Amplificatoare practice

Amplificatoarele optice practice se apropie de acestea ideal omologii, dar diferă în unele aspecte importante. Este important ca designerul de circuit să înțeleagă diferențele dintre op-amp-urile reale și op-amp-urile ideale, deoarece aceste diferențe pot afecta în mod negativ performanța circuitului.

Scopul nostru este să dezvoltăm un model detaliat al amplificatorului opțional practic - un model care să ia în considerare cele mai semnificative caracteristici ale dispozitivului non-ideal. Începem prin definirea parametrilor utilizați pentru a descrie op-amperi practici. Acești parametri sunt specificați în listele de pe fișele tehnice furnizate de producătorul amplificatorului.

Tabelul 1 prezintă valorile parametrilor pentru trei op-amperi, unul dintre cei trei fiind μA741. Folosim amplificatoare operaționale μA741 în multe dintre exemplele și problemele de la finalul capitolului din următoarele motive: (1) au fost fabricate de mulți producători de IC (2), se găsesc în cantități mari în industria electronică și 3) sunt op-amperi cu compensare internă, iar proprietățile lor pot fi folosite ca referință pentru comparație atunci când se ocupă de alte tipuri de op-amp. Deoarece diferiții parametri sunt definiți în secțiunile următoare, trebuie făcută o trimitere la tabelul 9.1 pentru a găsi valori tipice.

Amplificatoare practice, amplificatoare operaționale

Tabelul 1 - Valorile parametrilor pentru amplificatori op

Cea mai importantă diferență dintre op-amp-urile ideale și cele reale este câștigul de tensiune. Op-amp ideal are un câștig de tensiune care se apropie de infinit. Op-ampul real are un câștig de tensiune finit, care scade odată cu creșterea frecvenței (analizăm detaliat în capitolul următor).

5.1 Creșterea tensiunii în circuit liber (G)

Creșterea tensiunii în buclă deschisă a unui op-amp este raportul variației tensiunii de ieșire la o schimbare a tensiunii de intrare fără feedback. Câștigul de tensiune este o cantitate fără dimensiuni. Simbolul G este folosit pentru a indica câștigul de tensiune în buclă deschisă. Amplificatoarele optice au un câștig de tensiune mare pentru intrările de frecvență joasă. Specificația op-amp cuprinde câștigul de tensiune în volți per milivolt sau în decibeli (dB) [definit ca 20log₁₀(v_afară/v_in)].

5.2 Modified Op-amp Model

Figura 14 prezintă o versiune modificată a modelului op-amp idealizat. Am modificat modelul idealizat prin adăugarea rezistenței la intrare (R_i), rezistența la ieșire (R_o) și rezistența în modul comun (R_cm).

Figura 14 - Model op-amp modificat

Valorile tipice ale acestor parametri (pentru op-amp 741) sunt

Considerăm acum circuitul din Figura 15 pentru a examina performanța op-amp. Intrările inversoare și non-inversoare ale op-amp sunt conduse de surse care au rezistență serie. Ieșirea op-amp este alimentată înapoi la intrare printr-o rezistență, R_F.

Sursele care conduc cele două intrări sunt indicate v_A și v₁, și rezistențele serie asociate sunt R_A și R₁. Dacă circuitele de intrare sunt mai complexe, aceste rezistențe pot fi considerate echivalente cu Thevenin ale acelei circuite.

Figura 15 - Circuit op-amp

5.3 Tensiunea de compensare a tensiunii (V_io)

Când tensiunea de intrare la un op-amp ideal este zero, tensiunea de ieșire este, de asemenea, zero. Acest lucru nu este valabil pentru un op-amp actual. tensiune de intrare offset, V_io, este definită ca tensiunea de intrare diferențială necesară pentru a face tensiunea de ieșire egală cu zero. V_io este zero pentru op-amp ideal. O valoare tipică a V_io pentru op-amp 741 este 2 mV. O valoare diferită de zero V_io este nedorită deoarece op-amp amplifică orice offset de intrare, provocând astfel o ieșire mai mare dc eroare.

Următoarea tehnică poate fi utilizată pentru a măsura tensiunea de intrare a offsetului. Mai degrabă decât să modifice tensiunea de intrare pentru a forța ieșirea la zero, intrarea este setată la zero, așa cum se arată în figura 16, iar tensiunea de ieșire este măsurată.

