Praktisk Op-amp-TINA og TINACloud Resources

Praktiske Op-ampere

Praktiske opp-ampere omtrentlig deres ideell motparter, men forskjellig i noen viktige henseender. Det er viktig for kretsdesigneren å forstå forskjellene mellom faktiske op ampere og ideelle op-ampere, da disse forskjellene kan påvirke kretsytelsen negativt.

Målet vårt er å utvikle en detaljert modell av den praktiske forsterkeren - en modell som tar hensyn til de viktigste egenskapene til den ikke-ideelle enheten. Vi begynner med å definere parametrene som brukes til å beskrive praktiske forsterkere. Disse parameterne er spesifisert i oppføringer på datablad levert av produsenten av op-amp.

Tabell 1 viser parameterverdiene for tre spesielle op-ampere, hvorav en av de tre er μA741. Vi bruker μA741 operasjonsforsterkere i mange av eksemplene og kapitalkomponentproblemer av følgende grunner: (1) De har blitt produsert av mange IC-produsenter, (2) de finnes i store mengder i hele elektronikkindustrien, og ( 3) de er internt kompenserte op ampere, og egenskapene kan brukes som referanse til sammenligningsformål når det gjelder andre op-amp typer. Som de ulike parametrene er definert i de følgende avsnittene, bør det refereres til tabell 9.1 for å finne typiske verdier.

Praktiske Op-ampere, operasjonsforsterkere

Tabell 1 - Parameterverdier for op-ampere

Den mest signifikante forskjellen mellom ideelle og faktiske op-ampere er i spenningsøkningen. Den ideelle op-amp har en spenningsgevinst som nærmer seg uendelig. Den faktiske op-amp har en endelig spenningsøkning som avtar ettersom frekvensen øker (vi undersøker dette i detalj i neste kapittel).

5.1 Open-Loop Voltage Gain (G)

Åpen-spenningsforsterkningen av en op-amp er forholdet mellom endringen i utgangsspenningen og en endring i inngangsspenningen uten tilbakemelding. Spenningsøkning er en dimensjonsløs mengde. Symbolet G brukes til å indikere spenningsforsterkningen for åpen sløyfe. Op-ampere har høyspenningsøkning for lavfrekvensinnganger. Op-amp-spesifikasjonen viser spenningsforsterkningen i volt per millivolt eller i desibel (dB) [definert som 20log₁₀(v_ut/v_in)].

5.2 Modifisert Op-amp Model

Figur 14 viser en modifisert versjon av den idealiserte op-amp modellen. Vi har endret den idealiserte modellen ved å legge til innsatsmotstand (R_i), utgangsbestandighet (R_o), og common-modus motstand (R_cm).

Figur 14 - Modifisert OP-amp modell

Typiske verdier for disse parameterne (for 741 op-amp) er

Vi vurderer nå kretsen i figur 15 for å undersøke OP-amp ytelse. De inverterende og ikke-inverterende inngangene til op-ampen drives av kilder som har seriemotstand. Utgangen på op-ampen blir matet tilbake til inngangen gjennom en motstand, R_F.

Kildene som kjører de to inngangene, er betegnet v_A og v₁, og de tilhørende serieresistansene er R_A og R₁. Hvis inngangskretsene er mer komplekse, kan disse motstandene betraktes som Thevenin-ekvivalenter av det kretsløpet.

Figur 15 - Op-amp krets

5.3 Input Offset Voltage (V_io)

Når inngangsspenningen til en ideell opp-amp er null, er utgangsspenningen også null. Dette er ikke sant for en faktisk opp-amp. De inngangsspenning, V_io, er definert som differensial inngangspenning som kreves for å gjøre utgangsspenningen lik null. V_io er null for den ideelle opp-amp. En typisk verdi på V_io for 741 opp-amp er 2 mV. En ikke-null verdi av V_io er uønsket fordi op-amp forsterker en hvilken som helst inngangsforskyvning, og dermed forårsaker en større utgang dc feil.

