6. Op-amp shēmu projektēšana
PAŠREIZĒJS - 6. Op-amp shēmu dizains
PREVIOUS- 5. Kombinētas invertēšanas un neinvertējošas ieejas
Op-amp shēmu projektēšana
Kad op-amp sistēmas konfigurācija ir dota, mēs varam analizēt šo sistēmu, lai noteiktu izlaidi izejvielu izteiksmē. Mēs veicam šo analīzi, izmantojot iepriekš aprakstīto procedūru (šajā nodaļā).
Ja jūs tagad vēlaties dizains ķēde, kas apvieno gan apgrieztās, gan neinvestējošās izejvielas, problēma ir sarežģītāka. Projektēšanas problēmā tiek dots vēlamais lineārais vienādojums, un jāizstrādā op-amp ķēde. Darbības pastiprinātāja vasaras vēlamo izeju var izteikt kā lineāru kombināciju,
(30)
kur X1, X2 ...Xn ir vēlamie ieguvumi pie neinvertējošām ieejām un Ya, Yb ...Ym ir vēlamie ieguvumi pie apgrieztām ieejām. Vienādojums (30) tiek īstenots ar attēla (14) ķēdi.
Attēls 14 - vairāku ievades vasara
Šī shēma ir nedaudz pārveidota attēla (13) shēmas versija.Ieeju pārveidošana un neinvertēšana).
Attēls 13 - ieejas invertēšana un nepārvēršana
Vienīgā izmaiņa, ko esam izdarījuši, ir rezistoru iekļaušana starp op-amp ieejām un zemi. Zemi var uzskatīt par papildu ieeju ar nulli voltiem, kas savienoti ar atbilstošo rezistoru (Ry par apgriezto ieeju un Rx par neinvertējošo ieeju). Šo rezistoru pievienošana dod mums elastību, izpildot visas prasības, kas nav vienādas (30) prasības. Piemēram, var būt norādītas ieejas pretestības. Katru no šiem papildu rezistoriem var noņemt, ļaujot to vērtībām nonākt bezgalībā.
Vienādojums (29) no iepriekšējā sadaļas parāda, ka rezistoru vērtības, Ra, Rb, ...Rm un R1, R2, ...Rn ir apgriezti proporcionāli vēlamajiem ieguvumiem, kas saistīti ar attiecīgajiem ieejas spriegumiem. Citiem vārdiem sakot, ja vēlamais ieejas terminālis ir vēlams, tad šī termināla pretestība ir neliela.
Kad operatīvā pastiprinātāja atvērtā cikla pieaugums, G, ir liels, izejas spriegums var tikt rakstīts ar rezistoriem, kas pievienoti operatīvajam pastiprinātājam, kā vienādojumā (29). Vienādojums (31) atkārto šo izteiksmi ar nelielu vienkāršošanu un rezistoru pievienošanu zemei.
(31)
Mēs definējam divas līdzvērtīgas rezistences šādi:
(32)
PIELIETOJUMA
Izmantojot TINACloud, analizējiet šo ķēdi, lai noteiktu Vārā attiecībā uz ieejas spriegumiem, noklikšķinot uz tālāk redzamās saites.
TINACloud veiktā vairāku ievades vasaras shēmu simulācija
TINACloud veiktā vairāku ievades vasaras shēmu simulācija
Mēs redzam, ka izejas spriegums ir ieeju lineāra kombinācija, kur katra ieeja ir sadalīta ar saistīto pretestību un reizināta ar citu pretestību. Reizināšanas pretestība ir RF par apgrieztām ieejām un Req neinvestējošām ieejām.
Nezināmo skaits šajā problēmā ir n + m +3 (ti, nezināmās pretestības vērtības). Tāpēc mums ir jāattīsta n + m +3 vienādojumi, lai atrisinātu šos nezināmos. Mēs varam formulēt n + m no šiem vienādojumiem, saskaņojot dotos koeficientus vienādojumā (30). Tas ir, mēs vienkārši izstrādājam vienādojumu sistēmu no vienādojumiem (30), (31) un (32) šādi:
(33)
Tā kā mums ir vēl trīs nezināmi, mums ir elastība, lai apmierinātu vēl trīs ierobežojumus. Tipiski papildu ierobežojumi ietver ieejas pretestības apsvērumus un pamatotas vērtības attiecībā uz rezistoriem (piemēram, jūs nevēlaties izmantot precizitātes rezistoru R1 vienāds ar 10-4 omi!).
