5. Praktiniai „Op-amperai“

Praktiniai „Op-amperai“

Praktiniai „Op-amps“ priartina juos idealus skirtingais aspektais. Svarbu, kad grandinės dizaineris suprastų skirtumus tarp realių stiprintuvų ir idealių opperių, nes šie skirtumai gali neigiamai paveikti grandinės našumą.

Mūsų tikslas yra sukurti išsamų praktinio op-amp modelį - modelį, kuriame būtų atsižvelgiama į reikšmingiausias ne idealaus įrenginio charakteristikas. Pradedame apibrėždami parametrus, naudojamus apibūdinant praktinius op-amperus. Šie parametrai yra nurodyti op-amp gamintojo pateiktų duomenų lapų sąrašuose.

Lentelėje 1 išvardytos trijų konkrečių valdiklių parametrų vertės, viena iš trijų yra μA741. Naudojant μA741 operacinius stiprintuvus daugelyje pavyzdžių ir skyrių problemų, dėl šių priežasčių: (1) juos pagamino daugelis IC gamintojų (2), kurie yra rasti dideliais kiekiais visoje elektronikos pramonėje, ir ( 3) jie yra bendro naudojimo vidaus kompensuojami opsai, o jų savybės gali būti naudojamos kaip palyginimas lyginant su kitais op-amp tipo tipais. Kadangi įvairūs parametrai yra apibrėžti tolesniuose skirsniuose, norint rasti tipiškų verčių, reikia nurodyti 9.1 lentelę.

Praktiniai stiprintuvai, operaciniai stiprintuvai

1 lentelė. Op-amperų parametrų vertės

Svarbiausias skirtumas tarp idealaus ir tikrojo amperų yra įtampos padidėjime. Idealus op-amp turi įtampos padidėjimą, kuris artėja prie begalybės. Faktinis op-amp turi galutinį įtampos padidėjimą, kuris mažėja, kai padidėja dažnis (tai išsamiai nagrinėjame kitame skyriuje).

5.1 atvirojo kontūro įtampos padidėjimas (G)

„Op-amp“ atvirojo kontūro įtampos padidėjimas yra išėjimo įtampos pokyčio ir įėjimo įtampos pokyčio santykis be grįžtamojo ryšio. Įtampos padidėjimas yra matmenų kiekis. Simbolis G naudojamas atvirojo kontūro įtampos padidėjimui nurodyti. Op-amperai turi didelio įtampos padidėjimą mažo dažnio įvestims. „Op-amp“ specifikacijoje nurodomas įtampos padidėjimas voltais / milivoltais arba decibelais (dB) [apibrėžiamas kaip 20log10(v /vin)].

5.2 modifikuotas op-amp modelis 

14 pavaizduota modifikuota idealizuoto op-amp modelio versija. Mes pakeitėme idealizuotą modelį pridedant įėjimo atsparumą (Ri), išėjimo varža (Ro) ir pasipriešinimo įprastiniam režimui (Rcm).

op-amp, praktiniai stiprintuvai

14 pav. - Modifikuotas op-amp modelis

Tipinės šių parametrų vertės (741 op-amp) yra

Mes dabar apsvarstome 15 paveikslo grandinę, kad galėtume ištirti op-amp rezultatus. „Op-amp“ invertuojantys ir ne invertuojantys įėjimai yra valdomi iš šaltinių, kurie turi serijinį pasipriešinimą. „Op-amp“ išėjimas perduodamas į įvestį per rezistorių, RF.

Nurodomi du įėjimus valdantys šaltiniai vA ir v1ir su jais susiję serijos varžai RA ir R1. Jei įvesties grandinė yra sudėtingesnė, šios varžos gali būti laikomos tos grandinės Thevenin ekvivalentais.