Følgende teknikk kan brukes til å måle inngangsspenningen. I stedet for å variere inngangsspenningen for å tvinge utgangen til null, er inngangen satt lik null, som vist i figur 16, og utgangsspenningen måles.

Figur 16 - Teknikk for måling av Vio

Utgangsspenningen som kommer fra en null inngangsspenning er kjent som utgang dc offset spenning. Inngangsforskjellen spenningen er oppnådd ved å dele denne mengden med open-loop forsterkning av op-amp.

Effektene av inngangsforskjellspenning kan innlemmes i op-amp-modellen som vist i figur 17.

I tillegg til å inkludere inngangsspenningsspenning, har den ideelle op-amp-modellen blitt ytterligere modifisert med tillegg av fire motstander. R_o er den utgangsbestandighet. De inngangsbestandighet av op-amp, R_i, måles mellom de inverterende og ikke-inverterende terminaler. Modellen inneholder også en motstand som forbinder hver av de to inngangene til bakken.

Dette er den common-modus motstander, og hver er lik 2R_cm. Hvis inngangene er koblet sammen som i figur 16, er disse to motstandene parallelle, og den kombinerte Thevenin motstanden mot bakken er R_cm. Hvis op-ampen er ideell, R_i og R_cm tilnærming uendelig (dvs. åpen krets) og R_o er null (dvs. kortslutning).

Figur 17 - Inngang offset spenning

Den eksterne konfigurasjonen vist i Figur 18 (a) kan brukes til å negere effekten av offset spenning. En variabel spenning påføres den inverterende inngangsterminalen. Riktig valg av denne spenningen avbryter inngangsforskjellen. På samme måte illustrerer figur 18 (b) denne balanseringskretsen som er påført den ikke-inverterende inngangen.

Figur 18 - Offset spenningsbalansering

SØKNAD

Du kan teste Input Offset Spenningsbalansering av 18 (a) kretsen ved simulering online med TINACloud Circuit Simulator ved å klikke på linken under.

Input Offset Spenningsbalansering Circuit Simulation (a) med TINACloud

Input Offset Spenningsbalansering Circuit Simulation (a) med TINACloud

SØKNAD

Du kan teste Input Offset Balancing av 18 (b) kretsen ved simulering online med TINACloud Circuit Simulator ved å klikke på linken nedenfor:

Input Offset Spenningsbalansering Circuit Simulation (b) med TINACloud

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) med TINACloud

5.4 Input Bias Current (I_Bias)

Selv om ideelle OP-amp-innganger tegner ingen strøm, gir faktiske op-ampere litt biasstrøm for å komme inn i hver inngangsterminal. I_Bias er den dc strøm inn i inngangstransistoren, og en typisk verdi er 2 μA. Når kildeimpedansen er lav, I_Bias har liten effekt, siden det medfører en relativt liten endring i inngangsspenningen. Imidlertid med en høyimpedanskjøring kan en liten strøm føre til stor spenning.

Forspenningsstrømmen kan modelleres som to nåværende vasker, som vist i figur 19.

Figur 19 - Offset spenningsbalansering

Verdiene av disse vasker er uavhengige av kildeimpedansen. De bias strøm er definert som gjennomsnittsverdien av de to nåværende vasker. Og dermed

(40)

Forskjellen mellom de to synkeverdiene er kjent som inngangsforskjellstrøm, I_io, og er gitt av

(41)

Både inngangspenningsstrømmen og inngangsforskyvningsstrømmen er temperaturavhengige. De inngangsforspenningstrømstemperaturkoeffisient er definert som forholdet mellom forandring i bias strømmen til temperaturendring. En typisk verdi er 10 nA /^oC. Den Inngang Offset Current Temperatur koeffisient er definert som forholdet mellom endringen i størrelsen av forskyvningsstrømmen og temperaturendringen. En typisk verdi er -2nA /^oC.

Figur 20 - Input bias gjeldende modell

Inngangspenningsstrømmene er innlemmet i op-amp-modellen i figur 20, der vi antar at inngangsforskyvningsstrømmen er ubetydelig.

