6. Проектирование схем ОУ

Проектирование схем ОУ

После того, как дана конфигурация системы ОУ, мы можем анализировать эта система для определения выхода с точки зрения входных данных. Мы выполняем этот анализ, используя процедуру, описанную ранее (в этой главе).

Если вы сейчас хотите дизайн Схема, которая объединяет как инвертирующие, так и неинвертирующие входы, проблема более сложная. В задаче проектирования задано желаемое линейное уравнение и должна быть разработана схема операционного усилителя. Требуемый выход операционного усилителя летом можно выразить в виде линейной комбинации входов,

(30)

в котором X1, X2 ...Xn желаемые усиления на неинвертирующих входах и Ya, Yb ...Ym желаемые усиления на инвертирующих входах. Уравнение (30) реализовано с помощью схемы на рисунке (14).

Идеальный операционный усилитель, проектирование схем операционного усилителя

Рисунок 14 - Несколько входов летом

Эта схема является слегка измененной версией схемы на рисунке (13) (Инвертирующие и неинвертирующие входы).

Идеальный операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 13 - Инвертирующие и неинвертирующие входы

Единственное изменение, которое мы сделали, - это включение резисторов между входами операционного усилителя и заземлением. Заземление можно рассматривать как дополнительный вход нулевого напряжения, подключенный через соответствующий резистор (Ry для инвертирующего входа и Rx для неинвертирующего входа). Добавление этих резисторов дает нам гибкость в выполнении любых требований, помимо требований уравнения (30). Например, могут быть указаны входные сопротивления. Любой из этих дополнительных резисторов или оба из них могут быть удалены, если их значения уходят в бесконечность.

Уравнение (29) из предыдущего раздела показывает, что значения резисторов, Ra, Rb, ...Rm и R1, R2, ...Rn обратно пропорциональны желаемым коэффициентам усиления, связанным с соответствующими входными напряжениями. Другими словами, если требуется большой коэффициент усиления на конкретной входной клемме, тогда сопротивление на этой клемме мало.

Когда разомкнутый контур усиления операционного усилителя, G, большое, выходное напряжение может быть записано в терминах резисторов, подключенных к операционному усилителю, как в уравнении (29). Уравнение (31) повторяет это выражение с небольшим упрощением и с добавлением резисторов на землю.

(31)

Мы определяем два эквивалентных сопротивления следующим образом:

(32)

ЗАЯВЛЕНИЕ

Проанализируйте следующую схему с помощью TINACloud, чтобы определить Vвнешний с точки зрения входного напряжения, нажав на ссылку ниже.

Моделирование летнего контура с несколькими входами от TINACloud

Моделирование летнего контура с несколькими входами от TINACloud

Моделирование летнего контура с несколькими входами от TINACloud

Мы видим, что выходное напряжение представляет собой линейную комбинацию входов, где каждый вход делится на соответствующее сопротивление и умножается на другое сопротивление. Умножающее сопротивление RF для инвертирования входов и Req для неинвертирующих входов.

Количество неизвестных в этой проблеме п + т +3 (то есть неизвестные значения резисторов). Поэтому нам нужно развивать п + т +Уравнения 3 для решения этих неизвестных. Мы можем сформулировать п + т из этих уравнений путем сопоставления данных коэффициентов в уравнении (30). То есть мы просто разрабатываем систему уравнений из уравнений (30), (31) и (32) следующим образом:

(33)

Поскольку у нас есть еще три неизвестных, мы можем удовлетворить еще три ограничения. Типичные дополнительные ограничения включают в себя соображения входного сопротивления и наличие разумных значений для резисторов (например, вам не нужно использовать прецизионный резистор для R1 равно 10-4 Ом!).

Хотя это и не требуется для проектирования с использованием идеальных операционных усилителей, мы будем использовать конструктивное ограничение, которое важно для неидеальных операционных усилителей. Для неинвертирующего операционного усилителя сопротивление Thevenin, обращенное назад от инвертирующего входа, обычно делается равным сопротивлению, обращенному назад к неинвертирующему входу. Для конфигурации, показанной на рисунке (14), это ограничение может быть выражено следующим образом:

(34)

Последнее равенство вытекает из определения RA из уравнения (32). Подстановка этого результата в уравнение (31) дает ограничение,

(35)

(36)

Подстановка этого результата в уравнение (33) дает простой набор уравнений,

(37)

