6. Design av OP-amp-kretser
STRØM - 6. Design av Op-amp-kretser
TIDLIGERE - 5. Kombinert inverterende og ikke-inverterende innganger
Design av op-amp kretser
Når konfigurasjonen av et op-amp-system er gitt, kan vi analysere det systemet for å bestemme produksjonen i form av inngangene. Vi utfører denne analysen ved hjelp av prosedyren diskutert tidligere (i dette kapitlet).
Hvis du nå vil utforming en krets som kombinerer både inverterende og ikke-inverterende innganger, er problemet mer komplekst. I et designproblem er en ønsket lineær ligning gitt, og op-amp-kretsen må utformes. Ønsket utgang fra operasjonsforsterker sommeren kan uttrykkes som en lineær kombinasjon av innganger,
(30)
hvor X1, X2 ...Xn er de ønskede gevinster ved ikke-inverterende innganger og Ya, Yb ...Ym er de ønskede gevinster ved de inverterende innganger. Ligning (30) er implementert med kretsen i figur (14).
Figur 14- Flere inngangssommer
Denne kretsen er en litt modifisert versjon av kretsen i figur (13) (Inverterende og ikke-inverterende innganger).
Figur 13-Invertering og ikke-inverterende innganger
Den eneste forandringen vi har gjort er å inkludere motstander mellom op-amp-inngangene og bakken. Jorden kan ses som en ekstra inngang på null volt koblet gjennom den tilsvarende motstanden (Ry for inverteringsinngangen og Rx for ikke-inverterende inngang). Tillegget av disse motstandene gir oss fleksibilitet i å oppfylle eventuelle krav utover de i Equation (30). For eksempel kan inngangsresistansene spesifiseres. Enten eller begge disse ytterligere motstandene kan fjernes ved å la sine verdier gå til uendelig.
Ligning (29) fra foregående avsnitt viser at verdiene til motstandene, Ra, Rb, ...Rm og R1, R2, ...Rn er omvendt proporsjonal med de ønskede gevinster assosiert med de respektive inngangsspenninger. Med andre ord, hvis en stor forsterkning er ønsket ved en bestemt inngangsterminal, er motstanden ved den terminalen liten.
Når den åpne sløyfeforsterkningen av operasjonsforsterkeren, G, er stor, kan utgangsspenningen skrives i forhold til motstandene som er koblet til operasjonsforsterkeren som i ligning (29). Ligning (31) gjentar dette uttrykket med liten forenkling og med tilsetning av motstandene til bakken.
(31)
Vi definerer to ekvivalente motstander som følger:
(32)
SØKNAD
Analyser følgende krets ved hjelp av TINACloud for å bestemme Vut i forhold til inngangsspenningene ved å klikke på lenken nedenfor.
Multiple Input Summer Circuit Simulation av TINACloud
Multiple Input Summer Circuit Simulation av TINACloud
Vi ser at utgangsspenningen er en lineær kombinasjon av innganger hvor hver inngang er delt med tilhørende motstand og multiplisert med en annen motstand. Multiplikasjonsmotstanden er RF for inverterende innganger og Req for ikke-inverterende innganger.
Antall ukjente i dette problemet er n + m +3 (dvs. de ukjente motstandsverdiene). Vi må derfor utvikle seg n + m +3 ligninger for å løse disse ukendighetene. Vi kan formulere n + m av disse ligningene ved å matche de angitte koeffisientene i ligning (30). Det vil si, vi utvikler bare systemet med ligninger fra ligninger (30), (31) og (32) som følger:
(33)
Siden vi har tre flere ukjente, har vi fleksibiliteten til å tilfredsstille tre flere begrensninger. Typiske ytterligere begrensninger inkluderer innmating motstand overveielser og har rimelige verdier for motstandene (f.eks. Du vil ikke ha behov for å bruke en presisjon motstand for R1 lik 10-4 ohm!).
