Praktyczne wzmacniacze operacyjne

Praktyczne wzmacniacze operacyjne przybliżają ich idealny odpowiedniki, ale różnią się pod pewnymi ważnymi względami. Dla projektanta obwodów ważne jest zrozumienie różnic między rzeczywistymi wzmacniaczami operacyjnymi i idealnymi wzmacniaczami operacyjnymi, ponieważ różnice te mogą niekorzystnie wpływać na wydajność obwodu.

Naszym celem jest opracowanie szczegółowego modelu praktycznego wzmacniacza operacyjnego - modelu uwzględniającego najważniejsze cechy nieidealnego urządzenia. Rozpoczynamy od zdefiniowania parametrów używanych do opisu praktycznych wzmacniaczy operacyjnych. Parametry te są określone w wykazach w arkuszach danych dostarczonych przez producenta wzmacniacza operacyjnego.

Tabela 1 zawiera wartości parametrów dla trzech konkretnych wzmacniaczy operacyjnych, z których jeden to μA741. W wielu przykładach i problemach z końca rozdziału używamy wzmacniaczy operacyjnych μA741 z następujących powodów: (1) zostały wyprodukowane przez wielu producentów układów scalonych (2), które znajdują się w dużych ilościach w całym przemyśle elektronicznym i ( 3) są uniwersalnymi wzmacniaczami operacyjnymi z kompensacją wewnętrzną, a ich właściwości można wykorzystać jako odniesienie do celów porównawczych w przypadku innych typów wzmacniaczy operacyjnych. Ponieważ różne parametry są zdefiniowane w następnych sekcjach, należy odwołać się do tabeli 9.1 w celu znalezienia typowych wartości.

Praktyczne wzmacniacze operacyjne, wzmacniacze operacyjne

Tabela 1 - Wartości parametrów dla wzmacniaczy operacyjnych

Najbardziej znacząca różnica między idealnym a rzeczywistym wzmacniaczem operacyjnym dotyczy wzmocnienia napięcia. Idealny wzmacniacz operacyjny ma wzmocnienie napięcia zbliżone do nieskończoności. Rzeczywisty wzmacniacz operacyjny ma skończone wzmocnienie napięcia, które maleje wraz ze wzrostem częstotliwości (szczegółowo omówimy to w następnym rozdziale).

Wzmocnienie napięcia pętli otwartej 5.1 (G)

Wzrost napięcia w pętli otwartej wzmacniacza operacyjnego jest stosunkiem zmiany napięcia wyjściowego do zmiany napięcia wejściowego bez sprzężenia zwrotnego. Wzmocnienie napięcia jest wielkością bezwymiarową. Symbol G jest używany do wskazania wzmocnienia napięcia w otwartej pętli. Wzmacniacze operacyjne mają wysokie wzmocnienie napięcia dla wejść o niskiej częstotliwości. Specyfikacja wzmacniacza operacyjnego podaje przyrost napięcia w woltach na miliwolt lub w decybelach (dB) [zdefiniowany jako 20log₁₀(v_{na zewnątrz}/v_in)].

5.2 Zmodyfikowany model wzmacniacza operacyjnego

Rysunek 14 pokazuje zmodyfikowaną wersję wyidealizowanego modelu op-amp. Zmieniliśmy wyidealizowany model dodając rezystancję wejściową (R_i), rezystancja wyjściowa (R_o) i opór w trybie wspólnym (R_cm).

wzmacniacz operacyjny, praktyczne wzmacniacze operacyjne

Rysunek 14 - Zmodyfikowany model op-amp

Typowe wartości tych parametrów (dla wzmacniacza operacyjnego 741) to

Rozważamy teraz obwód rysunku 15 w celu zbadania wydajności op-amp. Wejścia odwracające i nieodwracające wzmacniacza operacyjnego są napędzane przez źródła o oporności szeregowej. Wyjście wzmacniacza operacyjnego jest doprowadzane z powrotem do wejścia przez rezystor, R_F.

Źródła napędzające dwa wejścia są oznaczone v_A i v₁i związane z nimi opory szeregowe są R_A i R₁. Jeśli obwód wejściowy jest bardziej złożony, rezystancje te można uznać za odpowiedniki tego układu w Thevenin.

Rysunek 15 - Obwód wzmacniacza

5.3 Napięcie przesunięcia wejściowego (V_io)

Gdy napięcie wejściowe do idealnego wzmacniacza operacyjnego wynosi zero, napięcie wyjściowe jest również zerowe. To nie jest prawda dla rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego. The napięcie przesunięcia wejściowego, V_io, jest zdefiniowane jako różnicowe napięcie wejściowe wymagane do uzyskania napięcia wyjściowego równego zero. V_io wynosi zero dla idealnego wzmacniacza operacyjnego. Typowa wartość V_io dla wzmacniacza operacyjnego 741 jest 2 mV. Niezerowa wartość V_io jest niepożądane, ponieważ wzmacniacz operacyjny wzmacnia każde przesunięcie wejściowe, powodując tym samym większe wyjście dc Błąd.

