6. Proiectarea circuitelor op-amp

Proiectarea circuitelor op-amp

Odată ce configurația unui sistem op-amp este dată, putem analiza acel sistem pentru a determina producția în termeni de intrări. Realizăm această analiză utilizând procedura discutată mai devreme (în acest capitol).

Dacă doriți acum proiecta un circuit care combină atât intrări inversive, cât și non-inversoare, problema este mai complexă. Într-o problemă de proiectare, este dată o ecuație liniară dorită, iar circuitul op-amp trebuie proiectat. Ieșirea dorită a venirii amplificatorului operațional poate fi exprimată ca o combinație liniară de intrări,

(30)

Unde X1, X2 ...Xn sunt câștigurile dorite la intrările non-inversoare și Ya, Yb ...Ym sunt câștigurile dorite la intrările inversoare. Ecuația (30) este implementată cu circuitul din Figura (14).

Amplificator operațional ideal, Design de circuite op-amp

Figura 14 - Vară de intrări multiple

Acest circuit este o versiune ușor modificată a circuitului din Figura (13) (Intrări inversoare și neinvertite).

Amplificator operațional ideal, amplificator operațional

Figura 13 - intrări inversoare și neinvertite

Singura schimbare pe care am făcut-o este să includem rezistențe între intrările op-amp și sol. Pământul poate fi văzut ca o intrare adițională de zero volți conectat prin rezistența corespunzătoare (Ry pentru intrarea inversoare și Rx pentru intrarea neinversivă). Adăugarea acestor rezistențe ne oferă flexibilitate în îndeplinirea oricăror cerințe care depășesc cele ale Ecuației (30). De exemplu, pot fi specificate rezistențele de intrare. Ambele sau cele două rezistoare suplimentare pot fi eliminate, permițând valorile lor să ajungă la infinit.

Ecuația (29) din secțiunea anterioară arată că valorile rezistențelor, Ra, Rb, ...Rm sau R1, R2, ...Rn sunt invers proporționale cu câștigurile dorite asociate tensiunilor de intrare respective. Cu alte cuvinte, dacă se dorește un câștig mare la un anumit terminal de intrare, rezistența la terminalul respectiv este mică.

Când amplificarea operațională a buclă deschisă, G, este mare, tensiunea de ieșire poate fi scrisă în termeni de rezistori conectați la amplificatorul operațional ca în Ecuația (29). Ecuația (31) repetă această expresie cu simplificare ușoară și cu adăugarea rezistențelor la sol.

(31)

Definim două rezistențe echivalente după cum urmează:

(32)

APLICARE

Analizați următorul circuit folosind TINACloud pentru a determina Vafară în ceea ce privește tensiunile de intrare făcând clic pe link-ul de mai jos.

Multiple simulare de intrare a circuitului de vară de către TINACloud

Multiple simulare de intrare a circuitului de vară de către TINACloud

Multiple simulare de intrare a circuitului de vară de către TINACloud

Vedem că tensiunea de ieșire este o combinație liniară de intrări unde fiecare intrare este împărțită de rezistența asociată și înmulțită cu o altă rezistență. Rezistența la înmulțire este RF pentru inversarea intrărilor și a Req pentru intrări neinvertite.

Numărul de necunoscuți în această problemă este n + m +3 (adică valorile rezistenței necunoscute). Prin urmare, trebuie să ne dezvoltăm n + m +Ecuațiile 3 pentru a rezolva aceste necunoscute. Putem formula n + m din aceste ecuații prin potrivirea coeficienților date în Ecuația (30). Adică, dezvoltăm pur și simplu sistemul de ecuații din Ecuații (30), (31) și (32) după cum urmează:

(33)

Din moment ce avem încă trei necunoscute, avem flexibilitatea de a satisface trei constrângeri suplimentare. Constrângeri tipice suplimentare includ considerații de rezistență la intrare și valori rezonabile pentru rezistoare (de exemplu, nu doriți să utilizați un rezistor de precizie pentru R1 egal cu 10-4 ohmi!).

Deși nu este necesar pentru proiectarea folosind op-amperi ideali, vom folosi o constrângere de design care este importantă pentru op-amp-urile ideale. Pentru op-amperi care nu se inversează, rezistența Thevenin care privește înapoi de la intrarea inversoare este, de obicei, egală cu aceea care privește înapoi de la intrarea neinversivă. Pentru configurația prezentată în Figura (14), această constrângere poate fi exprimată după cum urmează:

(34)

Ultima egalitate rezultă din definiția RA din Ecuație (32). Înlocuirea acestui rezultat în Ecuația (31) determină constrângerea,

(35)

(36)

Înlocuirea acestui rezultat în Ecuația (33) dă setul simplu de ecuații,

(37)

