6. Oblikovanje krogov op-amp
TOK - 6. Zasnova vezij op-amp
PREJŠNJA-5. Kombinirani invertni in neinvertirni vhodi
Načrtovanje vezij op-amp
Ko je podana konfiguracija op-amp sistema, lahko analizirati sistema za določitev proizvodnje glede na vložke. To analizo izvajamo po postopku, ki smo ga obravnavali prej (v tem poglavju).
Če želite zdaj oblikovanje vezje, ki združuje tako obračalne kot neinvertirne vhode, je problem bolj zapleten. Pri projektnem problemu je podana želena linearna enačba in načrtovano mora biti op-amp vezje. Želeni izhod poletnega operacijskega ojačevalnika se lahko izrazi kot linearna kombinacija vhodov,
(30)
Kje X1, X2 ...Xn so želeni dobički na neinvertirajočih vhodih in Ya, Yb ...Ym so želeni dobički pri obračanju vhodov. Enačba (30) se izvaja z vezjem na sliki (14).
Slika 14 - Poletje z več vnosi
To vezje je nekoliko spremenjena različica vezja s sliko (13) (Inverzni in neinvertirni vhodi).
Slika 13 - Invertni in neinvertirni vhodi
Edina sprememba, ki smo jo naredili, je vključiti upore med vhodi op-amp in zemljo. Zemljo lahko gledamo kot dodaten vhod ničelnih voltov, ki so povezani z ustreznim uporom (Ry za obračalni vhod in Rx za neinvertirni vnos). Dodatek teh uporov nam omogoča prilagodljivost pri izpolnjevanju vseh zahtev, ki presegajo zahteve enačbe (30). Vnosni upori so lahko na primer podani. Oba ali oba dodatna upora lahko odstranite tako, da dovolite, da njihove vrednosti preidejo v neskončnost.
Enačba (29) iz prejšnjega oddelka kaže, da so vrednosti uporov, Ra, Rb, ...Rm in R1, R2, ...Rn so obratno sorazmerne z želenimi dobički, povezanimi z ustreznimi vhodnimi napetostmi. Z drugimi besedami, če je na določenem vhodnem terminalu zaželen velik dobiček, je upor na tem terminalu majhen.
Ko dobite operacijski ojačevalnik dobitek odprte zanke, G, je velika, izhodna napetost se lahko zapiše v smislu uporov, priključenih na operacijski ojačevalnik, kot v enačbi (29). Enačba (31) ponovi ta izraz z rahlo poenostavitvijo in z dodajanjem uporov na tla.
(31)
Opredelimo dve enakovredni upornosti:
(32)
UPORABA
Za določitev V analizirajte naslednje vezje s pomočjo TINACloudven glede na vhodne napetosti s klikom na spodnjo povezavo.
Simulacija poletnega vezja za več vhodov s strani TINACloud
Simulacija poletnega vezja za več vhodov s strani TINACloud
Vidimo, da je izhodna napetost linearna kombinacija vhodov, kjer je vsak vhod deljen s pripadajočim uporom in pomnožen z drugim uporom. Množilni odpor je RF za obračanje vhodov in Req za neinvertne vnose.
Število neznanih v tem problemu je n + m +3 (tj. Neznane vrednosti upora). Zato se moramo razvijati n + m +3 enačbe za reševanje teh neznank. Lahko formuliramo n + m teh enačb z ujemanjem danih koeficientov v enačbi (30). To pomeni, da preprosto razvijemo sistem enačb iz enačb (30), (31) in (32), kot sledi:
(33)
Ker imamo še tri neznanke, imamo prožnost, da izpolnimo še tri omejitve. Tipične dodatne omejitve vključujejo upoštevanje vhodnega upora in razumne vrednosti za upore (npr. Ne želite uporabiti natančnega upora za R1 enako 10-4 ohms!).
