет 14 идеалданған op-amp моделі өзгертілген нұсқасын көрсетеді. Біз енгізілген қарсылықты қосу арқылы идеалдандырылған модельді өзгерттік (Ri), шығыс кедергісі (Ro) және жалпы режимдегі қарсылық (Rcm).

амп-амп, практикалық ампер

Сурет 14 - өзгертілген op-amp моделі

Бұл параметрлердің типтік мәндері (741 op-amp үшін)

Оп-амптың жұмысын тексеру үшін 15 фигурасының схемасын қарастырайық. Оп-амптың инвертирующие және инвертирующие кірістері сериялы кедергісі бар көздерден басқарылады. Оп-амптың шығысы резистор арқылы кіруге қайтарылады, RF.

Екі кірісті басқаратын көздер көрсетіледі vA және v1, және соған байланысты бірқатар серпілістер бар RA және R1. Егер кіріс схемасы күрделі болса, онда бұл кедергілерді осы схеманың Thevenin эквиваленті ретінде қарастыруға болады.

Тәжірибелік ампер, амалдық күшейткіштер

Сурет 15 - Op-amp тізбегі

5.3 Кірісті ажырату кернеуі (Vio)

Ideal op-amp үшін кіріс кернеуі нөлге тең болғанда, шығыс кернеуі де нөлге тең болады. Бұл нақты оп-амп үшін дұрыс емес. The кіріс кернеуі, Vio, шығыс кернеуін нөлге теңестіру үшін қажетті дифференциалдық кіріс кернеуі ретінде анықталады. Vio ideal op-amp үшін нөлге тең. Әдеттегі мән Vio 741 op-amp үшін 2 мВ құрайды. Нөлдік емес мән Vio оп-амп кез-келген кіріс жиілігін күшейтеді, бұл үлкен шығынды тудырады dc Қате.

Кіріс офсет кернеуін өлшеу үшін келесі техниканы пайдалануға болады. Кіріс кернеуін өзгертпестен, шығуды нөлге дейін күшейту үшін, сурет 16-да көрсетілгендей, кіріс нөлге тең болады және шығу кернеуі өлшенеді.

оп-амптар, операциялық күшейткіштер

Сурет 16 - Vio өлшеу әдісі

Нөлдік кіріс кернеуінен шығатын шығу кернеуі ретінде белгілі демалыс dc офсет кернеуі. Кіріс офсет кернеуі осы санды оп-амптың ашық циклдік кірісіне бөлу арқылы алынады.

Кіріс офсет кернеуінің әсерлері 17 суретте көрсетілгендей Op-Amp үлгісіне қосылуы мүмкін.

Кіріс офсет кернеуін қосумен қатар, оп-амптың мінсіз үлгісі төрт кедергісін қосу арқылы одан әрі модификацияланған. Ro болып табылады шығыс кедергісі. The кіріс кедергісі Оп-амптың, Ri, инвертируемых және инвертирующим терминалдармен өлшенеді. Модельде екі кірісті жермен байланыстыратын резистор бар.

Бұл жалпы режимдегі кедергілер, және олардың әрқайсысы 2-ге теңRcm. Егер кірулер 16-дегідей біріктірілсе, онда бұл екі резистор параллельде, ал жерге біріктірілген Thevenin қарсылығы Rcm. Егер op-amp мінсіз болса, Ri және Rcm жақындату шексіздік (яғни, ашық схема) және Ro нөлге тең (яғни қысқа тұйықталу).

Сурет 17 - Кіру офсет кернеуі

18 (a) суретте көрсетілген сыртқы конфигурация офсеттік кернеудің әсерлерін жоққа шығару үшін пайдаланылуы мүмкін. Айнымалы кернеу инвертингтік кіріс терминалына қолданылады. Осы кернеуді дұрыс таңдау кіріс офсетін жояды. Сол сияқты, сурет 18 (b) де осы инвертируемый енгізу үшін қолданылатын осы теңгеру контурын суреттейді.

практикалық ампер, ампер-амптар

Сурет 18 - шамадан тыс кернеуді теңестіру

ӨТІНІШ

Төмендегі сілтемені басу арқылы TINACloud Circuit Simulator-мен интернетте имитациялау арқылы 18 (a) тізбегінің кіріс сигналын теңестіруін тексеруге болады.

