Практични оп-засилувачи

Практични оп-засилувачи се приближни нивните идеален колеги, но се разликуваат во некои важни погледи. Важно е дизајнерот на кола да ги разбере разликите помеѓу вистинските оп-засилувачи и идеалните оп-засилувачи, бидејќи овие разлики можат негативно да влијаат врз перформансите на колото.

Нашата цел е да развиеме детален модел на практичен оп-засилувач - модел кој ги зема предвид најзначајните карактеристики на не-идеалниот уред. Започнуваме со дефинирање на параметрите што се користат за опишување на практични оп-засилувачи. Овие параметри се наведени во списоците на листовите со податоци обезбедени од производителот на засилувачи.

Табелата 1 ги прикажува вредностите на параметрите за три конкретни op-amps, еден од трите е μA741. Ние ги користиме μA741 оперативните засилувачи во многу примери и проблеми од крајот на поглавјето од следните причини: (1) тие се фабрикувани од многу производители на ИЦ, (2), тие се наоѓаат во големи количини во електронската индустрија и ( 3), тие се општа-засилувачи за општа намена со општа намена, а нивните особини може да се користат како референца за споредба, кога се работи за други типови на OP-amp. Бидејќи различните параметри се дефинирани во следните делови, треба да се направи упатување до Табела 9.1 со цел да се најдат типични вредности.

Практични оп-засилувачи, оперативни засилувачи

Табела 1 - Параметарски вредности за оп-засилувачи

Најзначајната разлика помеѓу идеалните и реалните оп-засилувачи е во зголемувањето на напонот. Идеалниот оп-засилувач има напонско зголемување кое се приближува до бесконечноста. Вистинскиот оп-засилувач има ограничен напон кој се намалува со зголемувањето на фреквенцијата (ова детално го разгледуваме во следното поглавје).

5.1 засилување на напон со отворена јамка (G)

Отпорот на отворен јазол на оп-ампер е односот на промената на излезниот напон со промена на влезниот напон без повратна врска. Напонското зголемување е бездимензионална количина. Симболот G се користи за да се укаже на зголемување на напонот на отворен јамка. Оп-засилувачите имаат висок напон за нискофреквентни влезови. Спецификацијата за оп-amp ги прикажува зголемувањето на напонот во волти по миливолт или во децибели (dB) [дефинирано како 20log₁₀(v_надвор/v_in)].

5.2 модифициран модел на Op-amp

Слика 14 покажува модифицирана верзија на идеализираниот оп-засилувач. Го сменивме идеализираниот модел со додавање на влезниот отпор (R_i), излезен отпор (R_o), и резистенција на заеднички режим (R_cm).

Слика 14 - модифициран модел на оп-засилувач

Типични вредности на овие параметри (за 741 op-amp) се

Ние сега го разгледуваме колото на Слика 15 со цел да ги испитаме перформансите на op-amp. Инвертирачките и неинверзивните влезови на оп-засилувачот се водени од извори кои имаат сериски отпор. Излезот на оп-засилувачот се враќа на влезот преку отпорник, R_F.

Изворите кои ги водат двата влеза се означени v_A v₁, а се поврзани со отпорите на серии R_A R₁. Ако влезните кола се покомплексни, овие отпори може да се сметаат за еквиваленти на Thevenin на тоа кола.

Слика 15 - Оп-амп коло

5.3 Влезен напон (V_io)

Кога влезен напон до идеален оп-засилувач е нула, излезниот напон исто така е нула. Ова не е точно за вистински оп-засилувач. На влез офсет напон, V_io, се дефинира како диференцијален влезен напон потребен за излезниот напон да биде еднаков на нула. V_io е нула за идеалниот оп-засилувач. Типична вредност на V_io за 741 op-amp е 2 mV. Не-нула вредност на V_io е несакано бидејќи оп-засилувачот го засилува секое поместување на влезот, што предизвикува поголем излез dc грешка.

Следната техника може да се користи за мерење на влезниот неутрален напон. Наместо да се менува влезниот напон за да се присили излезот на нула, влезот е поставен еднаква на нула, како што е прикажано на Слика 16, и излезниот напон се мери.