Figura 16 - tehnica de măsurare Vio

Tensiunea de ieșire care rezultă dintr - o tensiune de intrare zero este cunoscută ca ieșire dc tensiune de compensare. Tensiunea de compensare a intrărilor este obținută prin împărțirea acestei cantități prin amplificarea în buclă deschisă a op-amp.

Efectele tensiunii offset de intrare pot fi încorporate în modelul op-amp așa cum se arată în Figura 17.

Pe lângă includerea tensiunii offset de intrare, modelul op-amp ideal a fost modificat ulterior prin adăugarea a patru rezistențe. R_o este rezistența la ieșire. rezistența la intrare din op-amp, R_i, se măsoară între bornele inversoare și cele neinvertite. Modelul conține, de asemenea, un rezistor care leagă fiecare dintre cele două intrări la masă.

Acestea sunt rezistențe în mod obișnuit, iar fiecare este egal cu 2R_cm. Dacă intrările sunt conectate împreună ca în figura 16, aceste două rezistențe sunt în paralel, iar rezistența combinată Thevenin la sol este R_cm. Dacă op-ampul este ideal, R_i și R_cm apropierea de infinit (ie, circuit deschis) și R_o este zero (adică, scurtcircuit).

Figura 17 - Tensiunea de offset de intrare

Configurația externă prezentată în Figura 18 (a) poate fi utilizată pentru a nega efectele tensiunii de offset. O tensiune variabilă se aplică la borna de intrare inversoare. Alegerea corectă a acestei valori anulează offsetul de intrare. În mod similar, Figura 18 (b) ilustrează acest circuit de echilibrare aplicat intrării neinvertite.

Figura 18 - Echilibrarea tensiunii offset

APLICARE

Puteți testa balansarea tensiunii de compensare la intrare a circuitului 18 (a) prin simulare online cu simulatorul de circuite TINACloud făcând clic pe link-ul de mai jos.

Simularea circuitului de echilibrare a tensiunii de compensare a tensiunii de intrare (a) cu TINACloud

Simularea circuitului de echilibrare a tensiunii de compensare a tensiunii de intrare (a) cu TINACloud

APLICARE

Puteți testa balansarea compensării de intrare a circuitului 18 (b) prin simulare online cu simulatorul de circuite TINACloud făcând clic pe link-ul de mai jos:

Simularea circuitului de echilibrare a tensiunii de compensare a tensiunii de intrare (b) cu TINACloud

Simularea circuitului de echilibrare a compensării la ieșire (b) cu TINACloud

5.4 Input Bias Current (I_Părtinire)

Deși intrările ideale op-amp nu atrag curent, op-amp-urile reale permit ca un curent de părtinire să intre în fiecare terminal de intrare. I_Părtinire este dc curent în tranzistorul de intrare și o valoare tipică este 2 μA. Când impedanța sursei este scăzută, I_Părtinire are un efect redus, deoarece provoacă o schimbare relativ mică a tensiunii de intrare. Cu toate acestea, cu circuite de înaltă impedanță de acționare, un mic curent poate duce la o tensiune mare.

Curentul de polarizare poate fi modelat ca două chiuvete curente, așa cum se arată în Figura 19.

Figura 19 - Echilibrarea tensiunii offset

Valorile acestor chiuvete sunt independente de impedanța sursei. bias curent este definită ca valoarea medie a celor două chiuvete curente. Prin urmare

(40)

Diferența dintre valorile celor două chiuvete este cunoscută sub numele de intrare offset curent, I_io, și este dat de

(41)

Atât curentul de intrare-bias, cât și curentul de decalaj de intrare sunt dependente de temperatură. coeficientul de temperatură actual al părții de intrare este definit ca raportul dintre schimbarea curentului de polarizare și modificarea temperaturii. O valoare tipică este 10 nA /^oC. The coeficientul de temperatură actual al offsetului este definit ca raportul dintre variația mărimii curentului de offset și variația temperaturii. O valoare tipică este -2nA /^oC.

Figura 20 - Model curent pentru părtinire de intrare

Curenții de polarizare de intrare sunt încorporați în modelul op-amp din Figura 20, unde presupunem că curentul offset de intrare este neglijabil.

Acesta este,

Figura 21 (a) - Circuitul

Analizăm acest model pentru a găsi tensiunea de ieșire cauzată de curenții de polarizare de intrare.

