6. Reka Bentuk Litar Op-amp

Reka bentuk litar op-amp

Apabila konfigurasi sistem op-amp diberikan, kita boleh menganalisis sistem itu untuk menentukan output dari segi input. Kami menjalankan analisis ini menggunakan prosedur yang dibincangkan sebelum ini (dalam bab ini).

Sekiranya anda kini mahu reka bentuk litar yang menggabungkan kedua-dua input pembalikkan dan bukan pembalik, masalahnya adalah lebih rumit. Dalam masalah reka bentuk, persamaan linear yang dikehendaki diberikan, dan litar op-amp mesti direka bentuk. Output panas penguat operasi yang diingini dapat dinyatakan sebagai gabungan linier input,

(30)

di mana X1, X2 ...Xn adalah keuntungan yang diingini pada input tidak terbalik dan Ya, Yb ...Ym adalah keuntungan yang diingini pada input terbalik. Persamaan (30) dilaksanakan dengan litar Rajah (14).

Penguatkan Operasi Ideal, Reka bentuk litar op-amp

Rajah 14- Pelbagai masukan musim panas

Litar ini adalah versi yang sedikit diubahsuai litar Rajah (13) (Input penyongsangan dan bukan penyongsangan).

Penguat operasi yang ideal, penguat operasi

Rajah 13 - Input penyongsangan dan bukan penyongsangan

Satu-satunya perubahan yang kami buat ialah memasukkan perintang antara input dan ground op-amp. Tanah boleh dilihat sebagai masukan tambahan volt sifar yang disambungkan melalui perintang yang sama (Ry untuk input pembalik dan Rx untuk input bukan penyongsangan). Penambahan resistor ini memberikan kita kelonggaran dalam memenuhi sebarang keperluan di luar Persamaan (30). Sebagai contoh, rintangan input mungkin dinyatakan. Sama ada atau kedua-dua resistor tambahan ini boleh dikeluarkan dengan membiarkan nilai-nilai mereka pergi ke tak terhingga.

Persamaan (29) dari bahagian sebelumnya menunjukkan bahawa nilai-nilai perintang, Ra, Rb, ...Rm and R1, R2, ...Rn berkadar songsang dengan keuntungan yang diingini yang berkaitan dengan tegangan input masing-masing. Dengan kata lain, jika keuntungan yang besar diingini pada terminal input tertentu, maka rintangan pada terminal itu kecil.

Apabila gain gelung terbuka penguat operasi, G, adalah besar, voltan keluaran mungkin ditulis dari segi perintang yang berkaitan dengan penguat operasi seperti dalam Persamaan (29). Persamaan (31) mengulangi ungkapan ini dengan penyederhanaan sedikit dan dengan penambahan resistor ke tanah.

(31)

Kami mentakrifkan dua rintangan setara seperti berikut:

(32)

PERMOHONAN

Analisis litar berikut menggunakan TINACloud untuk menentukan Vkeluar dari segi voltan input dengan mengklik pautan di bawah.

Simulasi Litar Summer Input Multiple oleh TINACloud

Simulasi Litar Summer Input Multiple oleh TINACloud

Simulasi Litar Summer Input Multiple oleh TINACloud

Kami melihat bahawa voltan keluaran adalah gabungan linier input dimana setiap input dibahagikan dengan rintangan yang berkaitan dan didarab dengan rintangan yang lain. Rintangan berganda ialah RF untuk pembalikkan input dan Req untuk input tidak terbalik.

Bilangan yang tidak diketahui dalam masalah ini ialah n + m +3 (iaitu nilai resistor yang tidak diketahui). Oleh itu, kita perlu membangunkannya n + m +Persamaan 3 untuk menyelesaikannya. Kita boleh merumuskan n + m daripada persamaan ini dengan memadankan koefisien yang diberi dalam Persamaan (30). Iaitu, kita hanya membangunkan sistem persamaan dari Persamaan (30), (31) dan (32) seperti berikut:

(33)

Oleh kerana kita mempunyai tiga lagi yang tidak diketahui, kita mempunyai kelonggaran untuk memenuhi tiga lagi kekangan. Kekangan tambahan biasa termasuk pertimbangan rintangan input dan mempunyai nilai yang munasabah untuk perintang (contohnya, Anda tidak mahu menggunakan perintang ketepatan untuk R1 sama dengan 10-4 ohm!).