Det er,

Figur 21 (a) - Kretsen

Vi analyserer denne modellen for å finne utgangsspenningen forårsaket av innspillstrømmen.

Figur 21 (a) viser en op-amp-krets hvor inverterings- og ikke-inverterende innganger er koblet til jordoverflater.

Kretsen er erstattet av tilsvarende i Figur 21 (b), hvor vi har forsømt V_io. Vi forenkler videre kretsen i figur 21 (c) ved å forsømme R_o og R_laste. Det antas vi R_F >> R_o og R_laste >> R_o. Utgangskrav for lasting sørger vanligvis for at disse ulikhetene er oppfylt.

Kretsen blir ytterligere forenklet i figur 21 (d) hvor seriekombinasjonen av den avhengige spenningskilden og motstanden er erstattet av en parallell kombinasjon av en avhengig strømkilde og motstand.

Til slutt kombinerer vi motstander og endrer begge strømkilder tilbake til spenningskilder for å oppnå den forenklede ekvivalenten til figur 21 (e).

Figur 21 (b) og (c) - Input bias effekter

Vi bruker en sløyfe likning for å finne utgangsspenningen.

(43)

hvor

(44)

Den fellesmodusmotstanden, R_cm, er i området på flere hundre megohms for de fleste op-ampere. Derfor

(45)

Hvis vi videre antar det G_o er stor, Equation (43) blir ligning.

(46)

Figur 21 (d) og (e) - Input bias effekter

Merk at hvis verdien av R₁ er valgt for å være lik, så er utgangsspenningen null. Vi konkluderer med denne analysen at dc motstand fra V₊ til bakken skal være lik dc motstand fra V_- til bakken. Vi bruker dette biasbalanse begrense mange ganger i våre design. Det er viktig at både omvendte og ikke-inverterende terminaler har a dc vei til bakken for å redusere effektene av innspillstrømmen.

Input Bias Nåværende, praktisk op-amp, operasjonsforsterkere

Figur 22 - Konfigurasjoner for eksempel 1

Eksempel 1

Finn utgangsspenningen for konfigurasjonene i Figur 22 hvor I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Løsning: Vi bruker den forenklede formen for ligning (46) for å finne utgangsspenningene for kretsen i figur 22 (a).

For kretsen i figur 22 (b) får vi

SØKNAD

Du kan også utføre disse beregningene med TINACloud-kretssimulatoren, ved hjelp av Tolk-verktøyet ved å klikke på linken nedenfor.

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation med TINACloud

Input Bias Current Modeling Circuit Simulation med TINACloud

5.5 Common-Mode-avvisning

Op-amp brukes normalt til å forsterke forskjellen mellom to inngangsspenninger. Det opererer derfor i differensialmodus. En konstant spenning lagt til hver av disse to inngangene skal ikke påvirke forskjellen og bør derfor ikke overføres til utgangen. I det praktiske tilfellet er denne konstante eller gjennomsnittlige verdien av inngangene gjør påvirker utgangsspenningen. Hvis vi bare ser på de like delene av de to inngangene, vurderer vi hva som er kjent som vanlig modus.

Figur 23 - Felles modus

La oss anta at de to inngangsklemmene til en faktisk op-amp er koblet sammen og deretter til en felles kildespenning. Dette er illustrert i figur 23. Utgangsspenningen vil være null i det ideelle tilfellet. I det praktiske tilfellet er denne utgangen ikke-null. Forholdet mellom ikke-null utgangsspenning og den tilførte inngangsspenningen er common-mode spenning gevinst, G_cm. De felles modus avvisning forholdet (CMRR) er definert som forholdet mellom dc open-loop gain, G_o, til felles modus gevinst. Og dermed,

(47)

Typiske verdier av CMRR-området fra 80 til 100 dB. Det er ønskelig å ha CMRR så høyt som mulig.

