Op-amps praktike-TINA dhe Burimet TINACloud

Op-amps praktike

Op-amps praktike përafrojnë të tyre ideal homologët por ndryshojnë në disa aspekte të rëndësishme. Është e rëndësishme për projektuesin e qarkut të kuptojë dallimet midis op-amps aktuale dhe op-amps ideale, pasi këto dallime mund të ndikojnë negativisht në performancën e qarkut.

Qëllimi ynë është të zhvillojmë një model të detajuar të op-amp praktik - një model që merr parasysh karakteristikat më domethënëse të pajisjes jo-ideale. Ne fillojmë duke përcaktuar parametrat e përdorur për të përshkruar op-amp amper. Këto parametra specifikohen në listat në fletët e të dhënave të dhëna nga prodhuesi i op-amp.

Tabela 1 liston vlerat e parametrave për tre op-amps të veçantë, njëra prej treve është μA741. Ne përdorim përforcues operacionalë μA741 në shumë shembuj dhe probleme në fund të kapitullit për arsyet e mëposhtme: (1) janë fabrikuar nga shumë prodhuesit e IC (2) ata janë gjetur në sasi të mëdha në të gjithë industrinë elektronike dhe ( 3) janë op-amps të kompensuara brenda vendit me qëllim të përgjithshëm dhe pronat e tyre mund të përdoren si referencë për qëllime krahasimi kur kanë të bëjnë me llojet e tjera op-amp. Meqenëse parametrat e ndryshëm janë përcaktuar në seksionet e mëposhtme, duhet të referoheni në tabelën 9.1 në mënyrë që të gjeni vlerat tipike.

Tabela 1 - Vlerat e parametrave për op-amp

Dallimi më i rëndësishëm midis op-amps ideal dhe aktual është në fitimin e tensionit. Op-amp ideal ka një fitim të tensionit që afrohet pafundësi. Op-amp aktual ka një fitim të fundëm të tensionit që zvogëlohet me rritjen e frekuencës (ne e eksplorojmë këtë në detaje në kapitullin tjetër).

5.1 Open-Loop Voltage Gain (G)

Fitimi i tensionit të hapur të një op-amp është raporti i ndryshimit të tensionit të daljes në një ndryshim në tensionin e hyrjes pa reagime. Fitimi i tensionit është një sasi pa përmasa. Simboli G përdoret për të treguar fitimin e tensionit të hapur. Op-amps kanë fituar tension të lartë për inputet me frekuencë të ulët. Specifikimi op-amp liston fitimin e tensionit në volt për millivolt ose në decibel (dB) [përcaktuar si 20log₁₀(v_nga/v_in)].

Modeli i modifikuar i Op-amp Modeli 5.2

Figura 14 tregon një version të modifikuar të modelit ideal të op-amp. Ne kemi ndryshuar modelin e idealizuar duke shtuar rezistencën e inputeve (R_i), rezistenca e prodhimit (R_o), dhe rezistenca e zakonshme mode (R_cm).

Figura 14 - Modeli i modifikuar op-amp

Vlerat tipike të këtyre parametrave (për 741 op-amp) janë

Ne tani e konsiderojmë qarkun e Figura 15 me qëllim që të ekzaminohet performanca op-amp. Inputet inverting dhe non-inverting e op-amp janë të nxitur nga burime që kanë rezistencë seri. Prodhimi i op-amp është i ushqyer përsëri në të dhëna nëpërmjet një rezistencë, R_F.

Janë shënuar burimet që ngasin dy inputet v_A v₁, dhe rezistencat seri të lidhura janë R_A R₁. Nëse qarku i hyrjes është më kompleks, këto rezistenca mund të konsiderohen si ekuivalentet e Theveninit të asaj qarkore.

Figura 15 - Op-amp qark

5.3 Tensioni i zbritjes së hyrjes (V_io)

Kur voltazhi i hyrjes në një op-amp ideal është zero, tensioni i daljes është gjithashtu zero. Kjo nuk është e vërtetë për një op-amp aktual. input tension offset, V_io, është përcaktuar si tension i diferencuar i hyrjes i kërkuar për të bërë tensionin e prodhimit të barabartë me zero. V_io është zero për op-amp ideal. Një vlerë tipike e V_io për 741 op-amp është 2 mV. Një vlerë jo zero nga V_io është e padëshirueshme, sepse op-amp amplifikon ndonjë kompensim të inputeve, duke shkaktuar kështu një prodhim më të madh dc gabim.