Слика 16 - техника за мерење на Vio

Излезниот напон што произлегува од влезниот напон без нула е познат како излез на еднонасочен напон. Влезот офсет напон се добива со делење на оваа количина од страна на отворен јамка добивка на оп-засилувач.

Ефектите на влезниот неутрален напон може да се вклучат во оп-засилувачкиот модел како што е прикажано на Слика 17.

Во прилог на вклучување на влез офсет напон, идеален оп-засилувач модел е дополнително модифициран со додавање на четири отпори. R_o е излез отпор. на влез отпор на оп-засилувач, R_i, се мери помеѓу инвертирачките и невербувачките терминали. Моделот, исто така, содржи отпорник кој ги поврзува секој од двата влеза на земјата.

Овие се резисти на заеднички режим, и секој е еднаков на 2R_cm. Ако влезовите се поврзани заедно како на сликата 16, овие два отпорници се паралелни, а комбинираната отпорност на Thevenin на земјата е R_cm. Ако оп-засилувачот е идеален, R_i R_cm пристап до бесконечност (т.е. отворено коло) и R_o е нула (т.е. краток спој).

Слика 17 - Влезен напон

Надворешната конфигурација прикажана на Слика 18 (а) може да се користи за да се негираат ефектите на офсетниот напон. Променлив напон се применува на инвертирачкиот влезен терминал. Правилниот избор на овој напон го откажува влезот. Слично на тоа, Слика 18 (b) го илустрира ова балансирачко коло применето на неинверзивниот влез.

Слика 18 - Балансирање на офсетно напон

ПРИМЕНА

Можете да ги тестирате напојувањето балансирање на влезниот напон на кругот 18 (а) преку симулација на интернет со TIMACloud Circuit Simulator со кликнување на линкот подолу.

Симулација на балансот на балансот на напон на исклучување на влезот (а) со TINACloud

Симулација на балансот на балансот на напон на исклучување на влезот (а) со TINACloud

ПРИМЕНА

Можете да ги тестирате балансирањето на внесувањето на влезот на кругот 18 (b) преку симулација на интернет со TIMACloud Circuit Simulator со кликнување на линкот подолу:

Симулација на балансот на балансот на напонот за исклучување на влезот (б) со TINACloud

Симулација на балансот на исклучување на влезот (b) со TINACloud

5.4 Влезна приливска струја (I_{Пристрасност})

Иако идеалните влезови за оп-засилувач не привлекуваат струја, вистинските оп-засилувачи дозволуваат некои струја да влезат во секој влезен терминал. I_{Пристрасност} е dc струја во влезниот транзистор, а типична вредност е 2 μA. Кога изворната импеданса е ниска, I_{Пристрасност} има мал ефект, бидејќи предизвикува релативно мала промена на влезниот напон. Сепак, со голема импеданса возење кола, мала струја може да доведе до голем напон.

Струјата на пристрасност може да се моделира како два моментални тоне, како што е прикажано на Слика 19.

Слика 19 - Балансирање на офсетно напон

Вредностите на овие тонели се независни од изворната импеданса. На пристрасност струја е дефинирана како просечна вредност на двата моментални тоне. Така

(40)

Разликата помеѓу двете вредности на мијалник е позната како влезна офсетна струја, I_io, и е дадена од

(41)

И влезната-пристрасност струја и влез офсет струја се зависни од температурата. На влез пристрасност моментален температурен коефициент се дефинира како сооднос на промената на приливот на промена во температурата. Типична вредност е 10 nA /^oC. На влез офсет тековен температурен коефициент се дефинира како однос на промената на големината на тековната офсетна промена на промената на температурата. Типична вредност е -2nA /^oC.

Слика 20 - моментален модел на влезен прилив

Влезните приливни струи се инкорпорирани во оп-засилувачкиот модел на Слика 20, каде што претпоставуваме дека влезна офсетна струја е занемарлива.

Тоа е,

Слика 21 (а) - Коло

Ние го анализираме овој модел со цел да го најдеме излезниот напон предизвикан од влезните приливни струи.