Praktiniai stiprintuvai, operaciniai stiprintuvai

15 pav. - Op-amp grandinė

5.3 Įvesties įtampos įtampa (Vio)

Kai įvesties įtampa idealiam op-amp yra lygi nuliui, išėjimo įtampa taip pat yra lygi nuliui. Tai netinka faktiniam op-amp. The įvesties poslinkio įtampa, Vio, yra apibrėžiamas kaip diferencinės įvesties įtampa, reikalinga išėjimo įtampai lygi nuliui. Vio idealus op-amp yra nulis. Tipiška vertė Vio 741 op-amp yra 2 mV. Ne nulinė vertė Vio yra nepageidaujamas, nes op-amp sustiprina bet kokį įvesties poslinkį, taip sukeldamas didesnį našumą dc klaida.

Įvesties nuokrypio įtampai matuoti gali būti naudojamas šis metodas. Vietoj to, kad būtų pakeista įvesties įtampa, kad būtų galima priversti išėjimą į nulį, įvestis yra lygi nuliui, kaip parodyta 16 pav.

op-amperai, operaciniai stiprintuvai

16 pav. - Vio matavimo technika

Išėjimo įtampa, atsirandanti iš nulinio įėjimo įtampos, yra žinoma kaip išėjimo nuolatinės srovės kompensavimo įtampa. Įvesties poslinkio įtampa gaunama dalijant šį kiekį pagal atvirojo kontūro naudą, gautą naudojant op-amp.

Įvesties poslinkio įtampos poveikį galima įtraukti į op-amp modelį, kaip parodyta 17.

Be įvesties poslinkio įtampos, idealus op-amp modelis buvo papildomai modifikuotas pridėjus keturias varžas. Ro yra išėjimo varža, įėjimo atsparumas op-amp, Ri, yra matuojamas tarp invertuojančių ir neinvestuojančių terminalų. Modelyje taip pat yra rezistorius, jungiantis kiekvieną iš dviejų įėjimų į žemę.

Tai yra įprastinio režimo varžai, ir kiekvienas yra lygus 2Rcm. Jei įėjimai yra sujungti kartu, kaip pavaizduota 16, šie du rezistoriai yra lygiagrečiai, o bendras Thevenin atsparumas žemei yra Rcm. Jei op-amp yra idealus, Ri ir Rcm priartėti prie begalybės (ty atviros grandinės) ir Ro yra nulis (ty trumpasis jungimas).

17 pav. - Įvesties poslinkio įtampa

18 (a) paveiksle parodyta išorinė konfigūracija gali būti naudojama norint paneigti poslinkio įtampą. Kintamoji įtampa įjungiama į invertuojamą įvesties terminalą. Tinkamas šios įtampos pasirinkimas panaikina įvesties poslinkį. Panašiai 18 (b) paveiksle parodyta ši balansavimo grandinė, taikoma ne invertuojančiai įvestai.

praktiniai valdikliai, valdikliai

18 paveikslas - poslinkio įtampos balansavimas

PRITAIKYMĄ

Galite išbandyti 18 (a) grandinės įvesties poslinkio įtampos balansavimą, imituodami internetą su TINACloud grandinės simuliatoriumi, spustelėdami toliau pateiktą nuorodą.

Įvesties poslinkio įtampos balansavimo grandinės modeliavimas (a) su TINACloud

Įvesties poslinkio įtampos balansavimo grandinės modeliavimas (a) su TINACloud

Įvesties poslinkio įtampos balansavimo grandinės modeliavimas (a) su TINACloud

PRITAIKYMĄ

Galite išbandyti 18 (b) grandinės įvesties nuokrypio balansavimą, imituodami internetą su „TINACloud Circuit Simulator“, spustelėdami toliau pateiktą nuorodą:

Įvesties poslinkio įtampos balansavimo grandinės modeliavimas (b) su TINACloud

Įvesties poslinkio įtampos balansavimo grandinės modeliavimas (b) su TINACloud

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) su TINACloud

5.4 Įvesties poslinkio srovė (IŠališkumas)

Nors idealūs op-amp įėjimai neišskiria srovės, tikrieji op-amperai leidžia įjungti kiekvieną įėjimo terminalą. IŠališkumas yra dc srovė į įvesties tranzistorių, o tipinė vertė yra 2 μA. Kai šaltinio varža yra maža, IŠališkumas turi mažą poveikį, nes tai sąlygoja nedidelį įvesties įtampos pokytį. Tačiau su didelės varžos varomomis grandinėmis maža srovė gali sukelti didelę įtampą.

