Praktiski Op-amps-TINA un TINACloud resursi

Praktiski ampēri

Praktiski Op-ampēri tuvina to ideāls atšķiras dažos svarīgos aspektos. Ir svarīgi, lai ķēdes dizainers saprastu atšķirības starp faktiskajiem opperiem un ideālajiem opperiem, jo šīs atšķirības var negatīvi ietekmēt ķēdes darbību.

Mūsu mērķis ir izstrādāt detalizētu praktiskā op-amp modeli - modeli, kurā ņemtas vērā neideālās ierīces nozīmīgākās īpašības. Mēs vispirms definējam parametrus, kas izmantoti praktisko op-ampēru aprakstīšanai. Šie parametri ir norādīti op-amp ražotāja piegādātās datu lapās.

1 tabulā ir uzskaitītas parametru vērtības trim konkrētiem opperiem, viens no trim ir μA741. Mēs izmantojam μA741 operatīvos pastiprinātājus daudzos no piemēriem un nodaļas beigu problēmām šādu iemeslu dēļ: (1) tos ir izgatavojuši daudzi IC ražotāji (2), kurus tie lielā daudzumā atrod elektronikas nozarē, un 3) tie ir vispārēji izmantojami iekšēji kompensēti op-ampēri, un to īpašības var izmantot kā atsauces salīdzināšanas nolūkos, strādājot ar citiem op-amp tipiem. Tā kā dažādie parametri ir definēti turpmākajās sadaļās, ir jāmin 9.1 tabula, lai atrastu tipiskas vērtības.

Praktiski pastiprinātāji, darbības pastiprinātāji

1. tabula. Op-ampēru parametru vērtības

Nozīmīgākā atšķirība starp ideālo un faktisko spriegumu ir sprieguma pieaugumā. Ideāls op-amp ir sprieguma pieaugums, kas tuvojas bezgalībai. Faktiskais op-amp ir ierobežots sprieguma pieaugums, kas samazinās, palielinoties frekvencei (to detalizēti aplūkojam nākamajā nodaļā).

5.1 atvērtā cilpa sprieguma pieaugums (G)

Op-amp atvērtā cilpa sprieguma pieaugums ir izejas sprieguma izmaiņu attiecība pret ieejas sprieguma maiņu bez atgriezeniskās saites. Sprieguma pieaugums ir bezmērķīgs daudzums. Simbolu G izmanto, lai norādītu uz atvērtā cilpa sprieguma pieaugumu. Op-ampēriem ir augsts sprieguma pieaugums zemas frekvences ieejām. Op-amp specifikācijā uzskaitīts sprieguma pieaugums voltos uz milivoltu vai decibelos (dB) [definēts kā 20log₁₀(v_ārā/v_in)].

5.2 modificēts op-amp modelis

Attēls 14 parāda modificētu idealizētā op-amp modeļa versiju. Mēs esam mainījuši idealizēto modeli, pievienojot ieejas pretestību (R_i), izejas pretestība (R_o) un pretestība parastajā režīmā (R_cm).

Attēls 14 - Modificēts op-amp modelis

Šo parametru tipiskās vērtības (741 op-amp) ir

Tagad mēs uzskatām 15 attēla shēmu, lai pārbaudītu op-amp veiktspēju. Op-amp invertēšanas un neinvertējošās ieejas tiek darbinātas ar avotiem, kuriem ir sērijas pretestība. Op-amp izeja tiek nodota atpakaļ ieejai caur rezistoru, R_F.

Tiek apzīmēti avoti, kas vada abas izejvielas v_A un v₁un saistītās sērijas pretestības R_A un R₁. Ja ieejas shēma ir sarežģītāka, šīs pretestības var uzskatīt par šīs shēmas Thevenin ekvivalentiem.

Attēls 15 - Op-amp ķēde

5.3 Ieejas nobīdes spriegums (V_io)

Kad ieejas spriegums ideālajam op-amp ir nulle, izejas spriegums ir arī nulle. Tas neattiecas uz faktisko op-amp. The ieejas nobīdes spriegums, V_io, definē kā diferenciālo ieejas spriegumu, kas nepieciešams, lai izejas spriegums būtu vienāds ar nulli. V_io ir ideāls op-amp. Tipiska vērtība V_io 741 op-amp ir 2 mV. Nulles vērtība nav V_io ir nevēlams, jo op-amp pastiprina jebkuru ieejas nobīdi, tādējādi radot lielāku jaudu dc Kļūda

Ieejas nobīdes sprieguma mērīšanai var izmantot šādu tehniku. Tā vietā, lai mainītu ieejas spriegumu, lai piespiestu izeju uz nulli, ieeja tiek iestatīta vienāda ar nulli, kā parādīts 16 attēlā, un izejas spriegums tiek mērīts.