Walaupun tidak diperlukan untuk reka bentuk menggunakan op-amps yang ideal, kami akan menggunakan kekangan reka bentuk yang penting untuk op-amps yang tidak sesuai. Untuk op-amp yang tidak terbalik, rintangan Thevenin yang melihat kembali dari input terbalik lazimnya dibuat sama dengan pandangan belakang dari input bukan penyongsangan. Untuk konfigurasi yang ditunjukkan dalam Rajah (14), kekangan ini boleh dinyatakan seperti berikut:

(34)

Hasil kesamaan terakhir dari definisi RA dari Persamaan (32). Menggantikan keputusan ini ke Persamaan (31) menghasilkan kekangan,

(35)

(36)

Menggantikan keputusan ini ke Persamaan (33) menghasilkan set persamaan mudah,

(37)

Gabungan Persamaan (34) dan Persamaan (37) memberi kita maklumat yang diperlukan untuk reka bentuk litar. Kami memilih nilai RF dan kemudian selesaikan pelbagai perintang input menggunakan Persamaan (37). Jika nilai-nilai perintang tidak berada dalam julat praktikal, kita kembali dan menukar nilai perintang balas maklum balas. Apabila kita menyelesaikan untuk perintang input, kita kemudian menggunakan Persamaan (34) untuk memaksa rintangan untuk sama-sama melihat kembali dari dua input op-amp. Kami memilih nilai-nilai Rx and Ry untuk memaksa persamaan ini. Walaupun Persamaan (34) dan (37) mengandungi maklumat penting untuk reka bentuk, satu pertimbangan penting ialah sama ada memasukkan perintang antara input op-amp dan tanah (atau tidak)Rx and Ry). Penyelesaian ini mungkin memerlukan lelaran untuk mendapatkan nilai yang bermakna (iaitu anda boleh melakukan penyelesaian satu masa dan menghasilkan nilai rintangan negatif). Atas sebab ini, kami membentangkan prosedur berangka yang memudahkan jumlah pengiraan[1]

Persamaan (34) boleh ditulis semula seperti berikut:

(38)

Penggantian Persamaan (37) ke dalam Persamaan (38) yang kita perolehi,

(39)

Ingat bahawa matlamat kami adalah untuk menyelesaikan nilai-nilai resistor dari segi Xi and Yj. Marilah kita menentukan istilah penjumlahan seperti berikut:

(40)

Kita boleh menulis semula Persamaan (39) seperti berikut:

(41)

Ini adalah titik permulaan untuk prosedur reka bentuk kami. Ingatlah itu Rx and Ry adalah perintang antara tanah dan input bukan pembalik dan pembalik, masing-masing. Perintang maklum balas dilambangkan RF dan istilah baru, Z, ditakrifkan sebagai

(42)

Jadual (1) -Ramaku Penguat Reka Bentuk

Kita boleh menghapuskan sama ada atau kedua-dua perintang, Rx and Ry, dari litar Rajah (14). Iaitu, sama ada atau kedua-dua perintang ini boleh ditetapkan kepada infiniti (iaitu, litar terbuka). Ini menghasilkan tiga kemungkinan reka bentuk. Bergantung kepada faktor-faktor yang dikehendaki yang berkaitan dengan output kepada input, salah satu daripada kes ini akan menghasilkan reka bentuk yang sesuai. Hasilnya diringkaskan dalam Jadual (1). 

Reka bentuk litar dengan TINA dan TINACloud

Terdapat beberapa alatan yang terdapat di TINA dan TINACloud untuk penguat operasi dan reka bentuk litar.