Lai gan tas nav nepieciešams dizaina izmantošanai, izmantojot ideālus opperus, mēs izmantosim dizaina ierobežojumu, kas ir svarīgs ne-ideāliem opperiem. Neinvertējošam op-amp, Thevenin pretestība, kas atskatās no apgrieztās ieejas, parasti ir vienāda ar to, kas atskatās no neinvertējošā ieejas. Konstrukcijai, kas parādīta attēlā (14), šo ierobežojumu var izteikt šādi:
(34)
Pēdējā vienlīdzība izriet no. \ T RA no vienādojuma (32). Šī rezultāta aizstāšana ar vienādojumu (31) dod ierobežojumu,
(35)
(36)
Šī rezultāta aizstāšana ar vienādojumu (33) dod vienkāršu vienādojumu kopu,
(37)
Vienādojuma (34) un vienādojuma (37) kombinācijas sniedz mums nepieciešamo informāciju, lai izstrādātu shēmu. Mēs izvēlamies vērtību RF un pēc tam atrisiniet dažādus ieejas rezistorus, izmantojot vienādojumu (37). Ja rezistoru vērtības nav praktiskā diapazonā, mēs atgriežamies un mainām atgriezeniskās saites rezistora vērtību. Kad mēs atrisināsim ieejas rezistorus, mēs izmantojam vienādojumu (34), lai piespiestu pretestības būt vienādām, atskatoties no abām op-amp ieejām. Mēs izvēlamies vērtības Rx un Ry piespiest šo vienlīdzību. Lai gan vienādojumi (34) un (37) satur būtisku informāciju par konstrukciju, viens svarīgs apsvērums ir tas, vai rezistorus iekļaut vai neiekļaut op-amp ieejās un zemēRx un Ry). Risinājums var prasīt iterācijas, lai iegūtu nozīmīgas vērtības (ti, jūs varat veikt risinājumu vienu reizi un nākt klajā ar negatīvām pretestības vērtībām). Šī iemesla dēļ mēs piedāvājam skaitlisku procedūru, kas vienkāršo aprēķinu apjomu[1]
Vienādojumu (34) var pārrakstīt šādi:
(38)
Iegūstam vienādojumu (37) vienādojumā (38),
(39)
Atgādināt, ka mūsu mērķis ir atrisināt pretestību vērtības attiecībā uz Xi un Yj. Ļaujiet mums definēt summēšanas terminus šādi:
(40)
Pēc tam mēs varam pārrakstīt vienādojumu (39) šādi:
(41)
Tas ir sākuma punkts mūsu projektēšanas procedūrai. Atgādiniet, ka Rx un Ry ir rezistori starp zemi un attiecīgi neinvertējošām un invertējošām ieejām. Atgriezeniskās saites rezistors ir apzīmēts RF un jauns termins, Z, ir definēts kā
(42)
Tabula (1) -Summing Amplifier Design
Mēs varam novērst vienu vai abus rezistorus, Rx un Ry, no attēla (14) shēmas. Tas nozīmē, ka vienu vai abus no šiem rezistoriem var iestatīt uz bezgalību (ti, atvērtu). Tas dod trīs dizaina iespējas. Atkarībā no vēlamajiem reizināšanas faktoriem, kas saistīti ar izlaidi, viens no šiem gadījumiem dos atbilstošu dizainu. Rezultāti ir apkopoti tabulā (1).
Circuit dizains ar TINA un TINACloud
TINA un TINACloud ir pieejami vairāki rīki operatīvajam pastiprinātājam un shēmas projektēšanai.