Слика 21 (а) покажува кола за оп-засилувач, каде инвертните и неинверзивните влезови се поврзуваат со земјата преку отпори.

Колото се заменува со нејзиниот еквивалент на Слика 21 (б), каде што сме запоставени V_io. Ние понатаму го поедноставуваме колото на Слика 21 (c) со занемарување R_o R_{оптоварување}. Тоа е, претпоставуваме R_F >> R_o R_{оптоварување} >> R_o. Барањата за вчитување на излезот обично осигуруваат дека овие нееднаквости се исполнети.

Колото е дополнително поедноставен на Слика 21 (г) каде што комбинацијата од серијата на зависен извор на напон и отпорник се заменува со паралелна комбинација на зависен извор на струја и отпорник.

Конечно, ние ги комбинираме отпорите и ги менуваме двата моментални извори назад до изворите на напон за да го добиеме поедноставениот еквивалент на Слика 21 (д).

Слика 21 (б) и (в) - Влезни предрасуди ефекти

Ние користиме јамка равенка за да го најдеме излезен напон.

(43)

каде

(44)

Резистентноста на режимот, R_cm, е во опсег од неколку стотици мегами за повеќето оп-засилувачи. Затоа

(45)

Ако и понатаму го претпоставиме тоа G_o е голем, равенката (43) станува равенка.

(46)

Слика 21 (г) и (д) - Влезни пристрасни ефекти

Имајте на ум дека ако вредноста на R₁ е избрана да биде еднаква на, тогаш излезниот напон е нула. Од оваа анализа заклучуваме дека dc отпор од V₊ на земјата треба да се изедначи dc отпор од V_- на земјата. Ние го користиме ова рамнотежа на пристрасност ограничување многу пати во нашите дизајни. Важно е дека и инвертирачките и неверните терминали имаат a dc патот до земјата за да се намалат ефектите на влезната пристрасност.

Влез Пристраства Тековни, практични op-amp, оперативни засилувачи

Слика 22 - Конфигурации за Пример 1

Пример 1

Најди ги излезниот напон за конфигурациите на Слика 22 каде I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
решение: Ние ја користиме поедноставената форма на равенка (46) за да ги најдеме излезните напони за колото на Слика 22 (а).

За кругот на Слика 22 (b), добиваме

ПРИМЕНА

Исто така, можете да ги извршите овие пресметки со TINACloud коло симулатор, користејќи ја својата преведувачка алатка со кликнување на линкот подолу.

Симулација на коловози за моментално моделирање на влезни прилози со TINACloud

Симулација на коловози за моментално моделирање на влезни прилози со TINACloud

5.5 Решавање на заеднички режим

Оп-засилувачот вообичаено се користи за засилување на разликата помеѓу двата влезните напони. Затоа работи во диференцијален режим. Постојан напон додаден на секој од овие два влеза не треба да влијае на разликата и затоа не треба да се пренесува на излезот. Во практична случај, оваа постојана или просечна вредност на влезовите не влијаат на излезниот напон. Ако ги земеме предвид само еднадните делови од двата влеза, размислуваме за она што е познато како заеднички режим.

Слика 23 - Заеднички режим

Да претпоставиме дека двата влезни терминали на вистински оп-засилувач се поврзани заедно, а потоа и на заеднички извор на напон. Ова е илустрирано на Слика 23. Излезниот напон би бил нула во идеален случај. Во практичен случај, овој излез е не-нула. Односот на ненултен излезен напон на применливиот влезен напон е заеднички режим на напон добивка, G_cm. на сооднос на одбивање на заеднички режим (CMRR) се дефинира како сооднос на dc отворен циклус добивка, G_o, до обичниот режим на добивка. Така,

(47)

Типични вредности на опсегот CMRR од 80 до 100 dB. Пожелно е CMRR да биде што е можно повисоко.

