6. Projektowanie obwodów wzmacniacza operacyjnego
CURRENT - 6. Projektowanie obwodów wzmacniacza operacyjnego
POPRZEDNI 5. Połączone wejścia odwracające i nieodwracające
Projektowanie obwodów wzmacniacza operacyjnego
Po skonfigurowaniu systemu op-amp możemy to zrobić w czasie rzeczywistym sprawiają, ten system do określenia wydajności w kategoriach wejść. Analizę tę wykonujemy za pomocą procedury omówionej wcześniej (w tym rozdziale).
Jeśli teraz chcesz design obwód, który łączy zarówno sygnały odwracające, jak i nieodwracające, problem jest bardziej złożony. W przypadku problemu projektowego podaje się pożądane równanie liniowe i projektuje się obwód op-amp. Żądana moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego może być wyrażona jako liniowa kombinacja wejść,
(30)
gdzie X1, X2 ...Xn są pożądanymi zyskami na wejściach nieodwracających i Ya, Yb ...Ym są pożądanymi zyskami na wejściach odwracających. Równanie (30) jest implementowane w obwodzie z rysunku (14).
Rysunek 14 - Lato z wieloma wejściami
Ten obwód jest nieco zmodyfikowaną wersją obwodu z rysunku (13) (Wejścia odwracające i nieodwracające).
Rysunek 13 - wejścia odwracające i nieodwracające
Jedyną zmianą, jaką wprowadziliśmy, jest włączenie rezystorów między wejściami wzmacniacza a masą. Ziemia może być postrzegana jako dodatkowe wejście o napięciu zerowym połączone przez odpowiedni rezystor (Ry dla wejścia odwracającego i Rx dla wejścia nieodwracającego). Dodanie tych rezystorów zapewnia nam elastyczność w spełnianiu wszelkich wymagań wykraczających poza wymagania równania (30). Na przykład można określić rezystancje wejściowe. Oba lub oba te dodatkowe rezystory można usunąć, pozwalając ich wartościom przejść do nieskończoności.
Równanie (29) z poprzedniej sekcji pokazuje, że wartości rezystorów, Ra, Rb, ...Rm i R1, R2, ...Rn są odwrotnie proporcjonalne do pożądanych wzmocnień związanych z odpowiednimi napięciami wejściowymi. Innymi słowy, jeśli pożądane jest duże wzmocnienie na określonym terminalu wejściowym, wówczas rezystancja na tym terminalu jest mała.
Gdy wzmocnienie pętli otwartej wzmacniacza operacyjnego, G, jest duży, napięcie wyjściowe można zapisać w kategoriach rezystorów podłączonych do wzmacniacza operacyjnego, jak w równaniu (29). Równanie (31) powtarza to wyrażenie z niewielkim uproszczeniem i dodatkiem rezystorów do masy.
(31)
Definiujemy dwie równoważne opory w następujący sposób:
(32)
WNIOSEK
Przeanalizuj następujący obwód za pomocą TINACloud, aby określić Vna zewnątrz pod względem napięć wejściowych, klikając poniższy link.
Symulacja letniego obwodu z wieloma wejściami przez TINACloud
Symulacja letniego obwodu z wieloma wejściami przez TINACloud
Widzimy, że napięcie wyjściowe jest liniową kombinacją wejść, gdzie każde wejście jest podzielone przez związaną z nim rezystancję i pomnożone przez inny opór. Mnożący opór jest RF do odwracania wejść i Req dla wejść nieodwracających.
Liczba niewiadomych w tym problemie to n + m +3 (tj. Nieznane wartości rezystora). Dlatego musimy się rozwijać n + m +Równania 3 w celu rozwiązania tych niewiadomych. Możemy sformułować n + m tych równań poprzez dopasowanie podanych współczynników w równaniu (30). Oznacza to, że po prostu rozwijamy układ równań z Równań (30), (31) i (32) w następujący sposób:
(33)
Ponieważ mamy jeszcze trzy niewiadome, mamy elastyczność, aby spełnić trzy dodatkowe ograniczenia. Typowe dodatkowe ograniczenia obejmują względy rezystancji wejściowej i posiadanie rozsądnych wartości rezystorów (np. Nie chcesz używać precyzyjnego rezystora dla R1 równy 10-4 omy!).