Optimizācija
TINAOptimizēšanas režīma nezināmos ķēdes parametrus var noteikt automātiski, lai tīkls varētu radīt iepriekš noteiktu mērķa izejas vērtību, minimālo vai maksimālo. Optimizācija ir noderīga ne tikai shēmu projektēšanā, bet arī mācībā, lai izveidotu piemērus un problēmas. Ņemiet vērā, ka šis rīks darbojas ne tikai ideāliem op-ampēriem un lineārajai ķēdei, bet arī jebkurai nelineārai ķēdei ar reāliem nelineāriem un citiem ierīču modeļiem.
Apsveriet invertējošo pastiprinātāju ķēdi ar reālu darbības pastiprinātāju OPA350.
Pēc šīs shēmas noklusējuma iestatījuma ķēdes izejas spriegums ir 2.5
To var viegli pārbaudīt, nospiežot DC pogu TINACloud.
PIELIETOJUMA
Analizējiet šo ķēdi, izmantojot TINACloud tiešsaistes shēmas simulatoru, lai noteiktu Vārā attiecībā uz ieejas spriegumiem, noklikšķinot uz tālāk redzamās saites.
OPA350 shēmas simulācija ar TINACloud
OPA350 shēmas simulācija ar TINACloud
Lai to sagatavotu, mums jāizvēlas noteiktais mērķa Out = 3V un shēmas parametrs (Optimizācijas objekts) Vref. Šim objektam mums ir jādefinē arī reģions, kas palīdz meklēt, bet arī atspoguļo ierobežojumus.
Lai atlasītu un iestatītu optimizācijas mērķi TINACloud, noklikšķiniet uz Vout Voltage pin un iestatiet optimizēšanas mērķi uz Yes
Nākamajā rindā noklikšķiniet uz pogas… un iestatiet vērtību 3.
Lai pabeigtu iestatījumus, katrā dialoglodziņā nospiediet OK.
Tagad atlasīsim un iestatīsim Vref optimizācijas objektu.
Vienā rindā noklikšķiniet uz pogas Vref, tad ...
Sarakstā, kas atrodas uz augšu, atlasiet Optimizācijas objektu un atzīmējiet izvēles rūtiņu Optimizācija / Objekts.
Abos dialogos nospiediet OK.
Ja optimizācijas iestatījumi bija sekmīgi, pie Out redzēsiet >> zīmi un pie Vref << zīmi, kā parādīts zemāk.
Tagad izvēlnē Analīze atlasiet Optimizācija un dialoglodziņā Optimizācija nospiediet RUN.
Pēc optimizēšanas pabeigšanas DC optimizācijas dialoglodziņā tiks parādīts atrastais Vref - optimālā vērtība
Jūs varat izpētīt iestatījumus un palaist optimizāciju tiešsaistē un pārbaudīt, izmantojot Circuit Simulation, izmantojot tālāk norādīto saiti.
Izpildiet optimizāciju no analīzes izvēlnes un pēc tam nospiediet DC pogu, lai redzētu rezultātu optimizētajā ķēdē (3V)
Tiešsaistes optimizācija un shēmas simulācija ar TINACloud
Ņemiet vērā, ka šajā laikā TINACloud ir iekļauta tikai vienkārša DC optimizācija. Vairāk optimizācijas funkciju ir iekļautas TINA bezsaistes versijā.
AC optimizācija
Izmantojot TINA bezsaistes versiju, varat arī optimizēt un pārveidot maiņstrāvas ķēdes.
Atveriet MFB 2nd pasūtījumu Chebyshev LPF.TSC zemas caurlaidības shēmu no Piemēri Texas Instruments filtra TIN mape, parādīts zemāk.
Palaidiet AC analīzi / maiņstrāvas pārneses raksturojumu.
Tiks parādīta šāda diagramma:
Ķēdei ir vienotība (0dB) Gain un 1.45kHz Cutoff frekvence.
Tagad ļaujiet pārveidot shēmu, izmantojot AC optimizāciju un iestatiet zemo frekvenci Gain uz 6dB un Cutoff frekvenci uz 900Hz.
Piezīmes ka parasti optimizācijas rīks ir piemērojams tikai izmaiņām. Filtru gadījumā jūs varat izmantot drīzāk filtru dizaina rīku. Mēs šo jautājumu izskatīsim vēlāk.
Tagad, izmantojot optimizāciju, Gain un Cutoff frekvence ir optimizācijas mērķi.