Poniższa technika może być użyta do pomiaru napięcia przesunięcia wejściowego. Zamiast zmieniać napięcie wejściowe, aby zmusić wyjście do zera, wejście jest ustawione na zero, jak pokazano na rysunku 16, i mierzone jest napięcie wyjściowe.

wzmacniacze operacyjne, wzmacniacze operacyjne

Rysunek 16 - Technika pomiaru Vio

Napięcie wyjściowe wynikające z zerowego napięcia wejściowego jest znane jako napięcie wyjściowe kompensacji prądu stałego. Napięcie przesunięcia wejściowego jest uzyskiwane przez podzielenie tej wielkości przez wzmocnienie pętli otwartej wzmacniacza operacyjnego.

Efekty napięcia przesunięcia wejściowego można włączyć do modelu wzmacniacza operacyjnego, jak pokazano na rysunku 17.

Oprócz uwzględnienia napięcia przesunięcia wejściowego, idealny model wzmacniacza operacyjnego został dodatkowo zmodyfikowany przez dodanie czterech rezystancji. R_o jest rezystancja wyjściowa, rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego, R_i, jest mierzony między terminalami odwracającymi i nieodwracającymi. Model zawiera również rezystor łączący każde z dwóch wejść z masą.

Są to rezystancje w trybie wspólnymi każdy jest równy 2R_cm. Jeśli wejścia są połączone razem jak na rysunku 16, te dwa rezystory są równoległe, a połączona rezystancja Thevenina z masą to R_cm. Jeśli wzmacniacz operacyjny jest idealny, R_i i R_cm podejść do nieskończoności (tj. otwarty obwód) i R_o wynosi zero (tj. zwarcie).

Rysunek 17 - Napięcie przesunięcia wejścia

Konfiguracja zewnętrzna pokazana na rysunku 18 (a) może być wykorzystana do zanegowania skutków napięcia przesunięcia. Zmienne napięcie jest przykładane do odwracającego zacisku wejściowego. Właściwy wybór tego napięcia anuluje przesunięcie wejściowe. Podobnie rysunek 18 (b) ilustruje ten obwód równoważący zastosowany do wejścia nieodwracającego.

Rysunek 18 - Wyrównanie napięcia przesunięcia

WNIOSEK

Możesz przetestować równoważenie napięcia wejściowego obwodu 18 (a) przez symulację online za pomocą symulatora obwodu TINACloud, klikając poniższy link.

Symulacja obwodu wyrównywania napięcia wejściowego (a) z TINACloud

Symulacja obwodu wyrównywania napięcia wejściowego (a) z TINACloud

WNIOSEK

Możesz przetestować równoważenie przesunięcia wejściowego obwodu 18 (b) przez symulację online za pomocą symulatora obwodu TINACloud, klikając poniższy link:

Symulacja obwodu wyrównywania napięcia wejściowego (b) z TINACloud

Symulacja obwodu równoważenia wejścia (b) z TINACloud

5.4 Prąd przesunięcia wejściowego (I_{stronniczość})

Mimo że idealne wejścia wzmacniacza operacyjnego nie pobierają prądu, rzeczywiste wzmacniacze operacyjne pozwalają na wprowadzenie prądu wyjściowego do każdego zacisku wejściowego. I_{stronniczość} jest dc prąd do tranzystora wejściowego, a typowa wartość to 2 μA. Gdy impedancja źródła jest niska, I_{stronniczość} ma niewielki wpływ, ponieważ powoduje stosunkowo małą zmianę napięcia wejściowego. Jednak w obwodach napędowych o wysokiej impedancji mały prąd może prowadzić do dużego napięcia.

Prąd polaryzacji można modelować jako dwa bieżące pochłaniacze, jak pokazano na rysunku 19.

Rysunek 19 - Wyrównanie napięcia przesunięcia

Wartości tych zlewów są niezależne od impedancji źródła. The prąd odchylenia jest definiowana jako średnia wartość dwóch aktualnych pochłaniaczy. A zatem

(40)

Różnica między dwoma wartościami zlewu jest znana jako wejściowy prąd przesunięcia, I_ioi jest przez

(41)

Zarówno prąd wejściowy, jak i prąd przesunięcia wejściowego są zależne od temperatury. The współczynnik biasu wejściowego bieżącej temperatury jest definiowany jako stosunek zmiany prądu polaryzacji do zmiany temperatury. Typowa wartość to 10 nA /^oC. The przesunięcie wejściowe aktualny współczynnik temperaturowy jest definiowany jako stosunek zmiany wielkości prądu przesunięcia do zmiany temperatury. Typowa wartość to -2nA /^oC.

wzmacniacz operacyjny, wzmacniacz operacyjny

Rysunek 20 - Bieżący model obciążenia wejściowego

Prądy polaryzacji wejściowej są włączone do modelu op-amp na rysunku 20, gdzie zakładamy, że wejściowy prąd przesunięcia jest pomijalny.

