Praktični op-amp- TINA in viri TINACloud

Praktične op-ampere

Praktične op-ojačevalce približajo njihovi idealen v nekaterih pomembnih vidikih. Za oblikovalce vezij je pomembno, da razume razlike med dejanskimi op-amperji in idealnimi op-amperji, saj lahko te razlike negativno vplivajo na delovanje vezja.

Naš cilj je razviti podroben model praktičnega ojačevalnika - model, ki upošteva najpomembnejše značilnosti ne-idealne naprave. Najprej določimo parametre, ki se uporabljajo za opis praktičnih op-ojačevalnikov. Ti parametri so navedeni v seznamih na obrazcih, ki jih je priskrbel proizvajalec op-amp.

Tabela 1 navaja vrednosti parametrov za tri posebne op-ampere, pri čemer je eden od treh parametrov μA741. Operacijske ojačevalnike μA741 uporabljamo v številnih primerih in pri problemih ob koncu poglavja zaradi naslednjih razlogov: (1), ki so jih izdelali številni proizvajalci IC (2), najdemo jih v velikih količinah v elektronski industriji in ( 3) so splošne interno kompenzirane op-ampere, njihove lastnosti pa se lahko uporabijo kot referenca za primerjalne namene pri obravnavi drugih vrst op-amp. Ker so različni parametri opredeljeni v naslednjih oddelkih, se je treba sklicevati na tabelo 9.1, da bi našli tipične vrednosti.

Tabela 1 - Vrednosti parametrov za op-ampere

Najpomembnejša razlika med idealnim in dejanskim op-amperom je v dobičku napetosti. Idealen op-amp ima napetost, ki se približuje neskončnosti. Dejanski op-amp ima končni dobitek napetosti, ki se zmanjšuje s povečevanjem frekvence (to podrobno raziskujemo v naslednjem poglavju).

5.1 odprta zanka (G)

Dobitek napetosti op-amp z odprto zanko je razmerje med spremembo izhodne napetosti in spremembo vhodne napetosti brez povratne zveze. Dobitek napetosti je brezrazsežna količina. Simbol G se uporablja za prikaz dobička napetosti odprte zanke. Op-amperji imajo visoko napetost za nizkofrekvenčni vhod. Op-amp specifikacija navaja dobitek napetosti v voltih na milivolt ali v decibelih (dB) [definirano kot 20log₁₀(v_ven/v_in)].

Model 5.2 spremenjen op-amp

Slika 14 prikazuje spremenjeno različico idealiziranega modela op-amp. Idealizirani model smo spremenili z dodajanjem vhodnega upora (R_i), izhodna upornost (R_o) in odpornost pri skupnem načinu (R_cm).

Slika 14 - Modificiran model op-amp

Tipične vrednosti teh parametrov (za op-amp 741) so

Zdaj preučimo vezje na sliki 15, da bi preučili delovanje op-amp. Inverting in neinvertirni vhodi op-amp poganjajo viri, ki imajo serijsko upornost. Izhod op-amp se vrne na vhod skozi upor, R_F.

Označeni so viri, ki poganjajo oba vhoda v_A in v₁in pripadajoči uporovni upori so R_A in R₁. Če je vhodno vezje bolj zapleteno, je te upore mogoče obravnavati kot Theveninove ekvivalente tega vezja.

Slika 15 - krog op-amp

5.3 Vhodna izravnava napetosti (V_io)

Ko je vhodna napetost idealna op-amp nič, je izhodna napetost tudi nič. To ne velja za dejanski op-amp. The vhodna offset napetost, V_io, je definirana kot diferenčna vhodna napetost, ki je potrebna, da je izhodna napetost enaka nič. V_io je nič za idealno op-amp. Tipična vrednost V_io za 741 op-amp je 2 mV. Ničelna vrednost V_io je nezaželen, ker op-amp ojača vsak vhodni offset, kar povzroči večjo moč dc napaka.

Za merjenje vhodne offset napetosti se lahko uporabi naslednja tehnika. Namesto spreminjanja vhodne napetosti, da bi prisilil izhod na nič, je vhod nastavljen na nič, kot je prikazano na sliki 16, in izmerjena je izhodna napetost.