Figura 21 (a) prezintă un circuit op-amp la care intrările inversive și neinvertite sunt conectate la masă prin rezistențe.

Circuitul este înlocuit cu echivalentul în Figura 21 (b), unde am neglijat V_io. Simplificăm în continuare circuitul din Figura 21 (c) neglijând R_o și R_încărca. Adică, presupunem R_F >> R_o și R_încărca >> R_o. Cerințele de încărcare a ieșirilor asigură, de obicei, că aceste inegalități sunt îndeplinite.

Circuitul este simplificat în continuare în figura 21 (d), unde combinația de serie a sursei de tensiune și a rezistenței dependente este înlocuită de o combinație paralelă a unei surse de curent și a unui rezistor dependent.

În cele din urmă, combinăm rezistențele și schimbăm ambele surse de curent în surse de tensiune pentru a obține echivalentul simplificat al Figura 21 (e).

Figura 21 (b) și (c) - Efecte de părtinire a intrărilor

Folosim o ecuație de buclă pentru a găsi tensiunea de ieșire.

(43)

Unde

(44)

Rezistența comună, R_cm, este în intervalul de câteva sute de megohms pentru majoritatea op-amperi. Prin urmare

(45)

Dacă mai presupunem asta G_o este mare, Ecuația (43) devine Ecuația.

(46)

Figura 21 (d) și (e) - Efecte de părtinire a intrărilor

Rețineți că, dacă valoarea R₁ este selectat pentru a fi egal cu, atunci tensiunea de ieșire este zero. Din această analiză rezultă că dc rezistență de la V₊ la sol ar trebui să fie egală cu dc rezistență de la V_- la pamant. Folosim acest lucru părtinire echilibru constrângere de multe ori în desenele noastre. Este important ca atât terminalele care inversează, cât și cele nereversibile să aibă a dc calea către sol pentru a reduce efectele curentului de polarizare a intrărilor.

Input Bias Amplificatoare operaționale actuale, op-amp practice

Figura 22 - Configurări pentru exemplul 1

Exemplu 1

Găsiți tensiunea de ieșire pentru configurațiile din Figura 22 unde I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Soluţie: Utilizăm forma simplificată a ecuației (46) pentru a găsi tensiunile de ieșire pentru circuitul din Figura 22 (a).

Pentru circuitul din Figura 22 (b), obținem

APLICARE

De asemenea, puteți efectua aceste calcule cu simulatorul de circuite TINACloud, utilizând instrumentul interpretului, făcând clic pe link-ul de mai jos.

Simularea circuitelor de modelare a curentului de intrare

Interfața de intrare Simularea circuitului de modelare curent cu TINACloud

Interfața de intrare Simularea circuitului de modelare curent cu TINACloud

5.5 Mod de refuzare în mod obișnuit

Amplificatorul op-amp este utilizat în mod normal pentru a amplifica diferența dintre două tensiuni de intrare. Prin urmare, funcționează în mod diferențial. O tensiune constantă adăugată la fiecare dintre aceste două intrări nu ar trebui să afecteze diferența și, prin urmare, nu ar trebui transferată la ieșire. În cazul practic, această valoare constantă sau medie a intrărilor face afectează tensiunea de ieșire. Dacă luăm în considerare numai părțile egale ale celor două intrări, luăm în considerare ceea ce se numește mod comun.

Figura 23 - mod comun

Să presupunem că cele două terminale de intrare ale unui op-amp actual sunt conectate împreună și apoi la o sursă comună de tensiune. Acest lucru este ilustrat în Figura 23. Tensiunea de ieșire ar fi zero în cazul ideal. În cazul practic, această ieșire este diferită de zero. Raportul dintre tensiunea de ieșire diferită de zero și tensiunea de intrare aplicată este modul de câștig de tensiune comun, G_cm. rata de respingere în modul comun (CMRR) este definit ca raportul dintre dc câștig buclă deschisă, G_o, la câștigul de mod comun. Prin urmare,

(47)

Valorile tipice ale gamei CMRR de la 80 la 100 dB. Este de dorit ca CMRR să fie cât mai mare posibil.