To jest,

Rysunek 21 (a) - Obwód

Analizujemy ten model, aby znaleźć napięcie wyjściowe spowodowane prądami polaryzacji wejściowej.

Rysunek 21 (a) pokazuje obwód op-amp, w którym wejścia odwracające i nieodwracające są połączone z masą poprzez rezystancję.

Obwód jest zastępowany przez jego odpowiednik na rysunku 21 (b), gdzie zaniedbaliśmy V_io. Dalej upraszczamy obwód na rysunku 21 (c) przez zaniedbanie R_o i R_załadować. To znaczy, zakładamy R_F >> R_o i R_załadować >> R_o. Wymagania dotyczące obciążenia wyjściowego zwykle zapewniają, że te nierówności są spełnione.

Obwód jest dodatkowo uproszczony na rysunku 21 (d), gdzie szeregowa kombinacja zależnego źródła napięcia i rezystora jest zastąpiona przez równoległą kombinację zależnego źródła prądu i rezystora.

Wreszcie łączymy rezystancje i zmieniamy oba źródła prądu z powrotem na źródła napięcia, aby uzyskać uproszczony odpowiednik rysunku 21 (e).

Rysunek 21 (b) i (c) - Efekty odchylenia wejściowego

Używamy równania pętli, aby znaleźć napięcie wyjściowe.

(43)

gdzie

(44)

Opór w trybie wspólnym, R_cm, jest w zakresie kilkuset megaomów dla większości wzmacniaczy operacyjnych. W związku z tym

(45)

Jeśli dalej to założymy G_o jest duże, równanie (43) staje się równaniem.

(46)

Rysunek 21 (d) i (e) - Efekty odchylenia wejściowego

Zauważ, że jeśli wartość R₁ jest równe, to napięcie wyjściowe wynosi zero. Na podstawie tej analizy wyciągamy wniosek, że dc opór od V₊ do ziemi powinien być równy dc opór od V_- do ziemi. Używamy tego równowaga stronniczości wiele razy w naszych projektach. Ważne jest, aby zarówno terminale odwracające, jak i nieodwracające miały dc ścieżka do ziemi w celu zmniejszenia wpływu prądu polaryzacji wejściowej.

Wejście Bias Aktualny, praktyczny wzmacniacz operacyjny, wzmacniacz operacyjny

Rysunek 22 - Konfiguracje dla przykładu 1

1 przykład

Znajdź napięcie wyjściowe dla konfiguracji z rysunku 22 gdzie I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Rozwiązanie: Używamy uproszczonej formy równania (46), aby znaleźć napięcia wyjściowe dla obwodu z rysunku 22 (a).

Dla obwodu z rysunku 22 (b) uzyskujemy

WNIOSEK

Możesz również wykonać te obliczenia za pomocą symulatora obwodu TINACloud, korzystając z narzędzia Interpreter, klikając poniższy link.

Wprowadzanie aktualnej symulacji obwodu modelowania

Symulacja wejściowego prądu modelowania przy użyciu TINACloud

Symulacja wejściowego prądu modelowania przy użyciu TINACloud

5.5 Wspólne odrzucanie

Wzmacniacz operacyjny jest zwykle używany do wzmacniania różnicy między dwoma napięciami wejściowymi. Dlatego działa w tryb różnicowy. Stałe napięcie dodane do każdego z tych dwóch wejść nie powinno wpływać na różnicę i dlatego nie powinno być przenoszone na wyjście. W praktyce jest to stała, czyli średnia wartość wejść robi wpływać na napięcie wyjściowe. Jeśli weźmiemy pod uwagę tylko równe części dwóch danych wejściowych, rozważamy tzw tryb zwykły.

Rysunek 23 - Tryb wspólny

Załóżmy, że dwa zaciski wejściowe rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego są połączone razem, a następnie do wspólnego napięcia źródła. Ilustruje to rysunek 23. W idealnym przypadku napięcie wyjściowe wynosiłoby zero. W praktycznym przypadku to wyjście jest niezerowe. Stosunek niezerowego napięcia wyjściowego do przyłożonego napięcia wejściowego to wzmocnienie napięcia wspólnego, G_cm, współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym (CMRR) jest zdefiniowany jako stosunek dc zysk w otwartej pętli, G_o, do wzmocnienia trybu wspólnego. A zatem,

(47)

Typowe wartości zakresu CMRR od 80 do 100 dB. Pożądane jest, aby CMRR był jak najwyższy.