Šališkumo srovė gali būti modeliuojama kaip dvi srovės kriauklės, kaip parodyta 19.

op-amperai, operaciniai stiprintuvai

19 paveikslas - poslinkio įtampos balansavimas

Šių kriauklių vertės nepriklauso nuo šaltinio impedanso. The šališkumo srovė apibrėžiama kaip dviejų dabartinių kriauklių vidutinė vertė. Taigi

(40)

Skirtumas tarp dviejų kriauklių verčių yra žinomas kaip įvesties poslinkio srovė, Iio, ir yra

(41)

Tiek įvesties, tiek poslinkio srovė ir įvesties poslinkio srovė priklauso nuo temperatūros. The įvesties poslinkio srovės temperatūros koeficientas yra apibrėžiamas kaip poslinkio srovės ir temperatūros pokyčio santykis. Tipinė vertė yra 10 nA /oC. įvesties poslinkio srovės temperatūros koeficientas yra apibrėžiamas kaip nuokrypio srovės dydžio pokyčio santykis su temperatūros pokyčiu. Tipinė vertė yra -2nA /oC.

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

20 pav. - Įvesties šališkumo modelis

Įvesties šoninės srovės yra įtrauktos į 20 pav. Modelį, kuriame mes manome, kad įvesties poslinkio srovė yra nereikšminga.

Tai yra,

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

21 (a) - grandinė

Mes analizuojame šį modelį, kad rastume išėjimo įtampą, kurią sukelia įvesties poslinkio srovės.

21 (a) pavaizduota op-amp grandinė, kurioje inversijos ir ne inversijos įėjimai yra prijungti prie žemės per atsparumą.

21 (b) paveikslėlyje grandinė pakeičiama lygiaverte, kur mes nepaisėme Vio. Mes toliau supaprastiname grandinę 21 (c) paveiksle, nepaisydami Ro ir Rįkelti. Tai yra, mes manome RF >> Ro ir Rįkelti >> Ro. Produktų pakrovimo reikalavimai paprastai užtikrina, kad šios nelygybės būtų įvykdytos.

21 (d) schemoje grandinė toliau supaprastinama, kai priklausomo įtampos šaltinio ir rezistoriaus serijinis derinys pakeičiamas lygiagrečiu priklausomo srovės šaltinio ir rezistoriaus deriniu.

Galiausiai, sujungiame atsparumą ir keičiame abu srovės šaltinius atgal į įtampos šaltinius, kad gautume 21 (e) pav.

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

21 (b) ir (c) paveikslas - įvesties poslinkio efektai

Norėdami rasti išėjimo įtampą, naudojame kilpos lygtį.

(43)

kur

(44)

Bendrojo tipo pasipriešinimas, Rcm, yra kelių šimtų megohm diapazone daugumai opperių. Todėl

(45)

Jei darytume, kad Go yra didelė, lygtis (43) tampa lygtimi.

(46)

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

21 (d) ir (e) paveikslas - įvesties poslinkio efektai

Atkreipkite dėmesį, kad jei vertė yra R1 yra pasirinkta lygi, tada išėjimo įtampa yra lygi nuliui. Iš šios analizės darome išvadą, kad dc atsparumas V+ į žemę turėtų būti lygus dc atsparumas V- į žemę. Mes tai naudojame šališkumo balansas mūsų dizainuose daug kartų. Svarbu, kad tiek invertuojantys, tiek ne invertuojantys gnybtai turi a dc kelias į žemę, kad sumažėtų įvesties poslinkio srovės poveikis.