Attēls 16 - Vio mērīšanas tehnika

Izejas spriegums, kas rodas no nulles ieejas sprieguma, ir pazīstams kā izejas līdzstrāvas kompensācijas spriegums. Ieejas nobīdes spriegums tiek iegūts, dalot šo daudzumu ar op-amp atvērtā cikla pieaugumu.

Ieejas nobīdes sprieguma ietekmi var iekļaut op-amp modelī, kā parādīts 17 attēlā.

Papildus ieejas nobīdes spriegumam ideāls op-amp modelis tika modificēts, pievienojot četras pretestības. R_o ir izejas pretestība. ieejas pretestība no op-amp, R_i, mēra starp apvērstajiem un neinvertējošiem termināliem. Modelis satur arī rezistoru, kas savieno katru no abām ieejām uz zemes.

Tie ir parastā režīma pretestības, un katrs ir vienāds ar 2R_cm. Ja ieejas ir savienotas kopā kā 16 attēlā, šie divi rezistori ir paralēli, un kombinētā Thevenin izturība pret zemi ir R_cm. Ja op-amp ir ideāls, R_i un R_cm pieeju bezgalībai (ti, atvērtai ķēdei) un R_o ir nulle (ti, īssavienojums).

Attēls 17 - Ieejas nobīdes spriegums

Ārējo konfigurāciju, kas parādīta 18 (a) attēlā, var izmantot, lai noraidītu nobīdes sprieguma ietekmi. Pārvēršamajam ieejas terminālam tiek piemērots mainīgs spriegums. Pareiza sprieguma izvēle atceļ ievades kompensāciju. Līdzīgi 18 (b) attēls parāda šo balansēšanas ķēdi, kas tiek izmantota neinvestējošā ieejā.

Attēls 18 - nobīdes sprieguma balansēšana

PIELIETOJUMA

Jūs varat pārbaudīt 18 (a) ķēdes ieejas nobīdes sprieguma balansēšanu, simulējot tiešsaistē ar TINACloud Circuit Simulator, noklikšķinot uz tālāk redzamās saites.

Ieejas nobīdes sprieguma balansēšanas shēmas simulācija (a) ar TINACloud

Ieejas nobīdes sprieguma balansēšanas shēmas simulācija (a) ar TINACloud

PIELIETOJUMA

Jūs varat pārbaudīt 18 (b) ķēdes ieejas nobīdes balansēšanu, simulējot tiešsaistē ar TINACloud Circuit Simulator, noklikšķinot uz saites:

Ieejas nobīdes sprieguma balansēšanas shēmas simulācija (b) ar TINACloud

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) ar TINACloud

5.4 Ieejas slīpuma strāva (I_Aizspriedums)

Kaut arī ideāli op-amp ieejas neizraisa strāvu, faktiskie opperi ļauj ievadīt katru ieejas termināli. I_Aizspriedums ir dc strāvu ieejas tranzistorā, un parastā vērtība ir 2 μA. Ja avota pretestība ir zema, I_Aizspriedums tai ir maza ietekme, jo tas rada salīdzinoši nelielu ieejas sprieguma izmaiņas. Tomēr ar lielas pretestības braukšanas ķēdēm neliela strāva var izraisīt lielu spriegumu.

Bias strāvu var modelēt kā divas pašreizējās izlietnes, kā parādīts 19 attēlā.

Attēls 19 - nobīdes sprieguma balansēšana

Šo izlietņu vērtības ir neatkarīgas no avota pretestības. The slīpo strāvu tiek definēta kā divu pašreizējo izlietņu vidējā vērtība. Tādējādi

(40)

Atšķirība starp abām izlietnes vērtībām ir pazīstama kā ieejas nobīdes strāva, I_io, un to sniedz

(41)

Gan ieejas, gan slodzes strāva un ieejas nobīdes strāva ir atkarīga no temperatūras. The ieejas slīpuma pašreizējais temperatūras koeficients tiek definēta kā attiecība starp nobīdes strāvas izmaiņām un temperatūras izmaiņām. Tipiska vērtība ir 10 nA /^oC. ieejas nobīdes strāvas temperatūras koeficients ir definēta kā nobīdes strāvas lieluma izmaiņu attiecība pret temperatūras izmaiņām. Tipiska vērtība ir -2nA /^oC.

Attēls 20 - ievades slīpuma pašreizējais modelis

Ieejas slīpuma strāvas ir iekļautas 20 attēla op-amp modelī, kur pieņemam, ka ieejas nobīdes strāva ir niecīga.

Tas ir,

Attēls 21 (a) - ķēde

Mēs analizējam šo modeli, lai atrastu izejas spriegumu, ko izraisa ievades novirzes strāvas.