Slika 16 - Tehnika za merjenje Vio

Izhodna napetost, ki izhaja iz ničelne vhodne napetosti, je znana kot izhodna enosmerna napetost. Vhodna kompenzacijska napetost je dobljena z deljenjem te količine z dobičkom odprte zanke op-amp.

Učinke vhodne offset napetosti lahko vključimo v model op-amp, kot je prikazano na sliki 17.

Poleg vključitve vhodne offset napetosti je bil idealen model op-amp dodatno spremenjen z dodatkom štirih uporov. R_o ali je izhodna upornost. vhodni upor op-amp, R_i, se meri med obračalnimi in neinvertirnimi priključki. Model vsebuje tudi upor, ki povezuje vsakega od dveh vhodov z zemljo.

To so upori skupnega načinain vsak je enak 2R_cm. Če so vhodi med seboj povezani kot na sliki 16, sta ta dva upora vzporedna, in združena upornost Thevenin z zemljo je R_cm. Če je op-amp idealen, R_i in R_cm se približajte neskončnosti (tj. odprtemu krogu) in R_o je nič (tj. kratek stik).

Slika 17 - Vhodna izravnalna napetost

Zunanjo konfiguracijo, prikazano na sliki 18 (a), lahko uporabimo za izničenje učinkov napetosti. Na invertirni vhodni priključek se uporablja spremenljiva napetost. Pravilna izbira te napetosti prekine vhodni offset. Podobno slika 18 (b) prikazuje to uravnovešeno vezje, ki se uporablja za neinvertirni vhod.

Slika 18 - Izravnava napetosti

UPORABA

Lahko preverite vhodno uravnoteženje napetosti vezja 18 (a) s simulacijo na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo.

Simulacija vhodnega uravnoteženja napetosti (A) s TINACloud

Simulacija vhodnega uravnoteženja napetosti (A) s TINACloud

UPORABA

Uravnoteženje vhodnega odmika kroga 18 (b) lahko preskusite na spletu s simulatorjem vezja TINACloud s klikom na spodnjo povezavo:

Simulacija vhodnega uravnoteženja napetosti (B) s TINACsladko

Simulacija vhodnega izravnave izravnave (b) s TINACloud

5.4 Tok vhodnega odstopanja (I_{Pristranskost})

Čeprav idealni vhodi za op-amp ne pripravljajo toka, dejanski op-amperji dopuščajo nekaj toka pristranskosti, da vstopijo na vsak vhodni terminal. I_{Pristranskost} ali je dc vhodni tranzistor, tipična vrednost pa je 2 μA. Kadar je impedanca vira nizka, I_{Pristranskost} ima majhen učinek, saj povzroča relativno majhno spremembo vhodne napetosti. Pri visokofrekvenčnih pogonskih vezjih pa lahko majhen tok povzroči veliko napetost.

Tok se lahko modelira kot dva trenutna ponora, kot je prikazano na sliki 19.

Slika 19 - Izravnava napetosti

Vrednosti teh ponorov so neodvisne od impedance vira. The pristranski tok je definirana kot povprečna vrednost dveh trenutnih ponorov. Tako

(40)

Razlika med dvema vrednostma ponorov je znana kot vhodni offsetni tok, I_io, in je podan z

(41)

Tako tok vhodnega pristanka kot tudi vhodni odtočni tok sta odvisni od temperature. The temperaturni koeficient vhodne prednapetosti je definirano kot razmerje spremembe toka pristranskosti do spremembe temperature. Značilna vrednost je 10 nA /^oC. vhodni offset trenutni temperaturni koeficient je definirano kot razmerje med spremembo v velikosti odmika toka in spremembo temperature. Značilna vrednost je -2nA /^oC.

Slika 20 - trenutni model prednastavitve

Vhodni tokovi prednapetosti so vključeni v model op-amp na sliki 20, kjer predpostavljamo, da je vhodni offset tok zanemarljiv.

To je,

Slika 21 (a) - vezje

Ta model analiziramo, da bi našli izhodno napetost, ki jo povzročajo tokovi vhodnih prednapetosti.