Teknika e mëposhtme mund të përdoret për matjen e tensionit të kompensuar të hyrjes. Në vend që të ndryshojë tensionin e hyrjes në mënyrë që të detyrojë daljen në zero, hyrja vendoset e barabartë me zero, siç tregohet në figurën 16, dhe matet tensionin e daljes.

Figura 16 - Teknika për matjen e Vio

Tensioni i daljes që rezulton nga një tension i hyrjes zero është i njohur si dalja e tensionit të kompensuar DC. Tensioni i kompensuar i inputit është marrë duke e ndarë këtë sasi me anë të fitimit të hapur të op-amp.

Efektet e tensionit të kompensuar të inputeve mund të përfshihen në modelin op-amp siç tregohet në figurën 17.

Përveç përfshirjes së tensionit të kompensuar të inputit, modeli ideal op-amp është modifikuar më tej me shtimin e katër rezistencave. R_o është rezistenca e prodhimit. rezistenca e hyrjes e op-amp, R_i, matet midis terminaleve inverting dhe jo-inverting. Modeli gjithashtu përmban një rezistencë që lidh secilën prej dy hyrjeve në tokë.

Këto janë rezistenca të zakonshme në regjim, dhe secila është e barabartë me 2R_cm. Nëse inputet janë të lidhura së bashku si në figurën 16, këto dy rezistorë janë paralelisht, dhe rezistenca e kombinuar Thevenin ndaj terrenit është R_cm. Nëse op-amp është ideal, R_i R_cm qasje pafundësi (p.sh., qark i hapur) dhe R_o është zero (p.sh., qark i shkurtër).

Figura 17 - Tensioni i kompensuar i hyrjes

Konfigurimi i jashtëm i paraqitur në figurën 18 (a) mund të përdoret për të mënjanuar efektet e tensionit të kompensuar. Një tension i ndryshueshëm zbatohet në terminalin e hyrjes invertuese. Zgjedhja e duhur e këtij tensioni anulon kompensimin e hyrjes. Në mënyrë të ngjashme, Figura 18 (b) ilustron këtë qark balancimi të aplikuar në hyrjen jo-invertuese.

Figura 18 - Balancimi i tensionit të offset

APLIKIMI

Ju mund të provoni Balancimin e Tensionit të Bilanci të Inputit të qarkut 18 (a) duke simuluar në internet me Simulatorin e TINACloud Circuit duke klikuar lidhjen më poshtë.

Simulimi i balancimit të tensionit të bartjes së hyrjes (a) me TINACloud

Simulimi i balancimit të tensionit të bartjes së hyrjes (a) me TINACloud

APLIKIMI

Ju mund të testoni Balancimin e Bilancieve të Inputeve të qarkut 18 (b) duke simuluar në internet me Simulatorin TINACloud Circuit duke klikuar lidhjen më poshtë:

Simulimi i balancimit të tensionit të bartjes së hyrjes (b) me TINACloud

Simulimi i balancimit të balancimit të inputit të hyrjes (b) me TINACloud

5.4 Input Bias Current (I_Paragjykim)

Megjithëse inputet ideale të op-amp nuk tërheqin asnjë aktuale, opamp-et aktuale lejojnë një rrymë paragjykuese për të hyrë në çdo terminal të hyrjes. I_Paragjykim është dc aktuale në transistorin e hyrjes, dhe një vlerë tipike është 2 μA. Kur impedanca burimore është e ulët, I_Paragjykim ka pak efekt, pasi ajo shkakton një ndryshim relativisht të vogël në tensionin e hyrjes. Megjithatë, me qarqe lëvizëse me rezistencë të lartë, një rrymë e vogël mund të çojë në një tension të madh.

Rryma e paragjykimeve mund të modelohen si dy mbytet aktuale, siç tregohet në figurën 19.