Čeprav ni potrebno za oblikovanje z uporabo idealnih op-amperov, bomo uporabili konstrukcijsko omejitev, ki je pomembna za ne-idealne op-ampere. Za ne-obračanje op-amp, Thevenin odpornost pogled nazaj od inverting vhod je običajno narejen enako, da je videti nazaj od ne-inverting vhod. Za konfiguracijo, prikazano na sliki (14), se ta omejitev lahko izrazi na naslednji način:
(34)
Zadnja enakost izhaja iz definicije RA iz enačbe (32). Če nadomestimo ta rezultat v enačbo (31), dobimo omejitev,
(35)
(36)
Če nadomestimo ta rezultat v enačbo (33), dobimo enostaven nabor enačb,
(37)
Kombinacije enačbe (34) in enačbe (37) nam dajejo potrebne informacije za načrtovanje vezja. Izberemo vrednost RF in nato za različne vhodne upore uporabite Equation (37). Če vrednosti uporov niso v praktičnem območju, se vrnemo nazaj in spremenimo vrednost povratnega upora. Ko smo rešili za vhodni upori, potem uporabimo Equation (34), da prisili upore, da so enaki, če pogledamo nazaj od dveh vhodov op-amp. Izberemo vrednosti za Rx in Ry izsiliti to enakost. Medtem ko enačbi (34) in (37) vsebujeta bistvene informacije za zasnovo, je en pomemben premislek, ali upore vključiti med vhode op-ojačevalnika in maso ali ne (Rx in Ry). Rešitev lahko zahteva ponavljanje, da bi dobili smiselne vrednosti (tj. Rešitev lahko opravite enkrat in dobite negativne vrednosti upora). Zato predstavimo numerični postopek, ki poenostavlja izračune[1]
Enačbo (34) lahko zapišemo na naslednji način:
(38)
Zamenjavo enačbe (37) v enačbo (38) dobimo,
(39)
Spomnimo se, da je naš cilj rešiti vrednosti uporov glede na Xi in Yj. Definiramo izraze za seštevanje na naslednji način:
(40)
Enačbo (39) lahko nato ponovno napišemo na naslednji način:
(41)
To je izhodišče za naš postopek načrtovanja. Spomnimo se tega Rx in Ry so upori med tlemi in neinvertirnimi oziroma invertirnimi vhodi. Označen je povratni upor RF in nov izraz, Z, je opredeljen kot
(42)
Tabela (1) - Dizajn zvočnega ojačevalnika
Lahko odpravimo enega ali oba upora, Rx in Ry, iz vezja na sliki (14). To pomeni, da je mogoče enega ali oba od teh uporov nastaviti na neskončnost (to je odprto vezje). To daje tri možnosti oblikovanja. Odvisno od želenih množilnih faktorjev, ki se nanašajo na izhod na vhod, bo eden od teh primerov dobil ustrezno zasnovo. Rezultati so povzeti v tabeli (1).
Oblikovanje vezij s TINA in TINACloud
Za operacijski ojačevalnik in načrtovanje vezij je na voljo več orodij TINA in TINACloud.
optimizacija
TINANeznane parametre vezja v načinu optimizacije lahko samodejno določimo, tako da lahko omrežje ustvari vnaprej določeno ciljno izhodno vrednost, najmanjšo ali največjo. Optimizacija je koristna ne le pri načrtovanju vezij, temveč tudi pri poučevanju, da bi se zgradili primeri in problemi. Upoštevajte, da to orodje deluje ne samo za idealne op-ojačevalnike in linearno vezje, temveč tudi za vsa nelinearna vezja z resničnimi nelinearnimi in drugimi modeli naprav.
Razmislite o obrnjenem ojačevalnem krogu z realnim operacijskim ojačevalnikom OPA350.
Po privzeti nastavitvi tega vezja je izhodna napetost vezja 2.5
To lahko preprosto preverite s pritiskom na gumb DC v TINACloud.
UPORABA
S pomočjo spletnega simulatorja vezij TINACloud analizirajte naslednje vezje, da določite Vven glede na vhodne napetosti s klikom na spodnjo povezavo.
Simulacija vezja OPA350 s TINACloud
Simulacija vezja OPA350 s TINACloud
Če želimo to pripraviti, moramo izbrati ciljni Out = 3V in parameter vezja, ki ga je treba določiti (Optimization Object) Vref. Za ta predmet moramo definirati tudi regijo, ki pomaga pri iskanju, pa tudi predstavlja omejitve.
Če želite izbrati in nastaviti cilj optimizacije v TINACloud, kliknite Vout Voltage pin in nastavite Optimization Target na Yes
Nato kliknite gumb… v isti vrstici in vrednost nastavite na 3.
V vsakem pogovornem oknu pritisnite OK, da končate nastavitve.
Zdaj pa izberimo in nastavimo Objekt za optimizacijo Vref.
V isti vrstici kliknite Vref in nato gumb…
Na seznamu na vrhu izberite Optimizacijski objekt in potrdite polje Optimizacija / Objekt.
V obeh pogovornih oknih pritisnite OK.
Če so bile nastavitve optimizacije uspešno, boste videli znak >> na Out in znak << na Vref, kot je prikazano spodaj.
Sedaj izberite meni Optimizacija v meniju Analiza in pritisnite RUN v pogovornem oknu Optimizacija.
Po končani optimizaciji se bo v pogovornem oknu za optimizacijo enosmernega toka prikazal najdeni Vref, optimalna vrednost
Lahko preučite nastavitve in zaženete optimizacijo na spletu in preverite s simulacijo vezja z uporabo spodnje povezave.