5.6 Raportul de respingere a alimentării cu energie electrică

Raportul de respingere a alimentării cu energie este o măsură a capacității op-ampului de a ignora modificările sursei de alimentare. Dacă faza de ieșire a unui sistem atrage o cantitate variabilă de curent, tensiunea de alimentare poate varia. Această schimbare indusă de încărcare a tensiunii de alimentare ar putea provoca schimbări în funcționarea altor amplificatoare care au aceeași sursă de alimentare. Aceasta este cunoscută sub numele de cross-talk, și poate duce la instabilitate.

raportul de respingere a alimentării cu energie electrică (PSRR) este raportul variației în v_afară la modificarea totală a tensiunii de alimentare. De exemplu, dacă alimentările pozitive și negative variază de la ± 5 V la ± 5.5 V, modificarea totală este de 11 - 10 = 1 V. PSRR este de obicei specificat în microvolți pe volt sau uneori în decibeli. Op-amperii tipici au un PSRR de aproximativ 30 μV / V.

Pentru a scădea modificările în tensiunea de alimentare, ar trebui să fie alimentarea cu energie pentru fiecare grup de op-amperi decuplat (adică izolate) față de cele ale altor grupuri. Aceasta limitează interacțiunea cu un singur grup de op-amperi. În practică, fiecare card de circuit imprimat trebuie să aibă linii de alimentare ocolite la sol prin intermediul unui condensator 0.1-μF ceramic sau 1-μF tantal. Acest lucru asigură faptul că variațiile sarcinii nu vor fi alimentate semnificativ prin alimentarea altor carduri.

5.7 Rezistența la ieșire

Ca prim pas în determinarea rezistenței la ieșire, R_afară, găsim echivalentul Thevenin pentru porțiunea circuitului op-amp prezentat în cutia închisă în linii punctate în Figura 24. Rețineți că ignorăm curentul și tensiunea de compensare din această analiză.

(24)

Deoarece circuitul nu conține surse independente, tensiunea echivalentă Thevenin este zero, deci circuitul este echivalent cu un singur rezistor. Valoarea rezistenței nu poate fi găsită folosind combinații de rezistențe. Pentru a găsi rezistența echivalentă, presupuneți că o sursă de tensiune, v, este aplicată cablurilor de ieșire. Calculăm apoi curentul rezultat, i, și luați raportul v/i. Aceasta conferă rezistența Thevenin.

Figura 25 (partea a) - Thevenin circuite echivalente

Figura 25 (partea b)

Figura 25 (a) ilustrează sursa de tensiune aplicată. Circuitul este simplificat cu cel prezentat în Figura 25 (b).

Circuitul poate fi redus ulterior la cel prezentat în Figura 25 (c), unde se definesc două noi rezistențe după cum urmează:

(48)

Facem presupunerea asta R '_A << (R '₁ + R_i) Şi R_i >> R '₁. Se obține circuitul simplificat din figura 25 (d).

Tensiunea diferențială de intrare, v_d, se găsește din acest circuit simplificat utilizând un raport de divizor de tensiune.

(49)

Pentru a găsi rezistența la ieșire, începem prin scrierea ecuației buclă de ieșire.

(50)

Figura 25 (părțile c și d) - Circuite echivalente Thevenin reduse

Rezistența la ieșire este dată de Ecuația (51).

(51)

În cele mai multe cazuri, R_cm este atât de mare încât R '_A»R_A și R₁"»R₁. Ecuația (51) poate fi simplificată utilizând câștigul de tensiune de frecvență zero, G_o. Rezultatul este Ecuația (52).

(52)

APLICARE

Puteți calcula impedanța de ieșire a circuitului 25 (a) cu simularea circuitului utilizând simulatorul de circuit TINACloud făcând clic pe linkul de mai jos.

Impedanța de ieșire a unei simulări a circuitului Opamp cu TINACloud

Impedanța de ieșire a unei simulări a circuitului Opamp cu TINACloud

Exemplu 2

Găsiți impedanța de ieșire a tamponului de unitate-câștig, așa cum se arată în Figura 26.

amplificatoare operaționale op-amp operaționale

Figura 26 - Tampon de câștig de unitate

Soluţie: Când circuitul Figura 26 este comparat cu circuitul de feedback din Figura 24, descoperim acest lucru

Prin urmare,

Ecuația (51) nu poate fi utilizată, deoarece nu suntem siguri că inegalitățile care duc la simplificarea Figura 25 (c) se aplică în acest caz. Aceasta înseamnă că simplificarea necesită acest lucru