TINACloud құрылғысымен кірістірілген вольт теңгерімінің схемасын моделдеу (a)

TINACloud құрылғысымен кірістірілген вольт теңгерімінің схемасын моделдеу (a)

TINACloud құрылғысымен кірістірілген вольт теңгерімінің схемасын моделдеу (a)

ӨТІНІШ

Төменде келтірілген сілтемені басу арқылы TINACloud Circuit Simulator бағдарламасымен онлайн имитациялау арқылы 18 (b) контурының Input Offset теңгерімін тексеруге болады:

Input Offset кернеуді теңдестіруді Circuit Simulation (b) көмегімен TINACloud

Input Offset кернеуді теңдестіруді Circuit Simulation (b) көмегімен TINACloud

Input Offset теңгерімін Circuit Simulation (b) TINACloud арқылы

5.4 Кіріс сигналының ағымы (IБиас)

Ideal op-amp inputs ешқандай ток болмаса да, нақты оп-амптар әрбір кіріс терминалына кейбір биттік токтың кіруіне мүмкіндік береді. IБиас болып табылады dc кірісті транзисторға енгізеді және әдеттегі мән 2 μA. Бастапқы импеданс төмен болған кезде, IБиас Кіріс кернеуінің шамалы өзгеруіне әкелетіндіктен, бұл өте аз әсер етеді. Дегенмен, жоғары импеданс жүргізуші схемалары бар болса, шағын ток үлкен кернеуге әкелуі мүмкін.

Дискінің ағымы 19-де көрсетілгендей, екі ағымдық үй-жай ретінде модельдеуге болады.

оп-амптар, операциялық күшейткіштер

Сурет 19 - шамадан тыс кернеуді теңестіру

Бұл раковиналардың құндылығы көздің импедансынан тәуелсіз. The ағымдық ток екі ағымдық раковинаның орташа мәні ретінде анықталады. Осылайша

(40)

Екі раковинаның мәндерінің арасындағы айырма ретінде белгілі кіріс ығысқан ток, Iio, және берілген

(41)

Кіріспе-ағыс тогы және кіріс шығыс тогының температурасы тәуелді. The кіріспе ағымдағы температура коэффициенті температураның өзгеруіне арналған биастың өзгеруінің қатынасы ретінде анықталады. Әдеттегі мән 10 nA /oC. кіріс коэффициенті ығысқан ток шамасының өзгеруінің температураның өзгеруіне қатынасы ретінде анықталады. Әдеттегі мән -2нA /oC.

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 20 - кіріс биттік ток моделі

Кіріспе жақты ағымдары 20 форматындағы op-amp моделіне енгізілген, мұнда кіріс шығыс тогы елеусіз деп есептеледі.

Бұл,

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 21 (a) - Схема

Біз бұл модельді кіріс кернеуін табу үшін талдап, кіріс биты ағымдары.

Сурет 21 (a) инвертирующие және шіріп емес кірулер кедергілер арқылы жерге қосылатын op-amp тізбегін көрсетеді.

Схема 21 (b) суреттегі эквивалентімен ауыстырылады, онда біз елемей қалдым Vio. 21 (c) суреттегі схеманы ескермей, одан әрі жеңілдетеміз Ro және RЖүктеме. Яғни, біз болжап отырмыз RF >> Ro және RЖүктеме >> Ro. Шығынды жүктеу талаптары әдетте осы теңсіздіктердің орындалуын қамтамасыз етеді.

Схема 21 (d) суреттегідей жеңілдетілген, онда тәуелді кернеу көзі мен резистордың комбинациясы тәуелді ток көзі мен резистордың параллель комбинациясымен ауыстырылады.

Ақыр соңында, біз қарсылықтарды біріктіріп, ағымдық көздерді кернеу көздеріне ауыстырып, 21 (e) суреттегі оңайлатылған эквивалентін аламыз.

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 21 (b) және (c) - кіріс әсерлері

Шығу кернеуін табу үшін циклдік теңдеуді қолданамыз.

(43)

қайда

(44)

Жалпы режимдегі қарсылық, Rcm, оп-амптың көпшілігінде бірнеше жүз момоттық диапазонда орналасқан. Сондықтан

(45)

Егер бұдан әрі де солай ойласақ Go үлкен, теңдеу (43) теңдеу болады.