Zaženite Optimization iz menija Analysis in nato pritisnite gumb DC, da vidite rezultat v optimiziranem vezju (3V)
Spletna optimizacija in simulacija vezij s TINACloud
Upoštevajte, da je v tem času v TINACloud vključena le enostavna DC optimizacija. V različici brez povezave TINA je vključenih več funkcij optimizacije.
AC Optimizacija
Z uporabo različice TINA brez povezave lahko optimizirate in preoblikujete tudi izmenične tokokroge.
Odprite nizkofrekvenčno vezje MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC od Primeri Texas Instruments Filters_FilterPro mapa TINA, prikazano spodaj.
Zaženite AC analizo / AC Transfer Characteristic.
Prikaže se naslednji diagram:
Vezje ima enotnost (0dB) Gain in 1.45kHz Cutoff frekvenco.
Zdaj pa preoblikujemo vezje z uporabo AC Optimization in nastavite nizkofrekvenčno Gain na 6dB in Cutoff frequency na 900Hz.
Opombe običajno orodje za optimizacijo, ki se uporablja samo za spremembe. V primeru filtrov boste morda želeli uporabiti orodje za oblikovanje filtrov. To temo bomo obravnavali pozneje.
Zdaj z optimizacijo uporabljamo Gain in Cutoff frekvenco za optimizacijo.
Kliknite ikono “Select Optimization Target” v orodni vrstici ali v meniju Analysis “Select Optimization Target”
Kazalec se bo spremenil v ikono: 
. Kliknite Vout Voltage pin z novim simbolom kazalca.
Odprlo se bo naslednje pogovorno okno:
Kliknite gumbe AC Goal Functions. Odprlo se bo naslednje pogovorno okno:
Označite potrditveno polje Low Pass in nastavite frekvenco ciljnega izklopa na 900. Zdaj označite potrditveno polje Maximum in nastavite Target na 6.
Nato izberite parametre vezja, ki jih želite spremeniti, da dosežete cilje optimizacije.
Kliknite 
ali v vrstici Izberi nadzorni predmet v meniju Analiza.
Kazalec se bo spremenil v zgornji simbol. S tem novim kazalcem kliknite na kondenzator C1. Odprlo se bo naslednje pogovorno okno:
Pritisnite gumb za izbiro. Odprlo se bo naslednje pogovorno okno:
Program samodejno nastavi obseg (omejitev), kjer bo iskana vrednost Optimum. Končna vrednost za 20n, kot je prikazano zgoraj.
Zdaj ponovite isti postopek za R2. Končno vrednost nastavite na 20k.
Ko končate nastavitev za optimizacijo, v meniju Analiza izberite Optimizacija / Optimizacija AC (Prenos).
Odprlo se bo naslednje pogovorno okno:
Privzete nastavitve sprejmite s pritiskom na OK.
Po kratkem izračunu se najde optimalno in pojavijo se spremenjeni parametri komponente:
Na koncu preverite rezultat s simulacijo tokokroga, ki teče z uporabo AC AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Kot je prikazano na diagramu, so dosežene ciljne vrednosti (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz).
Uporaba orodja za načrtovanje vezij v TINA in TINACloud
Druga metoda za načrtovanje vezij v TINA in TINAcloud je uporaba vgrajenega orodja Circuit Designer, imenovanega preprosto Design Tool.
Orodje za načrtovanje deluje z oblikovalskimi enačbami vašega vezja, da zagotovi, da določeni vhodi povzročijo podani izhodni odziv. Orodje od vas zahteva izjavo o vhodih in izhodih ter razmerjih med vrednostmi komponent. Orodje vam ponuja rešitev, ki jo lahko uporabite za večkratno in natančno reševanje različnih scenarijev. Izračunane vrednosti komponent so v shemi samodejno nastavljene in rezultat lahko preverite s simulacijo.
Oblikujmo AC ojačitev istega vezja z orodjem Circuit Designer.
Odprite vezje v mapi Design Tool v TINACloud. Prikaže se naslednji zaslon.
Zdaj pa zaženimo AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Prikaže se naslednji diagram:
Zdaj pa preoblikujmo vezje, da bi dosegli enotnost (0dB)
Pokličite Redesign this Circuit iz menija Tools
Prikaže se naslednje pogovorno okno.
Nastavite Gain na -1 (0 dB) in pritisnite gumb Run.
Izračunane vrednosti novih komponent se bodo takoj pojavile v urejevalniku sheme, narisani v rdeči barvi.
Pritisnite gumb Sprejmi.
Spremembe bodo dokončane. Znova zaženite AC Analysis / AC Transfer Characteristics, da preverite preoblikovano vezje.
————————————————————————————————————————————————— —-
1Tehnika je zasnoval Phil Vrbancic, študent na Kalifornijski državni univerzi v Long Beachu, in predstavljen v prispevku, ki je bil predložen na IEEE nagrado za natečaj za nagrado regije VI.