Attēls 21 (a) parāda op-amp shēmu, kurā invertējošās un neinvertējošās ieejas ir savienotas ar zemi, izmantojot pretestības.

Ķēde tiek aizstāta ar tās ekvivalentu 21 (b) attēlā, kur mēs esam ignorējuši V_io. Mēs turpinām vienkāršot shēmu 21 attēlā (c), ignorējot R_o un R_slodze. Tas ir, mēs pieņemam R_F >> R_o un R_slodze >> R_o. Produkcijas noslodzes prasības parasti nodrošina, ka šīs nevienlīdzības ir izpildītas.

Ķēde tiek tālāk vienkāršota 21 attēlā (d), kur atkarīgā sprieguma avota un rezistora sērijas kombinācija ir aizstāta ar atkarīga strāvas avota un rezistora paralēlu kombināciju.

Visbeidzot, mēs apvienojam pretestības un mainām abus strāvas avotus atpakaļ uz sprieguma avotiem, lai iegūtu vienkāršotu ekvivalentu 21 (e).

Attēls 21 (b) un (c) - Ieejas slīpuma efekti

Mēs izmantojam cilpas vienādojumu, lai atrastu izejas spriegumu.

(43)

kur

(44)

Parastā režīma pretestība, R_cm, ir vairāku simtu megohmu diapazonā lielākajā daļā opperu. Tāpēc

(45)

Ja mēs arī pieņemam, ka G_o ir liels, vienādojums (43) kļūst par vienādojumu.

(46)

Attēls 21 (d) un (e) - Ieejas slīpuma efekti

Ņemiet vērā, ka, ja vērtība R₁ ir izvēlēts, lai tas būtu vienāds ar, tad izejas spriegums ir nulle. No šīs analīzes mēs secinām, ka dc pretestība V₊ uz zemes jābūt vienādam ar dc pretestība V_- uz zemes. Mēs to izmantojam līdzsvara līdzsvars ierobežojumi daudzkārt mūsu dizainos. Ir svarīgi, lai gan apgrieztās, gan neinvertējošās spailēs būtu a dc ceļš uz zemes, lai samazinātu ievades novirzes strāvas ietekmi.

Ieejas slīpums Pašreizējie, praktiskie pastiprinātāji, darbības pastiprinātāji

22. attēls - 1. piemēra konfigurācijas

piemērs 1

Atrodiet izejas spriegumu 22 attēla konfigurācijām I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Risinājums: Mēs izmantojam vienkāršoto formātu (46), lai atrastu izejas spriegumus 22 (a) attēla ķēdei.

22 (b) attēla shēmai mēs iegūstam

PIELIETOJUMA

Jūs varat veikt šos aprēķinus arī ar TINACloud ķēdes simulatoru, izmantojot tulka rīku, noklikšķinot uz tālāk redzamās saites.

Ieejas slīpuma strāvas modelēšanas shēmas simulācija

Ievades slīpuma strāvas modelēšanas shēmas simulācija ar TINACloud

Ievades slīpuma strāvas modelēšanas shēmas simulācija ar TINACloud

5.5 Parastā režīma noraidīšana

Op-amp parasti izmanto, lai pastiprinātu atšķirību starp diviem ieejas spriegumiem. Tāpēc tā darbojas diferencēts režīms. Pastāvīgam spriegumam, kas pievienots katrai no šīm divām ieejām, nevajadzētu ietekmēt starpību, un tāpēc to nedrīkst pārvietot uz izeju. Praktiskā gadījumā šī izejvielu konstante vai vidējā vērtība dara ietekmē izejas spriegumu. Ja mēs ņemam vērā tikai vienādu daļu no abām izejvielām, mēs apsveram to, kas ir pazīstams kā kopējā režīmā.

Attēls 23 - Kopējais režīms

Pieņemsim, ka divi faktiskie op-amp ieejas termināļi ir savienoti kopā un pēc tam ar kopējo avota spriegumu. To ilustrē 23. Ideālā gadījumā izejas spriegums būtu nulle. Praktiskajā gadījumā šī izeja nav nulle. Nulles izejas sprieguma attiecība pret izmantoto ieejas spriegumu ir kopējā režīma sprieguma pieaugums, G_cm. kopējā režīma noraidījuma attiecība (CMRR) ir definēta kā. \ T dc atvērtā cikla pieaugums, G_o, pie kopējā režīma palielinājuma. Tādējādi,

(47)

CMRR tipiskās vērtības ir no 80 līdz 100 dB. Ir vēlams, lai CMRR būtu pēc iespējas augstāks.