Įvesties poslinkis Dabartiniai, praktiniai stiprintuvai, operaciniai stiprintuvai

22 paveikslas - 1 pavyzdžio konfigūracijos

Pavyzdys 1

Rasti 22 pav. Konfigūracijų išėjimo įtampą IB = 80 nA = 8 10-8 A.
Sprendimas: Naudojame supaprastintą lygtį (46), kad rastume 22 (a) schemos grandinės išėjimo įtampą.

22 (b) paveikslo grandinei gauname

PRITAIKYMĄ

Be to, galite atlikti šiuos skaičiavimus su TINACloud grandinės simuliatoriumi, naudodami savo vertėjo įrankį spustelėdami toliau pateiktą nuorodą.

Įvesties poslinkio srovės modeliavimo grandinės modeliavimas

Įvesties poslinkio srovės modeliavimo grandinės modeliavimas su TINACloud

Įvesties poslinkio srovės modeliavimo grandinės modeliavimas su TINACloud

5.5 Bendrojo režimo atmetimas

Paprastai op-amp naudojamas stiprinti dviejų įvesties įtampų skirtumą. Todėl ji veikia diferencinis režimas. Pastovi įtampa, pridedama prie kiekvieno iš šių dviejų įėjimų, neturėtų paveikti skirtumo, todėl neturėtų būti perkelta į išvestį. Praktiniu atveju ši pastovi arba vidutinė įvesties vertė nėra įtakos išėjimo įtampai. Jei svarstome tik lygias dviejų įvesties dalių dalis, svarstome tai, kas vadinama bendras režimas.

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

23 pav. - Bendras režimas

Tarkime, kad du faktiniai op-amp įvadiniai terminalai yra sujungti ir tada į bendrą šaltinio įtampą. Tai iliustruojama 23 paveiksle. Idealu atveju išėjimo įtampa būtų lygi nuliui. Praktikoje šis išėjimas yra nulinis. Ne nulinės išėjimo įtampos ir taikomosios įvesties įtampos santykis yra bendrojo režimo įtampos padidėjimas, Gcm, bendrojo režimo atmetimo santykis (CMRR) yra apibrėžiamas kaip dc atvirojo kontūro padidėjimas, Go, į bendrą režimą. Taigi,

(47)

Tipinės CMRR reikšmės yra nuo 80 iki 100 dB. Pageidautina, kad CMRR būtų kuo didesnis.

5.6 Maitinimo šaltinio atmetimo santykis

Maitinimo šaltinio atmetimo santykis yra op-amp gebėjimo ignoruoti maitinimo įtampos pokyčius matas. Jei sistemos išvesties stadijoje gaunamas kintamas srovės kiekis, maitinimo įtampa gali skirtis. Tada šis apkrovos sukeltas maitinimo įtampos pokytis gali pakeisti kitų stiprintuvų, turinčių tą patį tiekimą, veikimą. Tai žinoma kaip pokalbis, ir tai gali sukelti nestabilumą.

Šios energijos tiekimo atmetimo santykis (PSRR) yra pasikeitimo santykis v iki bendro maitinimo įtampos pokyčio. Pavyzdžiui, jei teigiamas ir neigiamas tiekimas svyruoja nuo ± 5 V iki ± 5.5 V, bendras pokytis yra 11 - 10 = 1 V. PSRR paprastai nurodomas mikrovoltais už voltą arba kartais decibelais. Tipinių op-amperų PSRR yra apie 30 μV / V.

Siekiant sumažinti maitinimo įtampos pokyčius, kiekvienai opperių grupei turėtų būti tiekiamas maitinimas atsieta (ty, izoliuota) nuo kitų grupių. Tai riboja sąveiką su viena grupe op-amperų. Praktikoje kiekviena spausdintinės grandinės kortelė turi turėti maitinimo linijas, apeinančias 0.1-μF keramikos arba 1-μF tantalo kondensatorių. Tai užtikrina, kad apkrovos svyravimai nebus reikšmingai tiekiami į kitas korteles.