Chociaż nie jest to wymagane do projektowania przy użyciu idealnych wzmacniaczy operacyjnych, użyjemy ograniczenia projektowego, które jest ważne dla nieidealnych wzmacniaczy operacyjnych. Dla nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego opór Thevenina patrząc wstecz z wejścia odwracającego jest zwykle równy temu, który spogląda wstecz z wejścia nieodwracającego. Dla konfiguracji pokazanej na rysunku (14) ograniczenie to można wyrazić w następujący sposób:
(34)
Ostatnia równość wynika z definicji RA z równania (32). Podstawienie tego wyniku do równania (31) daje ograniczenie,
(35)
(36)
Podstawienie tego wyniku do równania (33) daje prosty zestaw równań,
(37)
Kombinacje równania (34) i równania (37) dają nam informacje niezbędne do zaprojektowania obwodu. Wybieramy wartość RF a następnie rozwiąż różne rezystory wejściowe za pomocą równania (37). Jeśli wartości rezystorów nie są w praktycznym zakresie, cofamy się i zmieniamy wartość rezystora sprzężenia zwrotnego. Gdy rozwiążemy rezystory wejściowe, użyjemy równania (34), aby wymusić, aby rezystancja była równa, patrząc wstecz z dwóch wejść wzmacniacza operacyjnego. Wybieramy wartości Rx i Ry wymusić tę równość. Podczas gdy równania (34) i (37) zawierają podstawowe informacje dotyczące projektu, jedną ważną kwestią jest to, czy uwzględnić rezystory między wejściami wzmacniacza operacyjnego a masą (Rx i Ry). Rozwiązanie może wymagać iteracji w celu uzyskania znaczących wartości (tzn. Można wykonać rozwiązanie raz i uzyskać ujemne wartości rezystancji). Z tego powodu przedstawiamy procedurę numeryczną, która upraszcza obliczenia[1]
Równanie (34) można przepisać w następujący sposób:
(38)
Uzyskanie równania (37) w równaniu (38) uzyskujemy,
(39)
Przypomnijmy, że naszym celem jest rozwiązanie wartości rezystorów pod względem Xi i Yj. Zdefiniujmy terminy sumowania w następujący sposób:
(40)
Następnie możemy przepisać równanie (39) w następujący sposób:
(41)
Jest to punkt wyjścia dla naszej procedury projektowania. Odwołaj to Rx i Ry są odpowiednio rezystorami między masą a wejściami nieodwracającymi i odwracającymi. Oznaczono rezystor sprzężenia zwrotnego RF i nowy termin, Z, jest zdefiniowany jako
(42)
Konstrukcja stołu (1) -Summing Amplifier
Możemy wyeliminować jeden lub oba rezystory, Rx i Ry, z obwodu z rysunku (14). Oznacza to, że jeden lub oba z tych rezystorów mogą być ustawione na nieskończoność (tj. Otwarty obwód). Daje to trzy możliwości projektowe. W zależności od pożądanych czynników mnożących odnoszących się do wyjścia na wejście, jeden z tych przypadków da odpowiedni projekt. Wyniki podsumowano w tabeli (1).
Projektowanie obwodów za pomocą TINA i TINACloud
W TINA i TINACloud dostępnych jest kilka narzędzi do wzmacniacza operacyjnego i projektowania obwodów.
Optymalizacja
TINAW trybie optymalizacji nieznane parametry obwodu mogą być określane automatycznie, dzięki czemu sieć może wytworzyć wstępnie zdefiniowaną docelową wartość wyjściową, minimalną lub maksymalną. Optymalizacja jest przydatna nie tylko w projektowaniu obwodów, ale także w nauczaniu konstruowania przykładów i problemów. Zauważ, że to narzędzie działa nie tylko dla idealnych wzmacniaczy operacyjnych i obwodów liniowych, ale dla każdego obwodu nieliniowego z prawdziwymi nieliniowymi i innymi modelami urządzeń.
Rozważmy obwód wzmacniacza odwracającego z prawdziwym wzmacniaczem operacyjnym OPA350.
Domyślnym ustawieniem tego obwodu jest napięcie wyjściowe obwodu 2.5
Możesz to łatwo sprawdzić, naciskając przycisk DC w TINACloud.
WNIOSEK
Przeanalizuj następujący obwód za pomocą symulatora obwodu online TINACloud, aby określić V.na zewnątrz pod względem napięć wejściowych, klikając poniższy link.
Symulacja obwodu OPA350 za pomocą TINACloud
Symulacja obwodu OPA350 za pomocą TINACloud
Aby przygotować to, należy wybrać docelowy Out = 3V i parametr obwodu, który ma zostać określony (Optymalizacja obiektu) Vref. Dla tego obiektu powinniśmy również zdefiniować region, który pomaga w wyszukiwaniu, ale także reprezentuje ograniczenia.
Aby wybrać i ustawić cel optymalizacji w TINACloud, kliknij pin napięcia Vout i ustaw cel optymalizacji na Tak
Następnie kliknij przycisk… w tej samej linii i ustaw wartość na 3.
Naciśnij OK w każdym oknie dialogowym, aby zakończyć ustawienia.
Teraz wybierzmy i ustawmy obiekt optymalizacji Vref.
Kliknij Vref, a następnie przycisk… w tej samej linii
Wybierz obiekt optymalizacji z listy na górze i ustaw pole Optymalizacja / obiekt.
Naciśnij OK w obu oknach dialogowych.
Jeśli ustawienia optymalizacji powiodły się, zobaczysz znak >> wyloguj się i znak << w Vref, jak pokazano poniżej.
Teraz wybierz Optymalizacja z menu Analiza i naciśnij RUN w oknie dialogowym Optymalizacja.
Po zakończeniu optymalizacji znaleziona wartość Vref, wartość optymalna, zostanie wyświetlona w oknie dialogowym Optymalizacja DC
Możesz przestudiować ustawienia i uruchomić Optymalizację online i sprawdzić według Circuit Simulation za pomocą poniższego linku.