Pengoptimuman

TINAModus Pengoptimuman parameter rangkaian yang tidak diketahui dapat ditentukan secara automatik sehingga jaringan dapat menghasilkan nilai output sasaran yang telah ditentukan, minimum atau maksimum. Pengoptimuman berguna bukan hanya dalam reka bentuk litar, tetapi dalam pengajaran, untuk membina contoh dan masalah. Perhatikan bahawa alat ini berfungsi bukan hanya untuk op-amp dan litar linier yang ideal, tetapi juga untuk litar nonlinear dengan model bukan linier dan peranti lain yang sebenar.

Pertimbangkan litar penguat terbalik dengan penguat operasi sebenar OPA350.

Dengan tetapan piawai litar ini voltan output litar adalah 2.5

Anda boleh dengan mudah memeriksa ini dengan menekan butang DC di TINACloud.

PERMOHONAN

Analisis litar berikut menggunakan simulator litar dalam talian TINACloud untuk menentukan Vkeluar dari segi voltan input dengan mengklik pautan di bawah.

Simulasi Litar OPA350 dengan TINACloud

Simulasi Litar OPA350 dengan TINACloud

Simulasi Litar OPA350 dengan TINACloud

Kini menganggap bahawa kita mahu menetapkan voltan ini dengan menukar voltan Vref dalam reka bentuk skema.

Sekiranya untuk mempersiapkan ini kita harus memilih sasaran Out = 3V dan parameter litar yang akan ditentukan (Object Optimization) Vref. Untuk tujuan ini kita juga harus menentukan rantau yang membantu pencarian tetapi juga mewakili kekangan.

Untuk memilih dan tetapkan sasaran Pengoptimuman di TINACloud klik pin Vout Voltage dan tetapkan Target Pengoptimuman untuk Ya

Kemudian klik butang ... pada baris yang sama dan tetapkan Nilai ke 3.

Tekan OK dalam setiap dialog untuk menyelesaikan tetapan.

Sekarang mari kita pilih dan tetapkan Objek Pengoptimuman Vref.

Klik Vref kemudian butang ... dalam baris yang sama

Pilih Objektif Optimasi dalam senarai di atasnya dan tetapkan kotak pilihan Pengoptimuman / Objek.

Tekan OK dalam kedua-dua dialog.

Sekiranya tetapan Pengoptimuman berjaya, anda akan melihat tanda >> di Keluar dan tanda << di Vref seperti yang ditunjukkan di bawah.

Sekarang pilih Pengoptimuman dari menu Analisis dan tekan RUN dalam kotak dialog Pengoptimuman.

Selepas melengkapkan Pengoptimuman, Vref yang dijumpai, Nilai Optimum, akan ditunjukkan dalam dialog Pengoptimuman DC

Anda boleh mengkaji tetapan dan menjalankan Pengoptimuman dalam talian dan semak oleh Simulasi Litar menggunakan pautan di bawah.
Jalankan Optimasi dari menu Analisis kemudian tekan butang DC jadi lihat hasilnya di Litar Dioptimalkan (3V)

Pengoptimuman Dalam Talian dan Simulasi Litar dengan TINACloud

Ambil perhatian bahawa pada masa ini di TINACloud hanya pengoptimuman DC mudah dimasukkan. Ciri pengoptimuman yang lebih banyak disertakan dalam versi offline TINA.

Pengoptimuman AC

Menggunakan versi offline TINA anda boleh mengoptimumkan dan mengubah reka bentuk litar AC juga.

Buka litar lulus pasir rendah MFB 2nd Chebyshev LPF.TSC, dari Contoh \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro folder TINA, ditunjukkan di bawah.

Jalankan Analisis AC / Ciri Pemindahan AC.

Gambar rajah berikut akan muncul:

Litar mempunyai kekerapan (0dB) Kekuatan dan frekuensi 1.45kHz Cutoff.

Sekarang mari kita ubah suai litar menggunakan Pengoptimuman AC dan tetapkan frekuensi rendah Keuntungan ke 6dB dan kekerapan Cutoff ke 900Hz.

Nota yang biasanya alat pengoptimalan hanya berlaku untuk perubahan. Dalam kes penapis, anda mungkin mahu menggunakan alat reka bentuk penapis. Kami akan berurusan dengan topik itu kemudian.