5.7 Išvesties varža

Kaip pirmąjį žingsnį nustatant išėjimo varžą, R , mes surandame Thevenin ekvivalentą op-amp grandinės daliai, parodytai langelyje, esančiame brūkšninėmis linijomis 24 paveiksle. Atkreipkite dėmesį, kad šioje analizėje ignoruojame ofsetinę srovę ir įtampą.

(24)

Kadangi grandinėje nėra nepriklausomų šaltinių, „Thevenin“ ekvivalentinė įtampa lygi nuliui, taigi grandinė yra lygi vienam rezistoriui. Rezistoriaus vertės negalima rasti naudojant rezistorių derinius. Norėdami rasti lygiavertį pasipriešinimą, tarkime, kad išėjimo laidams yra įtampos šaltinis v. Tada apskaičiuojame gautą srovę, i, ir pasiimti santykį v/i. Taip gaunamas atsparumas teveninui.

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

25 paveikslas (a dalis) - Thevenin ekvivalentinės grandinės

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

25 pav. (B dalis)

 

 

 

 

 

 

 

25 (a) iliustruoja taikomą įtampos šaltinį. Grandinė supaprastinama, kaip parodyta 25 (b).

Kontūras gali būti dar labiau sumažintas iki 25 (c) paveiksle, kur mes apibrėžiame dvi naujas varžas:

(48)

Darome prielaidą, kad R 'A << (R '1 + Ri) ir Ri >> R '1. 25 (d) paveikslo supaprastinta grandinė.

Įvesties diferencinė įtampa, vd, randama iš šios supaprastintos grandinės, naudojant įtampos skirstytuvo santykį.

(49)

Norėdami rasti išėjimo varžą, pradedame rašyti išvesties kilpos lygtį.

(50)

op-amp, operatyvinis stiprintuvas

25 paveikslas (c ir d dalys) - sumažintos Thevenin ekvivalentinės grandinės

Tuomet išvesties varža nustatoma lygtimi (51).

(51)

Daugeliu atvejų, Rcm yra toks didelis, kad R 'A»RA ir R1"»R1. Lygtis (51) gali būti supaprastinta naudojant nulinio dažnio įtampos padidėjimą, Go. Rezultatas yra lygtis (52).

(52)

PRITAIKYMĄ

Naudodami „TINACloud“ grandinės simuliatorių galite apskaičiuoti grandinės 25 (a) išėjimo varžą naudodamiesi grandinės modeliavimu spustelėdami toliau pateiktą nuorodą.

„Opamp Circuit Simulation“ su „TINACloud“ išvesties impedancija

„Opamp Circuit Simulation“ su „TINACloud“ išvesties impedancija

„Opamp Circuit Simulation“ su „TINACloud“ išvesties impedancija

 

Pavyzdys 2

Suraskite vienybės stiprinimo buferio išėjimo impedanciją, kaip parodyta 26.

praktiški operaciniai stiprintuvai

26 pav. - Vienybės stiprinimo buferis

 

Sprendimas:  Kai 26 paveikslo grandinė yra lyginama su 24 paveikslo grįžtamąja grandine, tai matome

Todėl,

Negalima naudoti lygties (51), nes nesame tikri, kad šiuo atveju taikomas nelygybė, dėl kurios supaprastinamas 25 (c) paveikslas. Tai reiškia, kad reikia supaprastinimo

Be šio supaprastinimo grandinė atitinka 27 pav.

Vieningumo stiprinimo buferis, praktiniai stiprintuvai, operaciniai stiprintuvai,

27 paveikslas - Ekvivalentinė grandinė Unity gain buferiui

Ši grandinė analizuojama siekiant rasti šiuos santykius:

Pirmojoje iš šių lygčių mes manome, kad Ro<< (R '1+Ri) << 2Rcm. Tada išėjimo varžą nurodo

Kur mes vėl naudojame nulinio dažnio įtampos padidėjimą, Go.