Combinațiile dintre Ecuația (34) și Ecuația (37) ne oferă informațiile necesare pentru proiectarea circuitului. Vom selecta o valoare de RF și apoi rezolvați pentru diferite rezistențe de intrare utilizând Equation (37). Dacă valorile rezistențelor nu sunt într-o gamă practică, mergem înapoi și schimbăm valoarea rezistorului de reacție. Odată ce rezolvăm rezistențele de intrare, folosim apoi Equation (34) pentru a forța rezistențele să fie egale în privința celor două intrări op-amp. Selectăm valorile Rx sau Ry pentru a forța această egalitate. În timp ce Ecuațiile (34) și (37) conțin informațiile esențiale pentru proiectare, o importanță importantă este dacă să se includă sau nu rezistențele între intrările op-amp și sol (Rx sau Ry). Soluția poate necesita iterații pentru a obține valori semnificative (de exemplu, puteți efectua o soluție o dată și să vină cu valori negative de rezistență). Din acest motiv, prezentăm o procedură numerică care simplifică cantitatea de calcule[1]

Ecuația (34) poate fi rescrisă după cum urmează:

(38)

Substituind Ecuația (37) în Ecuația (38) obținem,

(39)

Amintiți-vă că obiectivul nostru este de a rezolva valorile rezistoarelor în termeni de Xi sau Yj. Să definim termenii de sumare după cum urmează:

(40)

Putem rescrie apoi Ecuația (39) după cum urmează:

(41)

Acesta este un punct de plecare pentru procedura noastră de proiectare. Reamintește asta Rx sau Ry sunt rezistorii între sol și intrările non-inversoare și inversoare, respectiv. Rezistența de feedback este notată RF și un nou termen, Z, este definit ca

(42)

Tabelul (1) - Design Amplificator de umplere

Putem elimina unul sau ambii rezistenți, Rx sau Ry, din circuitul din Figura (14). Adică, oricare dintre aceste rezistențe poate fi setat la infinit (adică, deschis). Acest lucru oferă trei posibilități de proiectare. În funcție de factorii de înmulțire doritori care se referă la ieșirea la intrare, unul dintre aceste cazuri va da un design adecvat. Rezultatele sunt rezumate în Tabelul (1).

Proiectarea circuitelor cu TINA și TINACloud

Există mai multe instrumente disponibile în TINA și TINACloud pentru amplificator operațional și design de circuit.

Optimizare

TINAparametrii necunoscuți ai modului de optimizare necunoscut pot fi determinați automat astfel încât rețeaua să poată produce o valoare de ieșire predefinită, minimă sau maximă. Optimizarea este utilă nu numai în proiectarea circuitelor, ci și în predare, construire de exemple și probleme. Rețineți că acest instrument funcționează nu numai pentru op-amperi ideali și circuite liniare, ci pentru orice circuit neliniar cu modele reale neliniare și alte dispozitive.

Luați în considerare circuitul amplificatorului invers cu un amplificator operațional real OPA350.

Prin setarea implicită a acestui circuit, tensiunea de ieșire a circuitului este 2.5

Puteți verifica cu ușurință acest lucru apăsând butonul DC din TINACloud.

APLICARE

Analizați următorul circuit folosind simulatorul circuitului TINACloud online pentru a determina Vafară în ceea ce privește tensiunile de intrare făcând clic pe link-ul de mai jos.

Simularea circuitului OPA350 cu TINACloud

Simularea circuitului OPA350 cu TINACloud

Simularea circuitului OPA350 cu TINACloud

Acum presupuneți că vrem să setăm această tensiune prin schimbarea tensiunii Vref în designul schematic.

Dacă doriți să pregătiți acest lucru, trebuie să selectați destinația Out = 3V și parametrul de circuit care urmează să fie determinat (Object de optimizare) Vref. Pentru acest obiect ar trebui să definim, de asemenea, o regiune care ajută la căutare, dar reprezintă, de asemenea, constrângerile.

Pentru a selecta și seta ținta de optimizare în TINACloud, faceți clic pe pinul Vout Voltage și setați obiectivul de optimizare la Yes

Apoi faceți clic pe butonul ... din aceeași linie și setați valoarea la 3.

Apăsați OK în fiecare dialog pentru a finaliza setările.

Acum, să selectăm și să setăm Obiectul de optimizare Vref.

Faceți clic pe Vref apoi pe butonul ... din aceeași linie

Selectați Obiect de optimizare din lista de mai sus și setați caseta de selectare Optimizare / Obiect.

Apăsați OK în ambele ferestre.

În cazul în care setările de optimizare au fost cu succes veți vedea un semn >> la Out și un semn << la Vref așa cum se arată mai jos.

Acum, selectați opțiunea Optimizare din meniul Analiză și apăsați RUN în caseta de dialog Optimizare.

După finalizarea optimizării, valoarea Vref găsită, valoarea optimă, va fi afișată în dialogul de optimizare DC

Puteți studia setările și puteți rula programul de optimizare online și verificați prin Simularea circuitelor utilizând linkul de mai jos.
Executați optimizarea din meniul Analiză, apoi apăsați butonul DC, pentru a vedea rezultatul în circuitul optimizat (3V)

Optimizarea online și simularea circuitelor cu TINACloud

Rețineți că în acest moment în TINACloud este inclusă doar o simplă optimizare DC. Mai multe caracteristici de optimizare sunt incluse în versiunea offline a TINA.