Slika 21 (a) prikazuje op-amp tokokrog, kjer so invertirni in neinvertirni vhodi povezani z maso preko uporov.

Krog je zamenjan z ekvivalentom na sliki 21 (b), kjer smo zanemarili V_io. Dodatno poenostavimo vezje na sliki 21 (c) z zanemarjanjem R_o in R_obremenitev. To je, domnevamo R_F >> R_o in R_obremenitev >> R_o. Zahteve glede obremenitve proizvodnje običajno zagotavljajo, da so te neenakosti izpolnjene.

Vezje je nadalje poenostavljeno na sliki 21 (d), kjer se zaporedna kombinacija odvisnega vira napetosti in upora nadomesti z vzporedno kombinacijo odvisnega tokovnega vira in upora.

Končno združimo upore in spremenimo oba tokovna vira nazaj v napetostne vire, da dobimo poenostavljeno enakovredno sliko 21 (e).

Slika 21 (b) in (c) - Vhodni učinki pristranskosti

Za iskanje izhodne napetosti uporabljamo enačbo zanke.

(43)

Kje

(44)

Odpornost na skupni način, R_cm, je v območju več sto megaohmov za večino op-amperjev. Zato

(45)

Če to še predpostavimo G_o je velika, Equation (43) postane Equation.

(46)

Slika 21 (d) in (e) - Vhodni učinki pristranskosti

Upoštevajte, da če vrednost R₁ je izbrana, da je enaka, potem je izhodna napetost nič. Iz te analize sklepamo, da dc odpornost V₊ na tleh mora biti enaka dc odpornost V_- do tal. Uporabljamo to ravnotežje v naših načrtih. Pomembno je, da imajo obrnjeni in neinvertirni priključki a dc pot do tal, da bi zmanjšali učinke toka vhodnih prednapetosti.

Input Bias Tok, praktični op-amp, operacijski ojačevalniki

Slika 22 - Konfiguracije za primer 1

Primer 1

Poiščite izhodno napetost za konfiguracije slike 22, kjer I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
rešitev: Uporabljamo poenostavljeno obliko enačbe (46), da bi našli izhodne napetosti za vezje na sliki 22 (a).

Za vezje na sliki 22 (b) dobimo

UPORABA

Tudi te izračune lahko izvedete s simulatorjem vezja TINACloud, pri čemer uporabite orodje za tolmačenje s klikom na spodnjo povezavo.

Simulacija krožnega toka modeliranja toka

Vhodna napetost Modeliranje kroga Simulacija s TINACloud

Vhodna napetost Modeliranje kroga Simulacija s TINACloud

5.5 Zavrnitev skupnega načina

Op-amp se običajno uporablja za povečanje razlike med dvema vhodnima napetostma. Zato deluje v. \ T diferencialni način. Stalna napetost, dodana vsakemu od teh dveh vhodov, ne sme vplivati na razliko in se zato ne sme prenašati na izhod. V praktičnem primeru je ta konstanta ali povprečna vrednost vložkov ne vplivajo na izhodno napetost. Če upoštevamo le enake dele obeh vhodov, razmišljamo o tem, kar je znano kot skupni način.

Slika 23 - skupni način

Predpostavimo, da sta vhodni sponki dejanskega op-amp povezani skupaj in nato na skupno napetost vira. To je prikazano na sliki 23. Izhodna napetost bi bila v idealnem primeru enaka nič. V praktičnem primeru je ta rezultat nič. Razmerje med ničelno izhodno napetostjo in uporabljeno vhodno napetostjo je skupna napetost, G_cm. skupni način zavrnitve (CMRR) je razmerje dc odprta zanka, G_o, do skupnega načina pridobivanja. Tako

(47)

Tipične vrednosti CMRR segajo od 80 do 100 dB. Zaželeno je, da je CMRR čim višji.