Sekarang menggunakan Pengoptimuman Keuntungan dan kekerapan Cutoff adalah sasaran Pengoptimuman.

Klik ikon "Pilih Sasaran Pengoptimuman" pada bar alat atau pada menu Analisis "Pilih Sasaran Pengoptimuman"

Kursor akan berubah menjadi ikon: . Klik pin Vout Voltan dengan simbol kursor baru.

Dialog berikut akan muncul:

Klik Butang Fungsi Matlamat AC. Dialog berikut akan muncul:

Periksa kotak semak Rendah Pass dan tetapkan frekuensi potong Sasaran kepada 900. Sekarang centang kotak Maksimum dan tetapkan Sasaran ke 6.

Seterusnya pilih parameter litar yang ingin anda ubah untuk mencapai sasaran Optimization.

Klik   simbol atau baris Objek Kawalan Pilih pada menu Analisis.

Kursor akan berubah menjadi simbol di atas. Klik kapasitor C1 dengan kursor baru ini. Dialog berikut akan muncul:

Tekan butang pilih. Dialog berikut akan muncul:

Program ini secara automatik menetapkan jarak (kekangan) di mana nilai Optimum akan dicari. Nilai akhir kepada 20n seperti ditunjukkan di atas.

Sekarang ulangi prosedur yang sama untuk R2. Tetapkan nilai Akhir ke 20k.

Selepas menyelesaikan persediaan Pengoptimuman, pilih Pengoptimuman / Pengoptimuman AC (Transfer) dari menu Analisis.

Dialog berikut akan muncul:

Terima tetapan lalai dengan menekan OK.

Selepas pengiraan ringkas optimum dijumpai dan parameter komponen berubah muncul:

Akhirnya periksa keputusan dengan simulasi litar yang menjalankan Analisis Analisis AC / AC Transfer.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar rajah nilai sasaran (Keuntungan 6db, Frekuensi potong 900Hz) telah dicapai.

Menggunakan Alat Pereka Litar di TINA dan TINACloud

Kaedah lain untuk merancang litar di TINA dan TINAcloud menggunakan alat bina perancang Circuit yang dipanggil Alat Rekaan sahaja.

Alat Reka bentuk berfungsi dengan persamaan rekabentuk litar anda untuk memastikan input yang ditentukan menghasilkan tindak balas output tertentu. Alat ini memerlukan anda pernyataan input dan output dan hubungan di antara nilai-nilai komponen. Alat ini menawarkan enjin penyelesaian yang boleh anda gunakan untuk menyelesaikan berulang-ulang dan tepat untuk pelbagai senario. Nilai komponen yang dikira secara automatik ditetapkan dalam skema dan anda boleh menyemak hasilnya dengan simulasi.

Mari reka bentuk amplifikasi AC litar yang sama dengan menggunakan alat Reka Bentuk Litar kami.

Buka litar dari folder Design Tool TINACloud. Skrin berikut akan muncul.

Sekarang mari kita menjalankan Analisis AC / AC Transfer Characteristic.

Gambar rajah berikut akan muncul:

Sekarang mari kita ubah bentuk litar untuk mendapatkan keuntungan perpaduan (0dB)

Teruskan Reka Bentuk Litar ini dari menu Alat

Dialog berikut akan muncul.

Set Gain ke -1 (0 dB) dan tekan butang Run.

Nilai komponen komponen yang dikira akan segera muncul dalam editor skema, yang ditarik dalam warna merah.

Tekan butang Terima.

Perubahan akan dimuktamadkan. Jalankan Analisis AC / Ciri Pemindahan AC sekali lagi untuk memeriksa litar yang direka bentuk semula.

 

 

——————————————————————————————————————————————————— —-

1Teknik ini disusun oleh Phil Vrbancic, seorang pelajar di California State University, Long Beach, dan dibentangkan di dalam kertas yang dikemukakan kepada Peraduan Kertas Hadiah IEEE Wilayah VI.