5.6 Strømforsyningshastighet

Strømforsyningsavvisningsforhold er et mål på evnen til op-amp til å ignorere endringer i strømforsyningsspenningen. Hvis utgangstrinnet i et system trekker en variabel strøm, kan forsyningsspenningen variere. Denne belastningsinducerte endringen i forsyningsspenningen kan da føre til endringer i driften av andre forsterkere som deler samme forsyning. Dette er kjent som krysstale, og det kan føre til ustabilitet.

De strømforsyningsavvisningsforhold (PSRR) er forholdet mellom endringen i v_ut til den totale endringen i strømforsyningsspenningen. For eksempel, hvis de positive og negative forsyningene varierer fra ± 5 V til ± 5.5 V, er den totale endringen 11 - 10 = 1 V. PSRR er vanligvis spesifisert i mikrovolt per volt eller noen ganger i desibel. Typiske op-forsterkere har en PSRR på omtrent 30 μV / V.

For å redusere endringer i forsyningsspenningen, bør strømforsyningen for hver gruppe av forsterkere være dekoblet (dvs. isolert) fra de andre gruppene. Dette begrenser samspillet til en enkelt gruppe av op ampere. I praksis bør hvert trykt kretskort ha forsyningslinjer omgått til jord via en 0.1-μF keramisk eller 1-μF tantal kondensator. Dette sikrer at belastningsvariasjoner ikke vil mate betydelig gjennom tilførselen til andre kort.

5.7 Output Resistance

Som et første skritt i å bestemme utgangsmotstanden, R_ut, finner vi Thevenin-ekvivalenten for den delen av op-amp-kretsen som vises i boksen vedlagt i punkterte linjer i figur 24. Merk at vi ignorerer offsetstrømmen og spenningen i denne analysen.

(24)

Siden kretsen ikke inneholder noen uavhengige kilder, er Thevenin-ekvivalent spenning null, så kretsen tilsvarer en enkelt motstand. Motstandens verdi kan ikke bli funnet ved hjelp av motstandskombinasjoner. For å finne ekvivalent motstand, antar du at en spenningskilde, v, blir brukt på utgangsledningene. Vi beregner deretter den resulterende strømmen, i, og ta forholdet v/i. Dette gir Thevenin motstanden.

Figur 25 (del a) - Thevenin ekvivalente kretsløp

Figur 25 (del b)

Figur 25 (a) illustrerer den påførte spenningskilde. Kretsen er forenklet til den som er vist i figur 25 (b).

Kretsen kan reduseres ytterligere til den som er vist i Figur 25 (c), hvor vi definerer to nye motstander som følger:

(48)

Vi antar at R '_A << (R '₁ + R_i) Og R_i >> R '₁. Den forenklede kretsen i figur 25 (d) resulterer.

Inngangsdifferensiell spenning, v_d, er funnet fra denne forenklede kretsen ved hjelp av et spenningsdelerforhold.

(49)

For å finne utgangsbestandigheten begynner vi å skrive utgangsløksligningen.

(50)

Figur 25 (del c og d) - Reduserte kretser som tilsvarer Thevenin

Utgangsbestandigheten blir da gitt ved ligning (51).

(51)

I de fleste tilfeller, R_cm er så stor det R '_A»R_A og R₁'»R₁. Likning (51) kan forenkles ved hjelp av nullfrekvensspenningsgevinst, G_o. Resultatet er ligning (52).

(52)

SØKNAD

Du kan beregne utgangsimpedansen til krets 25 (a) med kretssimulering ved hjelp av TINACloud Circuit Simulator ved å klikke på lenken nedenfor.

Output Impedance av en Opamp Circuit Simulation med TINACloud

Output Impedance av en Opamp Circuit Simulation med TINACloud

Eksempel 2

Finn utgangsimpedansen til en enhedsforsterkbuffer som vist i Figur 26.

Figur 26 - Unity gain buffer

Løsning: Når kretsen i figur 26 blir sammenlignet med tilbakekoblingskretsen i figur 24, finner vi det

Derfor,

Likning (51) kan ikke brukes, siden vi ikke er sikre på at ulikhetene som fører til forenkling av figur 25 (c) gjelder i dette tilfellet. Det krever forenkling det