6. Ontwerp van Op-amp Circuits
CURRENT - 6. Ontwerp van opamp-circuits
VORIGE- 5. Gecombineerde inverterende en niet-inverterende ingangen
Ontwerp van op-amp-circuits
Zodra de configuratie van een op-amp-systeem is gegeven, kunnen we dat analyseren dat systeem om de output te bepalen in termen van de inputs. We voeren deze analyse uit met behulp van de eerder besproken procedure (in dit hoofdstuk).
Als je dat nu wilt Design een circuit dat zowel inverterende als niet-inverterende ingangen combineert, het probleem is complexer. In een ontwerpprobleem wordt een gewenste lineaire vergelijking gegeven en moet het opamp-circuit worden ontworpen. De gewenste output van de zomer van de operationele versterker kan worden uitgedrukt als een lineaire combinatie van inputs,
(30)
WAAR X1, X2 ...Xn zijn de gewenste winst bij de niet-inverterende ingangen en Ya, Yb ...Ym zijn de gewenste winst bij de inverterende ingangen. Vergelijking (30) is geïmplementeerd met het circuit van figuur (14).
Figuur 14- Meerdere invoerzomer
Dit circuit is een enigszins aangepaste versie van het circuit van figuur (13) (Inverterende en niet-inverterende ingangen).
Figuur 13- Inverterende en niet-inverterende ingangen
De enige wijziging die we hebben aangebracht, is om weerstanden tussen de op-amp-ingangen en aarde op te nemen. De aarde kan worden gezien als een extra ingang van nul volt verbonden via de bijbehorende weerstand (Ry voor de inverterende ingang en Rx voor de niet-inverterende invoer). De toevoeging van deze weerstanden geeft ons de flexibiliteit om aan de eisen te voldoen die verder gaan dan die van Vergelijking (30). De ingangsweerstanden kunnen bijvoorbeeld worden opgegeven. Een of beide van deze extra weerstanden kunnen worden verwijderd door hun waarden naar het oneindige te laten gaan.
Vergelijking (29) uit de vorige sectie laat zien dat de waarden van de weerstanden, Ra, Rb, autodashborden en meerRm en R1, R2, autodashborden en meerRn zijn omgekeerd evenredig met de gewenste versterkingen verbonden met de respectievelijke ingangsspanningen. Met andere woorden, als een grote versterking gewenst is bij een specifieke ingangsterminal, dan is de weerstand bij die aansluiting klein.
Wanneer de open lusversterking van de operationele versterker, G, is groot, de uitgangsspanning kan worden geschreven in termen van de weerstanden die zijn aangesloten op de operationele versterker zoals in Vergelijking (29). Vergelijking (31) herhaalt deze uitdrukking met lichte vereenvoudiging en met toevoeging van de weerstanden aan aarde.
(31)
We definiëren twee equivalente weerstanden als volgt:
(32)
TOEPASSING
Analyseer het volgende circuit met TINACloud om V te bepalenuit in termen van de ingangsspanningen door op de onderstaande link te klikken.
Multiple Input Summer Circuit Simulation van TINACloud
Multiple Input Summer Circuit Simulation van TINACloud
We zien dat de uitgangsspanning een lineaire combinatie van ingangen is waarbij elke ingang wordt gedeeld door de bijbehorende weerstand en vermenigvuldigd met een andere weerstand. De vermenigvuldigingsweerstand is RF voor het omkeren van ingangen en Req voor niet-inverterende ingangen.
Het aantal onbekenden in dit probleem is n + m +3 (dwz de onbekende weerstandswaarden). We moeten daarom ontwikkelen n + m +3-vergelijkingen om deze onbekenden op te lossen. We kunnen formuleren n + m van deze vergelijkingen door de gegeven coëfficiënten in Vergelijking (30) te vergelijken. Dat wil zeggen dat we het systeem van vergelijkingen uit vergelijkingen (30), (31) en (32) eenvoudig als volgt ontwikkelen:
(33)
Omdat we nog drie onbekenden hebben, hebben we de flexibiliteit om aan nog drie beperkingen te voldoen. Typische extra beperkingen zijn onder andere overwegingen voor de ingangsweerstand en redelijke waarden voor de weerstanden (u wilt bijvoorbeeld geen precisieweerstand gebruiken voor R1 gelijk aan 10-4 ohm!).