Uruchom Optymalizację z menu Analiza, a następnie naciśnij przycisk DC, aby zobaczyć wynik w obwodzie zoptymalizowanym (3V)
Optymalizacja online i symulacja obwodu z TINACloud
Należy zauważyć, że w tej chwili w TINACloud uwzględniono tylko prostą optymalizację DC. Więcej funkcji optymalizacji znajduje się w wersji offline TINA.
Optymalizacja AC
Korzystając z wersji offline TINA, można również zoptymalizować i przeprojektować obwody AC.
Otwórz obwód dolnoprzepustowy MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC od Przykłady Texas Instruments Folder Filters_FilterPro TINA, pokazane poniżej.
Uruchom AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Pojawi się następujący schemat:
Obwód ma jedność (0dB) Wzmocnienie i częstotliwość odcięcia 1.45kHz.
Teraz przeprojektuj obwód za pomocą optymalizacji AC i ustaw wzmocnienie niskiej częstotliwości na 6dB i częstotliwość odcięcia na 900Hz.
Note zwykle narzędzie optymalizujące dotyczy tylko zmian. W przypadku filtrów możesz użyć raczej narzędzia do projektowania filtrów. Zajmiemy się tym tematem później.
Teraz przy użyciu Optymalizacji częstotliwość wzmocnienia i odcięcia są celami optymalizacji.
Kliknij ikonę „Wybierz cel optymalizacji” na pasku narzędzi lub w menu Analiza „Wybierz cel optymalizacji”
Kursor zmieni się w ikonę: 
. Kliknij pin napięcia Vout z nowym symbolem kursora.
Pojawi się następujące okno dialogowe:
Kliknij przyciski funkcji celu AC. Pojawi się następujące okno dialogowe:
Zaznacz pole wyboru Low Pass i ustaw Target cut-off frequency na 900. Teraz zaznacz pole wyboru Maksimum i ustaw Cel na 6.
Następnie wybierz parametry obwodu, które chcesz zmienić, aby osiągnąć cele optymalizacji.
Kliknij 
symbol lub linię Wybierz obiekt kontrolny w menu Analiza.
Kursor zmieni się na powyższy symbol. Kliknij kondensator C1 tym nowym kursorem. Pojawi się następujące okno dialogowe:
Naciśnij przycisk wyboru. Pojawi się następujące okno dialogowe:
Program automatycznie ustawia zakres (ograniczenie), w którym będzie wyszukiwana wartość optymalna. Zakończ wartość do 20n, jak pokazano powyżej.
Teraz powtórz tę samą procedurę dla R2. Ustaw wartość End na 20k.
Po zakończeniu konfiguracji optymalizacji wybierz Optymalizacja / Optymalizacja AC (Transfer) z menu Analiza.
Pojawi się następujące okno dialogowe:
Zaakceptuj ustawienia domyślne, naciskając OK.
Po krótkim obliczeniu zostaje znalezione optimum i pojawiają się zmienione parametry komponentu:
Na koniec sprawdź wynik za pomocą symulacji obwodu z uruchomieniem analizy AC AC / AC Transfer.
Jak pokazano na schemacie, osiągnięto wartości docelowe (Gain 6db, częstotliwość odcięcia 900Hz).
Korzystanie z narzędzia Circuit Designer w TINA i TINACloud
Inną metodą projektowania obwodów w TINA i TINAcloud jest użycie wbudowanego narzędzia Circuit Designer zwanego po prostu Design Tool.
Narzędzie projektowe działa z równaniami projektowymi twojego obwodu, aby upewnić się, że określone wejścia dają określoną odpowiedź wyjściową. Narzędzie wymaga od ciebie zestawienia danych wejściowych i wyjściowych oraz relacji między wartościami komponentów. Narzędzie oferuje silnik rozwiązania, którego można używać do powtarzalnego i dokładnego rozwiązywania różnych scenariuszy. Obliczone wartości komponentów są automatycznie ustawiane na miejscu na schemacie i można sprawdzić wynik przez symulację.
Zaprojektujmy wzmocnienie AC tego samego obwodu za pomocą naszego narzędzia Circuit Designer.
Otwórz obwód z folderu Narzędzia projektowe TINACloud. Pojawi się następujący ekran.
Teraz uruchom AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Pojawi się następujący schemat:
Teraz przeprojektuj obwód, aby uzyskać zysk jedności (0dB)
Wywołaj przeprojektowanie tego obwodu z menu Narzędzia
Pojawi się następujące okno dialogowe.
Ustaw Gain na -1 (0 dB) i naciśnij przycisk Run.
Obliczone nowe wartości komponentu pojawią się natychmiast w edytorze schematów, narysowane na czerwono.
Naciśnij przycisk Akceptuj.
Zmiany zostaną sfinalizowane. Ponownie uruchom AC Analysis / AC Transfer Characteristics, aby sprawdzić przeprojektowany obwód.
—————————————————————————————————————————————————— —-
1Technika ta została opracowana przez Phila Vrbancica, studenta z California State University w Long Beach, i zaprezentowana w referacie przedłożonym w konkursie papierowym VI Region IEEE.