Rīkjoslā vai izvēlnē Analīze noklikšķiniet uz “Atlasīt optimizācijas mērķi” noklikšķiniet uz ikonas “Atlasīt optimizācijas mērķi”.
Kursors mainīsies uz ikonu: 
. Noklikšķiniet uz Vout sprieguma tapas ar jauno kursora simbolu.
Tiks parādīts šāds dialogs:
Noklikšķiniet uz AC mērķa funkciju pogas. Tiks parādīts šāds dialogs:
Atzīmējiet izvēles rūtiņu Zema caurlaide un iestatiet Target cut-off frekvenci uz 900. Tagad atzīmējiet izvēles rūtiņu Maksimums un iestatiet Mērķis uz 6.
Tālāk atlasiet ķēdes parametrus, kurus vēlaties mainīt, lai sasniegtu optimizācijas mērķus.
Noklikšķiniet 
izvēlnē Analīze izvēlieties simbolu vai Izvēlēties kontroles objektu.
Kursors mainīsies uz iepriekš redzamo simbolu. Noklikšķiniet uz C1 kondensatora ar šo jauno kursoru. Tiks parādīts šāds dialogs:
Nospiediet izvēles pogu. Tiks parādīts šāds dialogs:
Programma automātiski nosaka diapazonu (ierobežojumu), kurā tiks meklēta optimālā vērtība. Beigt vērtību uz 20n, kā parādīts iepriekš.
Tagad atkārtojiet to pašu procedūru R2. Iestatiet beigu vērtību 20k.
Pēc Optimizācijas iestatīšanas pabeigšanas izvēlnē Analīze atlasiet Optimizācija / AC optimizācija (Transfer).
Tiks parādīts šāds dialogs:
Pieņemiet noklusējuma iestatījumus, nospiežot OK.
Pēc īsa aprēķina tiek atrasts optimāls un mainīti komponentu parametri:
Visbeidzot pārbaudiet rezultātu ar ķēdes simulāciju, kurā darbojas Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Kā parādīts diagrammā, ir sasniegtas mērķvērtības (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz).
Izmantojot Circuit Designer rīku TINA un TINACloud
Vēl viena metode TINA un TINAcloud ķēžu projektēšanai tiek izmantota iebūvētais Circuit Designer rīks, ko sauc par vienkāršu dizaina rīku.
Dizaina rīks darbojas ar jūsu ķēdes dizaina vienādojumiem, lai nodrošinātu, ka norādītās ievades rezultāts ir noteikta izejas atbilde. Rīks prasa, lai jums tiktu sniegts pārskats par ieejām un izejām, kā arī sastāvdaļu vērtību attiecībām. Šis rīks piedāvā risinājuma dzinēju, ko varat izmantot, lai atkārtoti un precīzi atrisinātu dažādus scenārijus. Aprēķinātās komponentu vērtības automātiski tiek iestatītas shēmā, un rezultātu var pārbaudīt ar simulāciju.
Izstrādāsim tās pašas shēmas AC pastiprinājumu, izmantojot mūsu Circuit Designer rīku.
Atveriet ķēdi no TINACloud dizaina rīka mapes. Tiks parādīts šāds ekrāns.
Tagad paliksim AC analīzi / maiņas raksturojumu.
Tiks parādīta šāda diagramma:
Tagad pārveidosim ķēdi, lai iegūtu vienotību (0dB)
Iedarbiniet izvēlni Rīki no jauna rediģēt šo loku
Tiks parādīts šāds dialogs.
Iestatiet Gain uz -1 (0 dB) un nospiediet pogu Run.
Aprēķinātās jaunās komponentu vērtības uzreiz parādīsies shematiskajā redaktorā, zīmējot sarkanā krāsā.
Nospiediet pogu Pieņemt.
Izmaiņas tiks pabeigtas. Lai pārbaudītu pārveidoto shēmu, vēlreiz palaidiet AC analīzes / maiņas raksturlielumus.
————————————————————————————————————————————————— —-
1Šo metodi izstrādāja Phil Vrbancic, Kalifornijas Valsts universitātes Long Beach students, un to prezentēja IEEE reģiona VI balvas papīra konkursā.