5.6 Razmerje zavrnitve napajanja

Razmerje zavrnitve napajanja je merilo zmožnosti op-amp, da ignorira spremembe napajalne napetosti. Če izhodna stopnja sistema črpa spremenljivo količino toka, se lahko napajalna napetost spreminja. Ta sprememba napajalne napetosti, ki jo povzroči obremenitev, lahko povzroči spremembe v delovanju drugih ojačevalnikov, ki si delijo isto napajanje. To je znano kot navzkrižno govorjenjein lahko povzroči nestabilnost.

O razmerje zavrnitve napajanja (PSRR) je razmerje med spremembo v v_ven na skupno spremembo napajalne napetosti. Če se na primer pozitivne in negativne napajalne vrednosti spreminjajo od ± 5 V do ± 5.5 V, je skupna sprememba 11 - 10 = 1 V. PSRR je običajno določen v mikrovoltih na volt ali včasih v decibelih. Tipični op-ojačevalniki imajo PSRR približno 30 μV / V.

Da bi zmanjšali spremembe napajalne napetosti, mora biti napajanje za vsako skupino op-amperjev nevezana izolirane) od tistih iz drugih skupin. To omejuje interakcijo na eno skupino op-amperjev. V praksi mora imeti vsaka kartica tiskanega vezja dovodne vode do ozemljitve prek 0.1-μF keramike ali tantalnega kondenzatorja 1-μF. To zagotavlja, da se spremembe obremenitve ne bodo bistveno napajale z dobavo drugim karticam.

5.7 Izhodna upornost

Kot prvi korak pri določanju izhodne upornosti, R_ven, smo našli ekvivalent Thevenin za del tokokroga op-amp, ki je prikazan v polju, ki je na sliki 24 zaprto s črtkano črto. Upoštevajte, da pri tej analizi ne upoštevamo tokovne napetosti in napetosti.

(24)

Ker vezje ne vsebuje neodvisnih virov, je enakovredna napetost Thevenin enaka nič, zato je vezje enakovredno enemu uporu. Vrednosti upora ni mogoče najti z uporabo uporovnih kombinacij. Če želite najti enakovreden upor, predpostavimo, da je na izhodnih vodih napetostni vir v. Nato izračunamo nastali tok, i, in vzemite razmerje v/i. To daje odpornost Thevenin.

Slika 25 (del a) - Thevenin enakovredna vezja

Slika 25 (del b)

Slika 25 (a) prikazuje uporabljeni vir napetosti. Vezje je poenostavljeno na tisto, ki je prikazano na sliki 25 (b).

Krog lahko dodatno zmanjšamo na tisto, ki je prikazano na sliki 25 (c), kjer definiramo dva nova upora:

(48)

Predpostavimo, da R '_A << (R '₁ + R_i) in R_i >> R '₁. Rezultati poenostavljenega vezja na sliki 25 (d).

Vhodna diferenčna napetost, v_dIz tega poenostavljenega vezja se uporablja razmerje napetostnega delilnika.

(49)

Da bi našli izhodno upornost, začnemo s pisanjem enačbe izhodne zanke.

(50)

Slika 25 (dela c in d) - Reducirana enakovredna vezja Thevenin

Izhodna upornost je nato podana z enačbo (51).

(51)

V večini primerov, R_cm je tako velika, da R '_A»R_A in R₁"»R₁. Enačbo (51) lahko poenostavimo z uporabo ničelne frekvence, G_o. Rezultat je Equation (52).

(52)

UPORABA

Izhodno impedanco vezja 25 (a) lahko s simulacijo vezja izračunate s simulatorjem vezij TINACloud, tako da kliknete spodnjo povezavo.

Izhodna impedanca simulacije kroga Opamp s TINACloud

Izhodna impedanca simulacije kroga Opamp s TINACloud

Primer 2

Poiščite izhodno impedanco enote za povečanje enotnosti, kot je prikazano na sliki 26.

Slika 26 - Enota za pridobivanje enotnosti

rešitev: Ko je vezje na sliki 26 v primerjavi s povratnim vezjem na sliki 24, to ugotovimo

Zato

Enačbe (51) ni mogoče uporabiti, ker nismo prepričani, da v tem primeru veljajo neenakosti, ki vodijo do poenostavitve slike 25 (c). To pomeni, da to zahteva poenostavitev