Selv om det ikke kreves for design ved hjelp av ideelle op-ampere, vil vi bruke en designbegrensning som er viktig for ikke-ideelle op-ampere. For den ikke-inverterende op-ampten, er Thevenin-motstanden som ser tilbake fra den inverterende inngangen, vanligvis gjort lik den som ser tilbake fra den ikke-inverterende inngangen. For konfigurasjonen vist i Figur (14), kan denne begrensningen uttrykkes som følger:
(34)
Den siste likestilling kommer fra definisjonen av RA fra ligning (32). Ved å erstatte dette resultatet til ligning (31) gir det begrensningen,
(35)
(36)
Ved å erstatte dette resultatet til ligning (33), blir det enkle sett med ligninger,
(37)
Kombinasjonene av ligning (34) og ligning (37) gir oss den nødvendige informasjonen for å designe kretsen. Vi velger en verdi på RF og deretter løse for de forskjellige inngangsmotstandene ved å bruke ligning (37). Hvis verdiene til motstandene ikke er i et praktisk område, går vi tilbake og endrer verdien av tilbakemelding motstanden. Når vi har løst for inngangsmotstandene, bruker vi Equation (34) for å tvinge motstandene til å ligne tilbake fra de to forsterkningsinngangene. Vi velger verdier av Rx og Ry for å tvinge denne likheten. Mens ligningene (34) og (37) inneholder den vesentlige informasjonen for utformingen, er det viktig å vurdere om motstandene skal være mellom op-amp-innganger og jord (eller ikke)Rx og Ry). Løsningen kan kreve at detereringer oppnår meningsfulle verdier (det vil si at du kan utføre løsningen en gang og komme opp med negative motstandsverdier). Av denne grunn presenterer vi en numerisk prosedyre som forenkler mengden beregninger[1]
Ligning (34) kan omskrives som følger:
(38)
Ved å erstatte ligning (37) i ligning (38) oppnår vi,
(39)
Husk at vårt mål er å løse motstandsverdiene i form av Xi og Yj. La oss definere summeringsbetingelser som følger:
(40)
Vi kan deretter omskrive likning (39) som følger:
(41)
Dette er utgangspunktet for vår designprosedyre. Husk det Rx og Ry er motstandene mellom henholdsvis bakken og ikke-inverterende og inverterende innganger. Tilbakemeldingsmotstanden er angitt RF og et nytt begrep, Z, er definert som
(42)
Tabell (1) -Summing Forsterker Design
Vi kan eliminere enten eller begge motstandene, Rx og Ry, fra kretsen i figur (14). Det er, enten eller begge disse motstandene kan settes til uendelig (dvs. åpen). Dette gir tre designmuligheter. Avhengig av de ønskede multipliseringsfaktorene som relaterer utdata til inngang, vil et av disse tilfellene gi riktig design. Resultatene er oppsummert i tabell (1).
Kretskort med TINA og TINACloud
Det finnes flere verktøy i TINA og TINACloud for operasjonsforsterker og kretsdesign.
Optimalisering
TINAOptimeringsmodus ukjente kretsparametere kan bestemmes automatisk slik at nettverket kan produsere en forhåndsdefinert målutgangsverdi, minimum eller maksimum. Optimalisering er nyttig ikke bare i kretsdesign, men i undervisning for å konstruere eksempler og problemer. Merk at dette verktøyet ikke bare fungerer for ideelle op-forsterkere og lineære kretser, men for alle ikke-lineære kretser med ekte ikke-lineære og andre enhetsmodeller.
Vurder den omvendte forsterkerkretsen med en ekte operasjonsforsterker OPA350.
Ved standardinnstillingen til denne kretsen er utgangsspenningen til kretsen 2.5
Du kan enkelt sjekke dette ved å trykke på DC-knappen i TINACloud.
SØKNAD
Analyser følgende krets ved hjelp av TINACloud online kretssimulator for å bestemme Vut i forhold til inngangsspenningene ved å klikke på lenken nedenfor.
OPA350 Circuit Simulation med TINACloud
OPA350 Circuit Simulation med TINACloud
Hvis du vil forberede dette, bør vi velge målet Out = 3V og kretsparameteren som skal bestemmes (Optimaliseringsobjekt) Vref. For dette objektet bør vi også definere en region som hjelper søket, men representerer også begrensningene.
For å velge og angi optimaliseringsmål i TINACloud klikker du Vout Voltage pin og angir optimaliseringsmål for Ja
Neste klikk på ... -knappen i samme linje og sett verdien til 3.
Trykk OK i hver dialog for å fullføre innstillingene.
La oss nå velge og angi Vref Optimization Object.
Klikk på Vref deretter ... knappen i samme linje
Velg optimaliseringsobjekt i listen øverst og sett avkrysningsboksen Optimalisering / objekt.
Trykk på OK i begge dialogene.
Hvis optimaliseringsinnstillingene var vellykket, vil du se et >> -tegn ved Out og et << -tegn på Vref som vist nedenfor.
Velg nå optimalisering fra analyse-menyen og trykk på RUN i dialogboksen optimalisering.
Etter fullføring av optimaliseringen vil den funnet Vref, den optimale verdien, bli vist i DC Optimization dialogboksen
Du kan studere innstillingene og kjøre optimaliseringen online og sjekke med Circuit Simulation ved hjelp av linken nedenfor.