(46)

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 21 (d) және (e) - Енгізілген қиғаш әсерлері

Назар аударыңыз, егер мәні R1 тең болса, онда шығу кернеуі нөлге тең болады. Осы талдаудан қорытынды жасаймыз dc қарсылық V+ жерге дейін тең болуы керек dc қарсылық V- жерге дейін. Біз мұны пайдаланамыз теңсіздік балансы біздің дизайнымызда бірнеше рет шектеу. Төңкерілген және қайтарылмайтын терминалдардың екеуі де маңызды dc кіріс битығының ток әсерін азайту үшін жерге бағытталған жол.

Кіріс сигналы Ағымдағы, практикалық ампер, амалдық күшейткіштер

22-сурет - 1-мысал үшін конфигурациялар

Мысал 1

Формула 22 конфигурациялары үшін шығыс кернеуін табыңыз IB = 80 nA = 8 10-8 A.
Шешім: 46 (a) суреттегі тізбектегі шығыс кернеулерін табу үшін теңдеудің жеңілдетілген формасын (22) қолданамыз.

Сурет 22 (b) схемасы үшін біз аламыз

ӨТІНІШ

Сондай-ақ, осы есептеулерді TINACloud тізбегі тренажерімен орындауға болады, оның төмендегі сілтемесін басу арқылы аудармашының құралын қолданыңыз.

Кіріс сигналының ағымдағы модельдеу схемасын модельдеу

TINACloud арқылы кіріс биалығы ағымдағы модельдеуді схемалық модельдеу

TINACloud арқылы кіріс биалығы ағымдағы модельдеуді схемалық модельдеу

5.5 Жалпы режимді қабылдамау

Оп-амп әдетте екі кіріс кернеуінің арасындағы айырмашылықты күшейту үшін қолданылады. Сондықтан ол жұмыс істейді дифференциалдық режим. Осы екі кірістің әрқайсысына қосылған тұрақты кернеу айырмашылыққа әсер етпеуі керек, сондықтан оны шығысқа ауыстыруға болмайды. Практикалық жағдайда кірістердің бұл тұрақты немесе орташа мәні жасайды шығыс кернеуіне әсер етеді. Егер біз тек екі кірістің тең бөліктерін қарастырсақ, біз сол сияқты белгілі деп қарастырамыз жалпы режим.

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 23 - Жалпы режим

Белсенді оп-амптың екі кіріс терминалы біріктіріліп, содан кейін жалпы көз кернеуіне барады деп есептейік. Бұл суретте 23 суретте көрсетілген. Керемет жағдайда шығу кернеуі нөлге тең болады. Іс жүзінде бұл шығыс нөлге тең емес. Нөлден тыс шығыс кернеуінің қолданбалы кіріс кернеуіне қатынасы жалпы режимдегі кернеудің өсуі, Gcm. The жалпы режимді қабылдамау коэффициенті (CMRR) қатынасы ретінде анықталады dc ашық циклдік кіріс, Go, ортақ режим пайдасына. Осылайша,

(47)

CMNR типтік мәндері 80-ден 100-ге дейін. Мүмкіндігінше CMRR мүмкіндігінше жоғары деңгейде ұстау керек.

5.6 Қуат көзінен бас тарту коэффициенті

Электр қуатын беруден бас тарту коэффициенті - оп-амптың қуаттың кернеуіндегі өзгерістерді елемеуге қабілеттілігі. Егер жүйенің шығу сатысы айнымалы ток ағынының мөлшерін тартса, кернеудің өзгеруі мүмкін. Бұл кернеудегі жүктеме келтірген өзгеріс бірдей жабдықты бөлетін басқа күшейткіштердің жұмысына өзгерістер енгізуі мүмкін. Бұл белгілі кросс-баяндама, және бұл тұрақсыздыққа әкелуі мүмкін.

The қуат беруден бас тарту коэффициенті (PSRR) - өзгерістің қатынасы vсыртында электрмен жабдықтау кернеуінің жалпы өзгеруіне. Мысалы, егер оң және теріс қоректер ± 5 В-тан ± 5.5 В-қа дейін өзгерсе, жалпы өзгеріс 11 - 10 = 1 В құрайды. Әдеттегі оп-амперлерде PSRR шамамен 30 мкВ / В құрайды.