Hoewel dit niet vereist is voor het ontwerp met behulp van ideale op-amps, zullen we een ontwerpbeperking gebruiken die belangrijk is voor niet-ideale op-amps. Voor de niet-inverterende op-amp wordt de Thevenin-weerstand die terugkijkt van de inverterende input meestal gelijk gemaakt aan die van de niet-inverterende input. Voor de configuratie die wordt weergegeven in Afbeelding (14), kan deze beperking als volgt worden uitgedrukt:
(34)
De laatste gelijkheid is het resultaat van de definitie van RA uit Vergelijking (32). Het substitueren van dit resultaat in vergelijking (31) levert de beperking op,
(35)
(36)
Het substitueren van dit resultaat in vergelijking (33) levert de eenvoudige reeks vergelijkingen op,
(37)
De combinaties van Vergelijking (34) en Vergelijking (37) geven ons de nodige informatie om het circuit te ontwerpen. We selecteren een waarde van RF en dan oplossen voor de verschillende ingangsweerstanden met behulp van vergelijking (37). Als de waarden van de weerstanden niet in een praktisch bereik liggen, gaan we terug en veranderen de waarde van de feedbackweerstand. Zodra we de ingangsweerstanden hebben opgelost, gebruiken we Vergelijking (34) om de weerstanden gelijk te houden om terug te kijken op de twee opampversterkers. We selecteren waarden van Rx en Ry om deze gelijkheid af te dwingen. Hoewel vergelijkingen (34) en (37) de essentiële informatie voor het ontwerp bevatten, is een belangrijke overweging of de weerstanden tussen de op-amp-ingangen en aarde (Rx en Ry). De oplossing kan iteraties vereisen om betekenisvolle waarden te verkrijgen (dwz u kunt de oplossing één keer uitvoeren en negatieve weerstandswaarden verzinnen). Om deze reden presenteren we een numerieke procedure die de hoeveelheid berekeningen vereenvoudigt[1]
Vergelijking (34) kan als volgt worden herschreven:
(38)
Vervangende vergelijking (37) in vergelijking (38) krijgen we,
(39)
Bedenk dat het ons doel is om de waarden van de weerstanden op te lossen in termen van Xi en Yj. Laten we sommatiebepalingen als volgt definiëren:
(40)
We kunnen dan vergelijking (39) als volgt herschrijven:
(41)
Dit is een startpunt voor onze ontwerpprocedure. Herhaal dat Rx en Ry zijn de weerstanden tussen respectievelijk de aarde en de niet-inverterende en inverterende ingangen. De feedbackweerstand wordt aangegeven RF en een nieuwe term, Z, is gedefinieerd als
(42)
Tabel (1) - Versterkend versterkerontwerp
We kunnen een of beide weerstanden elimineren, Rx en Ry, uit het circuit van figuur (14). Dat wil zeggen, een of beide van deze weerstanden kunnen worden ingesteld op oneindig (dwz open circuit). Dit levert drie ontwerpmogelijkheden op. Afhankelijk van de gewenste vermenigvuldigingsfactoren met betrekking tot output naar input, zal een van deze gevallen het juiste ontwerp opleveren. De resultaten zijn samengevat in tabel (1).
Circuitontwerp met TINA en TINACloud
Er zijn verschillende tools beschikbaar in TINA en TINACloud voor operationele versterker en circuitontwerp.
Optimization
TINA's Optimalisatiemodus onbekende circuitparameters kunnen automatisch worden bepaald, zodat het netwerk een vooraf gedefinieerde doeloutputwaarde kan produceren, minimum of maximum. Optimalisatie is niet alleen nuttig bij het ontwerpen van schakelingen, maar ook bij het lesgeven, om voorbeelden en problemen te construeren. Merk op dat deze tool niet alleen werkt voor ideale op-amps en lineaire circuits, maar ook voor elk niet-lineair circuit met echte niet-lineaire en andere apparaatmodellen.
Overweeg het inverterende versterkercircuit met een echte operationele versterker OPA350.
Door de standaardinstelling van dit circuit is de uitgangsspanning van het circuit 2.5
U kunt dit gemakkelijk controleren door op de DC-knop in TINACloud te drukken.
TOEPASSING
Analyseer het volgende circuit met behulp van de TINACloud online circuitsimulator om V te bepalenuit in termen van de ingangsspanningen door op de onderstaande link te klikken.
OPA350 Circuitsimulatie met TINACloud
OPA350 Circuitsimulatie met TINACloud
Als u dit wilt voorbereiden, moeten we het doel Out = 3V en de te bepalen circuitparameter (Optimalisatieobject) Vref selecteren. Voor dit object moeten we ook een regio definiëren die helpt bij het zoeken maar ook de beperkingen weergeeft.
Om het optimalisatiedoel in TINACloud te selecteren en in te stellen, klikt u op Vout spanningspen en stelt u het optimalisatiedoel in op Ja
Klik vervolgens op de ... -knop op dezelfde regel en stel de waarde in op 3.
Druk in elk dialoogvenster op OK om de instellingen te voltooien.
Laten we nu het Vref-optimalisatieobject selecteren en instellen.
Klik op Vref en vervolgens op de knop ... op dezelfde regel
Selecteer Optimalisatieobject in de lijst bovenaan en stel het selectievakje Optimalisatie / Object in.
Druk op OK in beide dialoogvensters.
Als de optimalisatie-instellingen succesvol waren, ziet u een >> afmelden bij uit en een << teken bij Vref, zoals hieronder weergegeven.
Selecteer nu Optimalisatie in het menu Analyse en druk op UITVOEREN in het dialoogvenster Optimalisatie.
Na het voltooien van de optimalisatie wordt de gevonden Vref, de optimale waarde, weergegeven in het dialoogvenster DC-optimalisatie
U kunt de instellingen bestuderen en de optimalisatie online uitvoeren en controleren door middel van circuitsimulatie met behulp van de onderstaande koppeling.