Kjør optimalisering fra analyse-menyen og trykk deretter DC-knappen, så se resultatet i den optimaliserte kretsen (3V)
Online optimalisering og Circuit Simulation med TINACloud
Merk at på denne tiden i TINACloud er bare en enkel DC-optimalisering inkludert. Flere optimaliseringsfunksjoner er inkludert i den offline versjonen av TINA.
AC-optimalisering
Ved å bruke offline versjonen av TINA kan du optimalisere og omforme også AC-kretser.
Åpne MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC low-pass-krets, fra Eksempler \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro mappe av TINA, Vist under.
Kjør AC Analyse / AC Transfer Karakteristisk.
Følgende diagram vises:
Kretsen har enhet (0dB) Gain og 1.45kHz Cutoff frekvens.
La oss nå omforme kretsen ved hjelp av AC-optimalisering og sett lavfrekvensen Gain til 6dB og Cutoff-frekvensen til 900Hz.
Merknader som normalt optimaliseringsverktøyet kun gjelder for endringer. Ved filter kan det være lurt å bruke et filterverktøy. Vi skal behandle det aktuelle emnet senere.
Nå bruker Optimalisering Gain og Cutoff-frekvensen optimaliseringsmålene.
Klikk på ikonet "Velg optimaliseringsmål" på verktøylinjen eller på analysemenyen "Velg optimaliseringsmål"
Markøren endres til ikonet: 
. Klikk Vout Spenningspinnen med det nye markør symbolet.
Følgende dialogboks vises:
Klikk på AC-målfunksjonene. Følgende dialogboks vises:
Marker avkrysningsruten Low Pass, og still inn Target cut-off frekvensen til 900. Merk av for Maksimum-avmerkingsboksen og sett målet til 6.
Velg deretter kretsparametrene som du vil endre for å nå optimaliseringsmålene.
Klikk på 
symbol eller linjen Velg kontrollobjekt på analysemenyen.
Markøren endres til symbolet ovenfor. Klikk C1 kondensatoren med denne nye markøren. Følgende dialogboks vises:
Trykk på valgknappen. Følgende dialogboks vises:
Programmet angir automatisk et område (begrensning) der den optimale verdien vil bli søkt. Sluttverdi til 20n som vist ovenfor.
Gjenta nå samme prosedyre for R2. Sett sluttverdien til 20k.
Etter å ha fullført optimaliseringsoppsettet, velg optimalisering / vekseloptimalisering (overføring) fra analyse-menyen.
Følgende dialogboks vises:
Godta standardinnstillingene ved å trykke OK.
Etter en kort beregning er det optimale funnet og endrede komponentparametre vises:
Endelig sjekke resultatet med krets simulering kjører Kjør AC Analyse / AC Transfer Karakteristisk.
Som vist på diagrammet er målverdiene (Gain 6db, Cut-Frequency 900Hz) nådd.
Bruke Circuit Designer Tool i TINA og TINACloud
En annen metode for å designe kretser i TINA og TINAcloud bruker det innebygde Circuit Designer-verktøyet, som bare kalles Design Tool.
Designverktøyet arbeider med designekvasjonene til kretsen din for å sikre at de angitte inngangene resulterer i det angitte utgangsresponsen. Verktøyet krever en erklæring om innganger og utganger og forholdene mellom komponentverdiene. Verktøyet gir deg en løsningsmotor som du kan bruke til å løse repetitivt og nøyaktig for ulike scenarier. De beregnede komponentverdiene settes automatisk på plass i skjematisk, og du kan sjekke resultatet ved simulering.
La oss designe AC-forsterkningen av samme krets ved hjelp av vårt Circuit Designer-verktøy.
Åpne kretsen fra Designverktøy-mappen til TINACloud. Følgende skjermbilde vises.
La oss nå kjøre AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Følgende diagram vises:
La oss nå omforme kretsen for å få enhetsgevinst (0dB)
Invoke Redesign denne kretsen fra Verktøy-menyen
Følgende dialogboks vises.
Sett inn Gain til -1 (0 dB) og trykk på Run-knappen.
De beregnede nye komponentverdiene vil umiddelbart vises i skjematisk editor, tegnet i rød farge.
Trykk på Godta-knappen.
Endringene vil bli avsluttet. Kjør AC Analyse / AC Transfer Egenskaper igjen for å sjekke den omdesignede kretsen.
——————————————————————————————————————————————————— —-
1Denne teknikken ble utarbeidet av Phil Vrbancic, en student ved California State University, Long Beach, og presenterte i et papir sendt til IEEE Region VI-prispapirkonkurransen.