Комбинации Equation (34) и Equation (37) дают нам необходимую информацию для проектирования схемы. Мы выбираем значение RF а затем найдите для различных входных резисторов уравнение (37). Если значения резисторов не находятся в практическом диапазоне, мы возвращаемся и меняем значение резистора обратной связи. Как только мы решим для входных резисторов, мы используем уравнение (34), чтобы заставить равные сопротивления смотреть назад от двух входов операционного усилителя. Подбираем значения Rx и Ry чтобы заставить это равенство. В то время как уравнения (34) и (37) содержат важную информацию для проектирования, одним из важных соображений является то, следует ли включать резисторы между входами операционного усилителя и землей (Rx и Ry). Для решения могут потребоваться итерации для получения значимых значений (т. Е. Вы можете выполнить решение один раз и получить отрицательные значения сопротивления). По этой причине мы представляем численную процедуру, которая упрощает объем расчетов[1]

Уравнение (34) можно переписать следующим образом:

(38)

Подставляя уравнение (37) в уравнение (38), мы получаем,

(39)

Напомним, что наша цель состоит в том, чтобы решить для резисторов значения с точки зрения Xi и Yj. Определим термины суммирования следующим образом:

(40)

Затем мы можем переписать уравнение (39) следующим образом:

(41)

Это отправная точка для нашей процедуры проектирования. Напомним, что Rx и Ry резисторы между землей и неинвертирующим и инвертирующим входами соответственно. Резистор обратной связи обозначен RF и новый термин, Z, определяется как

(42)

Таблица (1) -суммирование усилителя

Мы можем устранить один или оба резистора, Rx и Ryиз схемы рисунка (14). То есть один или оба этих резистора могут быть установлены на бесконечность (то есть, разомкнуты). Это дает три возможности дизайна. В зависимости от желаемых коэффициентов умножения, связанных с выходом на вход, один из этих случаев даст соответствующий дизайн. Результаты сведены в таблицу (1). 

Схемотехника с TINA и TINACloud

В TINA и TINACloud доступно несколько инструментов для операционного усилителя и схемотехники.

Оптимизация

TINAНеизвестные параметры цепи в режиме оптимизации могут быть определены автоматически, чтобы сеть могла выдавать заранее заданное целевое выходное значение, минимальное или максимальное. Оптимизация полезна не только в схемотехнике, но и в обучении, для построения примеров и задач. Обратите внимание, что этот инструмент работает не только для идеальных операционных усилителей и линейных схем, но и для любых нелинейных схем с реальными нелинейными и другими моделями устройств.

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя с реальным операционным усилителем OPA350.

По умолчанию для этой схемы выходное напряжение цепи равно 2.5.

Вы можете легко проверить это, нажав кнопку DC в TINACloud.

ЗАЯВЛЕНИЕ

Проанализируйте следующую схему с помощью онлайн-симулятора схем TINACloud, чтобы определить Vвнешний с точки зрения входного напряжения, нажав на ссылку ниже.

OPA350 Схема симуляции с TINACloud

OPA350 Схема симуляции с TINACloud

OPA350 Схема симуляции с TINACloud

Теперь предположим, что мы хотим установить это напряжение путем изменения напряжения Vref в схематической схеме.

Для того чтобы подготовить это, мы должны выбрать цель Out = 3V и параметр схемы, который должен быть определен (объект оптимизации) Vref. Для этого объекта мы также должны определить регион, который помогает в поиске, но также представляет ограничения.

Чтобы выбрать и установить цель оптимизации в TINACloud, щелкните контакт Vout Voltage и установите для параметра «Оптимизация» значение «Да».

Затем нажмите кнопку… в той же строке и установите значение на 3.

Нажмите OK в каждом диалоговом окне, чтобы завершить настройку.

Теперь давайте выберем и установим объект оптимизации Vref.

Нажмите Vref, затем кнопку… в той же строке

Выберите объект оптимизации в списке сверху и установите флажок «Оптимизация / объект».

Нажмите OK в обоих диалоговых окнах.

Если настройки оптимизации были успешно выполнены, вы увидите знак >> в строке Out и знак << в поле Vref, как показано ниже.

Теперь выберите «Оптимизация» в меню «Анализ» и нажмите «Выполнить» в диалоговом окне «Оптимизация».