AC Optimizare

Folosind versiunea offline a TINA, puteți optimiza și reproiecta și circuitele de curent alternativ.

Deschideți circuitul low-pass Chebyshev LPF.TSC din MFB 2nd Order from the Exemple \ Dosarul \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro al TINA, prezentat mai jos.

Rulați analiza CA / Caracteristică de transfer AC.

Se va afișa următoarea diagramă:

Circuitul are unitate (0dB) Gain și frecvență de oprire 1.45kHz.

Acum, să redesemnăm circuitul folosind AC Optimization și setați câștigul de frecvență joasă la 6dB și frecvența Cutoff la 900Hz.

notițe în mod normal, instrumentul de optimizare aplicabil doar pentru modificări. În cazul filtrelor, vă recomandăm să utilizați mai degrabă un instrument de proiectare a filtrelor. Ne vom ocupa ulterior de acest subiect.

Acum, folosind optimizarea, câștigul și frecvența de coborâre sunt țintele de optimizare.

Dați clic pe pictograma "Selectați țintă de optimizare" din bara de instrumente sau din meniul de analiză "Selectați țintă de optimizare"

Cursorul se va schimba în pictogramă: . Faceți clic pe pinul Vout Voltage cu noul simbol al cursorului.

Se va afișa următorul dialog:

Faceți clic pe butoanele Funcții de țintă AC. Se va afișa următorul dialog:

Bifați caseta de selectare Low Pass și setați frecvența de tăiere a obiectivului la 900. Acum, bifați caseta de selectare Maximum și setați obiectivul la 6.

Apoi selectați parametrii de circuit pe care doriți să le modificați pentru a atinge țintele de optimizare.

Apasă pe simbolul sau linia de selectare a obiectului de control din meniul Analiză.

Cursorul se va schimba la simbolul de mai sus. Faceți clic pe condensatorul C1 cu acest nou cursor. Se va afișa următorul dialog:

Apăsați butonul de selectare. Se va afișa următorul dialog:

Programul stabilește automat un interval (constrângere) în care se va căuta valoarea Optimum. Valoare finală la 20n, după cum se arată mai sus.

Acum repetați aceeași procedură pentru R2. Setați valoarea finală la 20k.

După finalizarea configurației de optimizare, selectați opțiunea Optimizare / optimizare AC (transfer) din meniul Analiză.

Se va afișa următorul dialog:

Acceptați setările implicite apăsând pe OK.

După un scurt calcul se găsește optimul și apar parametrii componenți modificați:

În cele din urmă, verificați rezultatul cu simularea de circuit care rulează Run Analysis Analysis / AC Transfer Characteristic.

După cum se arată în diagramă, au fost atinse valorile țintă (Gain 6db, Frecvența de tăiere 900Hz).

Utilizând instrumentul de proiectare a circuitelor în TINA și TINACloud

O altă metodă de metodă de proiectare a circuitelor în TINA și TINAcloud utilizează instrumentul construit este Circuit Designer numit pur și simplu Design Tool.

Instrumentul de proiectare funcționează cu ecuațiile de proiectare ale circuitului dvs. pentru a se asigura că intrările specificate au ca rezultat răspunsul de ieșire specificat. Instrumentul vă cere o declarație despre intrările și ieșirile și relațiile dintre valorile componentelor. Instrumentul vă oferă un motor de soluție pe care îl puteți utiliza pentru a rezolva repetat și corect pentru diferite scenarii. Valorile calculate ale componentelor sunt stabilite automat în schema și puteți verifica rezultatul prin simulare.

Să proiectăm amplificarea AC a aceluiași circuit utilizând instrumentul nostru de proiectare a circuitelor.

Deschideți circuitul din folderul Design Tool din TINACloud. Apare următorul ecran.

Acum, să rulați analiza AC / Caracteristică de transfer AC.

Se va afișa următoarea diagramă:

Acum, să redesemnăm circuitul pentru a avea câștig de unitate (0dB)

Invocați reproiectarea acestui circuit din meniul Instrumente

Se va afișa următorul dialog.

Setați câștigul la -1 (0 dB) și apăsați butonul Executare.

Valorile noi ale componentelor calculate vor apărea imediat în editorul schematic, desenate în culoarea roșie.

Apăsați butonul Acceptare.

Modificările vor fi finalizate. Rulați din nou analiza AC / Caracteristicile de transfer AC pentru a verifica circuitul reproiectat.

-------------------------------------------------- -

1Această tehnică a fost concepută de Phil Vrbancic, student la Universitatea de Stat din California, Long Beach, și prezentat într-o lucrare transmisă concursului de concurs IEEE Region VI.