Қорек кернеуіндегі өзгерістерді азайту үшін оп-амптың әрбір тобына арналған қорек көзі болуы керек бөлшектелген (яғни, оқшауланған) басқа топтардың. Оп-амптың бір тобына өзара әрекеттесуді шектейді. Іс жүзінде, әрбір баспа карточкасы 0.1-μF керамика немесе 1-μF тантал конденсаторы арқылы жер үстіне өтетін жеткізу сызықтарына ие болуы керек. Бұл жүктің өзгеруі басқа карталарға жеткізу арқылы елеусіз болады.

5.7 Шығыс кедергісі

Шығу кедергісін анықтаудағы алғашқы қадам ретінде, Rсыртында, 24-дегі кесілген сызықтарға салынған қорапта көрсетілген оп-амп-тізбектің бөлігі үшін Thevenin эквивалентін табамыз. Есіңізде болсын, біз бұл талдауда ток пен ток кернеуіне назар аудармаймыз.

(24)

Схемада тәуелсіз көздер болмағандықтан, Февениннің баламалы кернеуі нөлге тең, сондықтан тізбек жалғыз резисторға тең. Резистордың мәнін резистор тіркесімдерін қолдану арқылы табу мүмкін емес. Эквивалентті қарсылықты табу үшін, шығыс сымдарға кернеу көзі, v қолданылады деп ұйғарыңыз. Содан кейін алынған токты есептейміз, i, қатынасын алайық v/i. Бұл Thevenin қарсылығын береді.

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 25 (а бөлігі) - Февениннің эквиваленттік тізбектері

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 25 (бөлік b)

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 25 (a) қосымша кернеу көзін суреттейді. Схема 25 (b) суретте көрсетілгендей жеңілдетілген.

Схеманы 25 (c) суретте көрсетілгенге дейін төмендетуге болады, мұнда келесі екі жаңа кедергі анықтайды:

(48)

Біз бұл болжамды жасаймыз R 'A << (R '1 + Ri) және Ri >> R '1. Сурет 25 (d) нәтижелерінің оңайлатылған тізбегі.

Кіру дифференциалдық кернеуі, vd, кернеуді бөлгіш коэффициентінің көмегімен осы оңайлатылған тізбектен табылған.

(49)

Шығу кедергісін табу үшін шығыс циклінің теңдеуін жазу арқылы басталады.

(50)

оп-амп, операциялық күшейткіш

Сурет 25 (с және г бөліктері) - Тевениннің эквивалентті тізбектері азайтылған

Шығу кедергісі кейін теңдеу (51) арқылы беріледі.

(51)

Көп жағдайда, Rcm соншалықты үлкен R 'A»RA және R1«»R1. Теңдеу (51) нөлдік жиіліктегі кернеуді арттыру арқылы оңайлатылады, Go. Нәтиже - теңдеу (52).

(52)

ӨТІНІШ

Төмендегі сілтемені басу арқылы TINACloud Circuit Simulator көмегімен тізбекті имитациялайтын 25 (а) тізбектің шығыс кедергілерін есептеуге болады.

TINACloud көмегімен оппусты сұлбалық модельдеудің шығу кедергісі

TINACloud көмегімен оппусты сұлбалық модельдеудің шығу кедергісі

TINACloud көмегімен оппусты сұлбалық модельдеудің шығу кедергісі

 

Мысал 2

Сурет 26-де көрсетілгендей, бірлік-пайда буферінің шығу импедансын табыңыз.

практикалық ампер, амалдық күшейткіштер

Сурет 26 - Бірлікке жету буфері

 

Шешім:  Сурет 26 схемасы 24 кері байланыс схемасымен салыстырылған кезде, біз оны анықтаймыз

Сондықтан,

Теңдеу (51) пайдаланылмайды, өйткені біз бұл жағдайда 25 (c) суретін оңайлатуға әкелетін теңсіздіктердің қолданылуына сенімді емеспіз. Яғни, жеңілдету бұл талап етеді

Бұл оңайлатпай, схема 27 суретте көрсетілген пішінді қабылдайды.

Бірлікке жету буфері, практикалық ампер ампер, операциялық күшейткіштер,

Сурет 27 - Бірлік кіріс буферіне арналған эквиваленттік схема

Бұл схема келесі қатынастарды табу үшін талданады:

Осы теңдеулердің алғашқысында біз оны қабылдадық Ro<< (R '1+Ri) << 2Rcm. Шығу кедергісі кейін беріледі

Біз нөлдік жиіліктегі кернеуді қайтадан пайдаланатын жерде, Go.