5.6 Strāvas padeves atgrūšanas attiecība

Strāvas padeves atteikuma koeficients ir rādītājs, kas ļauj op-amp ignorēt barošanas sprieguma izmaiņas. Ja sistēmas izejas stadijā ir mainīgs strāvas daudzums, barošanas spriegums var mainīties. Šī slodzes izraisītā barošanas sprieguma maiņa var izraisīt izmaiņas citu pastiprinātāju darbībā, kuriem ir vienāds barošanas avots. Tas ir pazīstams kā pārrunāt, un tas var izraisīt nestabilitāti.

Jūsu darbs IR Klientu apkalpošana strāvas padeves atteikuma attiecība (PSRR) ir izmaiņu attiecība v_ārā līdz kopējai barošanas sprieguma izmaiņai. Piemēram, ja pozitīvais un negatīvais daudzums svārstās no ± 5 V līdz ± 5.5 V, kopējās izmaiņas ir 11 - 10 = 1 V. PSRR parasti norāda mikrovoltos uz voltu vai dažreiz decibelos. Tipiskiem op-ampēriem PSRR ir aptuveni 30 μV / V.

Lai samazinātu barošanas sprieguma izmaiņas, katrai oppera grupai jābūt barošanas avotam atsaistīts (ti, izolēti) no citu grupu grupām. Tas ierobežo mijiedarbību ar vienu opperu grupu. Praksē katrai iespiedshēmas kartei vajadzētu būt padeves līnijām, kas iet caur zemi, izmantojot 0.1-μF keramikas vai 1-μF tantala kondensatoru. Tādējādi tiek nodrošināts, ka slodzes svārstības būtiski nepiegādāsies, piegādājot citas kartes.

5.7 Izejas pretestība

Kā pirmo soli izejas pretestības noteikšanai, R_ārā, mēs atrodam Thevenin ekvivalentu op-amp ķēdes daļai, kas parādīta 24 attēlā lodziņā ar svītrām. Ņemiet vērā, ka šajā analīzē mēs ignorējam nobīdes strāvu un spriegumu.

(24)

Tā kā ķēdē nav neatkarīgu avotu, Thevenin ekvivalents spriegums ir nulle, tāpēc ķēde ir līdzvērtīga vienam rezistoram. Izmantojot rezistoru kombinācijas, rezistora vērtību nevar atrast. Lai atrastu līdzvērtīgu pretestību, pieņemsim, ka izejas vadiem tiek piemērots sprieguma avots v. Pēc tam mēs aprēķinām iegūto strāvu, i, un ņemiet šo attiecību v/i. Tas dod pretestību pret Thevenin.

25. attēls (a daļa) - Thevenin ekvivalenta shēmas

25 attēls (b daļa)

Attēls 25 (a) ilustrē izmantoto sprieguma avotu. Ķēde ir vienkāršota līdz attēlam 25 (b).

Kontūru var vēl vairāk samazināt līdz attēlam 25 (c), kur mēs definējam divas jaunas pretestības:

(48)

Mēs pieņemam, ka R '_A << (R '₁ + R_i) Un R_i >> R '₁. 25 attēla vienkāršotā shēma (d).

Ieejas diferenciālais spriegums, v_d, tiek konstatēts no šīs vienkāršotās shēmas, izmantojot sprieguma dalītāja attiecību.

(49)

Lai atrastu izejas pretestību, mēs sākam rakstīt izejas cilpas vienādojumu.

(50)

25. attēls (c un d daļas) - samazinātas Thevenin ekvivalenta shēmas

Tad izejas pretestību dod vienādojums (51).

(51)

Vairumā gadījumu, R_cm ir tik liels, ka R '_A»R_A un R₁"»R₁. Vienādojumu (51) var vienkāršot, izmantojot nulles frekvences sprieguma palielinājumu, G_o. Rezultāts ir vienādojums (52).

(52)

PIELIETOJUMA

Izmantojot ķēdes simulāciju, varat aprēķināt ķēdes 25 (a) izejas pretestību, izmantojot TINACloud ķēdes simulatoru, noklikšķinot uz saites zemāk.

Opampas shēmas simulācijas izejas pretestība ar TINACloud

Opampas shēmas simulācijas izejas pretestība ar TINACloud

piemērs 2

Atrodiet vienotības pieauguma bufera izejas pretestību, kā parādīts 26 attēlā.

praktiskie pastiprinātāji, operatīvie pastiprinātāji

Attēls 26 - Vienotības palielināšanas buferis

Risinājums: Kad 26 attēla shēma tiek salīdzināta ar 24 attēla atgriezeniskās saites shēmu, mēs to konstatējam

Tādēļ,

Vienādojumu (51) nevar izmantot, jo mēs neesam pārliecināti, ka šajā gadījumā piemēro nevienlīdzību, kas noved pie 25 (c) attēla vienkāršošanas. Tas nozīmē, ka to prasa vienkāršošana