Voer Optimalisatie uit in het menu Analyse en druk vervolgens op de DC-knop, zodat u het resultaat ziet in het geoptimaliseerde circuit (3V)
Online optimalisatie en circuitsimulatie met TINACloud
Merk op dat op dit moment in TINACloud slechts een eenvoudige DC-optimalisatie is inbegrepen. Meer optimalisatiefuncties zijn opgenomen in de offline versie van TINA.
AC optimalisatie
Met de offline versie van TINA kunt u ook AC-circuits optimaliseren en opnieuw ontwerpen.
Open het MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC laagdoorlaatcircuit van de Voorbeelden \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro map van TINA, hieronder weergegeven.
AC-analyse / AC-overdrachtkarakteristiek uitvoeren.
Het volgende diagram verschijnt:
Het circuit heeft één (0dB) Gain en 1.45kHz Cutoff-frequentie.
Laten we nu het circuit opnieuw ontwerpen met AC-optimalisatie en zet de lage frequentie Gain op 6dB en de Cutoff frequentie op 900Hz.
Note dat normaal gesproken de optimalisatietool alleen van toepassing is op wijzigingen. In het geval van filters wilt u misschien liever een hulpmiddel voor het ontwerpen van filters gebruiken. We zullen dit onderwerp later behandelen.
Nu met behulp van optimalisatie zijn de versterking en de afsnijfrequentie de optimalisatiedoelen.
Klik op het pictogram "Optimalisatiedoel selecteren" op de werkbalk of in het menu Analyse "Optimalisatiedoel selecteren"
De cursor verandert in het pictogram: 
. Klik op de Vout-spanningspin met het nieuwe cursorsymbool.
Het volgende dialoogvenster verschijnt:
Klik op de knoppen voor AC-doelfuncties. Het volgende dialoogvenster verschijnt:
Schakel het selectievakje Low Pass in en stel de Target cut-off frequentie in op 900. Schakel nu het selectievakje Maximum in en stel het doel in op 6.
Selecteer vervolgens de circuitparameters die u wilt wijzigen om de optimalisatiedoelen te bereiken.
Klik op de 
symbool of de regel Regelobject selecteren in het menu Analyse.
De cursor verandert in het bovenstaande symbool. Klik met deze nieuwe cursor op de C1-condensator. Het volgende dialoogvenster verschijnt:
Druk op de selectieknop. Het volgende dialoogvenster verschijnt:
Het programma stelt automatisch een bereik (beperking) in waar de Optimum-waarde wordt doorzocht. Eindwaarde voor 20n zoals hierboven weergegeven.
Herhaal nu dezelfde procedure voor R2. Stel de eindwaarde in op 20k.
Nadat u de optimalisatie-instellingen hebt voltooid, selecteert u Optimalisatie / AC-optimalisatie (overdracht) in het menu Analyse.
Het volgende dialoogvenster verschijnt:
Accepteer de standaardinstellingen door op OK te drukken.
Na een korte berekening wordt het optimum gevonden en de gewijzigde componentparameters verschijnen:
Controleer tenslotte het resultaat met circuitsimulatie met Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Zoals in het diagram te zien is, zijn de streefwaarden (Gain 6db, Cutfrequentie 900Hz) bereikt.
Gebruik van de Circuit Designer Tool in TINA en TINACloud
Een andere methode voor het ontwerpen van circuits in TINA en TINAcloud is het gebruik van de ingebouwde Circuit Designer-tool, simpelweg Design Tool genaamd.
Design Tool werkt met de ontwerpvergelijkingen van uw circuit om ervoor te zorgen dat de opgegeven invoer resulteert in de opgegeven uitvoerreactie. De tool vereist van u een verklaring van inputs en outputs en de relaties tussen de componentwaarden. De tool biedt u een oplossingsengine die u kunt gebruiken om herhaaldelijk en nauwkeurig op te lossen voor verschillende scenario's. De berekende componentwaarden worden automatisch in het schema ingesteld en u kunt het resultaat controleren door simulatie.
Laten we de AC-versterking van hetzelfde circuit ontwerpen met onze Circuit Designer-tool.
Open het circuit vanuit de Design Tool-map van TINACloud. Het volgende scherm verschijnt.
Laten we nu AC-analyse / AC-overdrachtkarakteristiek uitvoeren.
Het volgende diagram verschijnt:
Laten we nu het circuit herontwerpen om eenheidswinst te behalen (0dB)
Roep het Redesign this Circuit op vanuit het menu Tools
Het volgende dialoogvenster verschijnt.
Zet Gain op -1 (0 dB) en druk op de knop Run.
De berekende nieuwe componentwaarden verschijnen onmiddellijk in de schematische editor, getekend in rode kleur.
Druk op de knop Accepteren.
De wijzigingen zullen worden afgerond. Voer AC-analyse / AC-overdrachtskarakteristieken opnieuw uit om het opnieuw ontworpen circuit te controleren.
———————————————————————————————————————————————————— —-
1Deze techniek is bedacht door Phil Vrbancic, een student aan de California State University, Long Beach, en gepresenteerd in een paper voorgelegd aan de IEEE Region VI Prize Paper Contest.