5.6 Współczynnik odrzucenia zasilacza

Współczynnik odrzucenia zasilacza jest miarą zdolności wzmacniacza operacyjnego do ignorowania zmian napięcia zasilania. Jeśli stopień wyjściowy systemu pobiera zmienną ilość prądu, napięcie zasilania może się różnić. Ta indukowana obciążeniem zmiana napięcia zasilania może następnie spowodować zmiany w działaniu innych wzmacniaczy o tym samym zasilaniu. Jest to znane jako cross-talki może to prowadzić do niestabilności.

Połączenia współczynnik odrzucenia zasilacza (PSRR) to stosunek zmiany w v_{na zewnątrz} do całkowitej zmiany napięcia zasilania. Na przykład, jeśli dodatnie i ujemne źródła zasilania zmieniają się w zakresie od ± 5 V do ± 5.5 V, całkowita zmiana wynosi 11–10 = 1 V. PSRR jest zwykle podawany w mikrowoltach na wolt lub czasami w decybelach. Typowe wzmacniacze operacyjne mają PSRR około 30 μV / V.

Aby zmniejszyć zmiany napięcia zasilania, powinno być zasilanie każdej grupy wzmacniaczy operacyjnych oddzielony (tj. izolowane) od innych grup. To ogranicza interakcję do jednej grupy wzmacniaczy operacyjnych. W praktyce każda karta obwodu drukowanego powinna mieć przewody zasilające omijane do masy za pomocą kondensatora ceramicznego 0.1-μF lub kondensatora tantalowego 1-μF. Gwarantuje to, że zmiany obciążenia nie będą podawane w znaczący sposób przez dostawę do innych kart.

5.7 Odporność na wyjście

Pierwszym krokiem w określeniu rezystancji wyjściowej R_{na zewnątrz}, znajdujemy odpowiednik Thevenina dla części obwodu wzmacniacza operacyjnego pokazanej w polu zamkniętym w przerywanych liniach na rysunku 24. Zauważ, że ignorujemy prąd i napięcie przesunięcia w tej analizie.

(24)

Ponieważ obwód nie zawiera niezależnych źródeł, równoważne napięcie Thevenina wynosi zero, więc obwód jest równoważny pojedynczemu rezystorowi. Wartości rezystora nie można znaleźć za pomocą kombinacji rezystorów. Aby znaleźć równoważną rezystancję, załóżmy, że do przewodów wyjściowych przykładane jest źródło napięcia v. Następnie obliczamy wynikowy prąd, ii weź stosunek v/i. Daje to opór Theveninowi.

Rysunek 25 (część a) - Równoważne obwody Thevenina

Rysunek 25 (część b)

Rysunek 25 (a) ilustruje zastosowane źródło napięcia. Układ jest uproszczony do pokazanego na rysunku 25 (b).

Obwód można dalej zredukować do pokazanego na rysunku 25 (c), gdzie definiujemy dwie nowe rezystancje w następujący sposób:

(48)

Zakładamy to R '_A << (R '₁ + R_i) i R_i >> R '₁. Wyniki uproszczonego obwodu z rysunku 25 (d).

Wejściowe napięcie różnicowe, v_d, znajduje się w tym uproszczonym obwodzie przy użyciu współczynnika dzielnika napięcia.

(49)

Aby znaleźć rezystancję wyjściową, zaczynamy od napisania równania pętli wyjściowej.

(50)

Rysunek 25 (części c i d) - Zredukowane równoważne obwody Thevenina

Opór wyjściowy jest następnie podawany przez równanie (51).

(51)

W większości przypadków, R_cm jest taki duży R '_A»R_A i R₁"»R₁. Równanie (51) można uprościć, wykorzystując wzmocnienie napięcia zerowej częstotliwości, G_o. Wynikiem jest Równanie (52).

(52)

WNIOSEK

Możesz obliczyć impedancję wyjściową obwodu 25 (a) za pomocą symulacji obwodu za pomocą symulatora obwodu TINACloud, klikając łącze poniżej.

Impedancja wyjściowa symulacji obwodu Opampa za pomocą TINACloud

Impedancja wyjściowa symulacji obwodu Opampa za pomocą TINACloud

2 przykład

Znajdź impedancję wyjściową bufora wzmocnienia jedności, jak pokazano na rysunku 26.

Rysunek 26 - Bufor wzmocnienia jedności

Rozwiązanie: Gdy obwód z rysunku 26 jest porównywany z obwodem sprzężenia zwrotnego z rysunku 24, stwierdzamy

Dlatego

Nie można użyć równania (51), ponieważ nie jesteśmy pewni, że w tym przypadku mają zastosowanie nierówności prowadzące do uproszczenia rysunku 25 (c). Oznacza to, że uproszczenie tego wymaga