После завершения Оптимизации найденный Vref, Оптимальное Значение, будет показан в диалоге Оптимизации DC

Вы можете изучить настройки и запустить Оптимизацию онлайн, а также проверить с помощью Circuit Simulation по ссылке ниже.
Запустите Оптимизацию из меню Анализа, затем нажмите кнопку DC, чтобы увидеть результат в Оптимизированной схеме (3V)

Оптимизация сети и симуляция цепей с TINACloud

Обратите внимание, что в настоящее время в TINACloud включена только простая оптимизация DC. Дополнительные функции оптимизации включены в автономную версию TINA.

Оптимизация переменного тока

Используя автономную версию TINA, вы также можете оптимизировать и модернизировать цепи переменного тока.

Разомкнуть цепь низких частот MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, от Примеры \ Папка Texas Instruments \ Filters_FilterPro TINA, показано ниже.

Запустите AC AC / Характеристика передачи AC.

Появится следующая диаграмма:

Схема имеет единичное (0dB) усиление и 1.45kHz частоту среза.

Теперь давайте перепроектируем схему, используя AC Optimization и установите усиление низких частот на 6dB, а частоту среза на 900Hz.

Внимание что обычно инструмент оптимизации применим только для изменений. В случае фильтров вы можете использовать скорее инструмент дизайна фильтров. Мы поговорим об этом позже.

Теперь, используя Оптимизацию, Gain и частота отсечки являются целями оптимизации.

Щелкните значок «Выбрать цель оптимизации» на панели инструментов или в меню «Анализ» «Выбрать цель оптимизации».

Курсор изменится на значок: , Нажмите на контакт Vout Voltage с новым символом курсора.

Появится следующий диалог:

Нажмите кнопки функций цели AC. Появится следующий диалог:

Проверьте флажок Низких частот и установите целевую частоту среза в 900. Теперь установите флажок Максимум и установите цель на 6.

Затем выберите параметры схемы, которые вы хотите изменить, чтобы достичь целей оптимизации.

Нажмите   символ или строку «Выбрать объект управления» в меню «Анализ».

Курсор изменится на символ выше. Нажмите на конденсатор C1 с этим новым курсором. Появится следующий диалог:

Нажмите кнопку выбора. Появится следующий диалог:

Программа автоматически устанавливает диапазон (ограничение), в котором будет искать оптимальное значение. Конечное значение 20n, как показано выше.

Теперь повторите ту же процедуру для R2. Установите конечное значение на 20k.

После завершения настройки Оптимизации выберите Оптимизация / Оптимизация АС (Перенос) в меню Анализ.

Появится следующий диалог:

Примите настройки по умолчанию, нажав ОК.

После короткого расчета найден оптимум и появляются измененные параметры компонента:

Наконец, проверьте результат, запустив симуляцию цепи. Запустите анализ переменного тока / характеристика передачи переменного тока.

Как показано на диаграмме, целевые значения (усиление 6db, частота среза 900Hz) были достигнуты.

Использование Circuit Designer Tool в TINA и TINACloud

Другой метод проектирования схем в TINA и TINAcloud - это использование встроенного инструмента Circuit Designer, называемого просто Design Tool.

Инструмент проектирования работает с уравнениями проектирования вашей схемы, чтобы гарантировать, что указанные входные данные приводят к указанному выходному отклику. Инструмент требует от вас утверждения входных и выходных данных и отношений между значениями компонентов. Этот инструмент предлагает вам механизм решения, который вы можете использовать для повторного и точного решения для различных сценариев. Рассчитанные значения компонентов автоматически устанавливаются на схеме, и вы можете проверить результат путем моделирования.

Давайте спроектируем усиление переменного тока той же схемы, используя наш инструмент Circuit Designer.

Откройте схему из папки Design Tool в TINACloud. Появится следующий экран.

Теперь давайте запустим Анализ AC / Характеристика передачи AC.

Появится следующая диаграмма:

Теперь давайте перепроектируем схему, чтобы получить единичное усиление (0dB)

Вызовите Редизайн этой схемы из меню Сервис

Появится следующий диалог.

Установите для Gain значение -1 (0 дБ) и нажмите кнопку Run.

Рассчитанные значения новых компонентов сразу же появятся в редакторе схемы, нарисованной красным цветом.

Нажмите кнопку Принять.

Изменения будут доработаны. Снова запустите анализ переменного тока / характеристики передачи переменного тока, чтобы проверить измененную схему.

 

 

—————————————————————————————————————————————————— —-

1Эта методика была разработана Филом Врбанчичем, студентом Калифорнийского государственного университета в Лонг-Бич, и представлена ​​в документе, представленном на Конкурс на получение премии IEEE Region VI Prize.