5.6 Сооднос на отфрлање на напојувањето

Соодносот на отфрлање на напојувањето е мерка за способноста на оп-засилувачот да ги игнорира промените во напонот на напојување. Ако излезната фаза на системот црта променлива количина струја, напонот на напојување може да варира. Оваа промена во напонот предизвикана од товарот може да предизвика промени во работењето на други засилувачи кои го делат истиот напон. Ова е познато како крос-разговор, и тоа може да доведе до нестабилност.

на сооднос на отфрлање на напојувањето (PSRR) е односот на промената во v_надвор до вкупната промена на напонот на напојувањето. На пример, ако позитивните и негативните снабдувања варираат од V 5 V до 5.5 11 V, вкупната промена е 10 - 1 = 30 V. PSRR обично се наведува во микроволти на волт или понекогаш во децибели. Типичните оп-засилувачи имаат PSRR од околу XNUMX μV / V.

За да се намалат промените во напонскиот напон, напојувањето за секоја група на оп-засилувачи треба да биде раздвоени (т.е., изолирани) од оние на другите групи. Ова ја ограничува интеракцијата на една група на op-засилувачи. Во праксата, секоја картичка со печатени коло треба да ги има линиите за напојување кои се заобиколат на земјата преку 0.1-μF керамички или кондензатор на тантал 1-μF. Ова осигурува дека варијациите на оптоварување нема да се хранат значително преку снабдувањето со други картички.

5.7 Отпорност на излез

Како прв чекор во одредувањето на излезниот отпор, R_надвор, ние го наоѓаме еквивалентот на Thevenin за дел од колото op-amp прикажано во кутијата затворено со испрекинати линии на слика 24. Имајте на ум дека ние ја игнорираме офсетната струја и напонот во оваа анализа.

(24)

Бидејќи колото не содржи независни извори, еквивалентниот напон на Тевенин е нула, така што колото е еквивалентно на еден отпорник. Вредноста на отпорникот не може да се најде со употреба на комбинации на отпор. За да го пронајдете еквивалентниот отпор, претпоставете дека на излезните кабли се применува извор на напон, v. Потоа ја пресметуваме добиената струја, i, и земете сооднос v/i. Ова дава отпор на Thevenin.

Слика 25 (дел а) - Тевенински еквивалентни кола

Слика 25 (дел б)

Слика 25 (а) го илустрира примениот извор на напон. Колото е поедноставен на оној прикажан на Слика 25 (б).

Колото може понатаму да се намали на оној прикажан на Слика 25 (c), каде што дефинираме два нови отпори на следниов начин:

(48)

Ние ја правиме претпоставката дека R '_A << (R '₁ + R_i) И R_i >> R '₁. Поедноставено коло на Слика 25 (г) резултати.

Влезниот диференцијален напон, v_d, се наоѓа од ова поедноставно коло користејќи коефициент на делител на напон.

(49)

За да го најдеме излезниот отпор, започнуваме со пишување на излезната јамка равенка.

(50)

Слика 25 (делови в и г) - Намалени еквивалентни кола на Тевенин

Излезниот отпор потоа се дава со равенка (51).

(51)

Во повеќето случаи, R_cm е толку голема што R '_A»R_A R₁"»R₁. Равенката (51) може да се поедностави користејќи ја нултата фреквенција на напон, G_o. Резултатот е равенката (52).

(52)

ПРИМЕНА

Можете да ја пресметате Излезната импеданса на колото 25 (а) со симулација на кола користејќи го симулаторот на колото TINACloud со кликнување на врската подолу.

Излезна импеданса на Симулација на колор на Опам со TINACloud

Излезна импеданса на Симулација на колор на Опам со TINACloud

Пример 2

Пронајдете ја излезната импеданса на тампон-единечен извор како што е прикажано на Слика 26.

практични оп-засилувач, оперативни засилувачи

Слика 26 - Убедливост за добивање на единство

решение: Кога кругот на Слика 26 се споредува со колото за фидбек на Слика 24, го наоѓаме тоа

Затоа,

Равенката (51) не може да се користи, бидејќи не сме сигурни дека во овој случај се применуваат нееднаквостите што доведуваат до поедноставување на Слика 25 (c). Тоа е, поедноставување тоа го бара