Figura 19 - Balancimi i tensionit të offset

Vlerat e këtyre mbytet janë të pavarura nga impedanca burimore. paragjykimi i tanishëm është përcaktuar si vlera mesatare e dy lavamave aktuale. kështu

(40)

Dallimi në mes të dy vlerave lavamani është i njohur si hyrja e kompensuar aktuale, I_io, dhe është dhënë nga

(41)

Të dy input-bias aktuale dhe aktuale input kompensuar janë të varur nga temperatura. koeficienti aktual i temperaturës së paragjykimeve përcaktohet si raporti i ndryshimit në rrymën e paragjykimeve për të ndryshuar temperaturën. Një vlerë tipike është 10 nA /^oC. The koeficienti aktual i temperaturës së kompensuar të inputit është përcaktuar si raporti i ndryshimit në madhësinë e rrymës së kompensuar me ndryshimin e temperaturës. Një vlerë tipike është -2nA /^oC.

Figura 20 - Modeli aktual i animit të paragjykimeve

Rrymat e parave të hyrjes përfshihen në modelin op-amp të Figura 20, ku supozojmë se rryma e kompensuar e inputeve është e papërfillshme.

Kjo eshte,

Figura 21 (a) - Qarku

Ne e analizojmë këtë model për të gjetur tensionin e daljes të shkaktuar nga rrymat e paragjykimeve të hyrjes.

Figura 21 (a) tregon një qark op-amp ku hyrjet inverting dhe non-inverting janë të lidhura me tokë përmes rezistencës.

Qarku zëvendësohet me ekuivalentin e saj në figurën 21 (b), ku ne kemi lënë pas dore V_io. Ne thjeshtë thjeshtim qark në figurën 21 (c) duke neglizhuar R_o R_ngarkesë. Kjo është, ne supozojmë R_F >> R_o R_ngarkesë >> R_o. Kërkesat e ngarkimit të produktit zakonisht sigurojnë që këto pabarazi të plotësohen.

Qarku thjeshtohet më tej në figurën 21 (d) ku kombinimi i serisë së burimit të tensionit të varur dhe rezistencës zëvendësohet nga një kombinim paralel i një burimi dhe rezistencë aktuale të varur.

Së fundmi, ne kombinojmë rezistencat dhe ndryshojmë dy burimet aktuale në burimet e tensionit për të marrë ekuivalentin e thjeshtuar të figurës 21 (e).

Figura 21 (b) dhe (c) - Input efektet e paragjykimeve

Ne përdorim një ekuacion loop për të gjetur tensionin e daljes.

(43)

(44)

Rezistenca e zakonshme, R_cm, është në rangun e disa qind megohmeve për shumicën e op-amps. prandaj

(45)

Nëse e marrim më tej atë G_o është i madh, Ekuacioni (43) bëhet Ekuacioni.

(46)

Figura 21 (d) dhe (e) - Input efektet paragjykim

Vini re se nëse vlera e R₁ zgjidhet të jetë e barabartë, atëherë voltazhi i daljes është zero. Ne përfundojmë nga kjo analizë se dc rezistenca nga V₊ në terren duhet të barabartë dc rezistenca nga V_- për tokë. Ne e përdorim këtë bilancin e paragjykimit kufizim shumë herë në planet tona. Është e rëndësishme që të dy terminalet inverting dhe non-inverting kanë një dc rrugën për tokë për të zvogëluar efektet e tanishme të paragjykimeve të inputeve.

Input Bias Aktual, op-amp praktik, përforcues operacional

Figura 22 - Konfigurimet për Shembullin 1

Shembull 1

Gjeni tensionin e daljes për konfigurimin e figurës 22 ku I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Zgjidhja: Ne përdorim formën e thjeshtuar të ekuacionit (46) për të gjetur tensionet e daljes për qarkun e figurës 22 (a).

Për qarkun e figurës 22 (b), ne marrim

APLIKIMI

Gjithashtu, mund të kryeni këto llogaritjet me simulatorin e qarkut TINACloud, duke përdorur mjetin e tij të Interpretuesit duke klikuar lidhjen më poshtë.

Input Bias Simulimi i tanishëm i modelimit të modelit me TINACloud

Input Bias Simulimi i tanishëm i modelimit të modelit me TINACloud

5.5 Refuzim i zakonshëm i modalitetit

Op-amp normalisht përdoret për të përforcuar diferencën midis dy tensioneve të hyrjes. Prandaj operon në modaliteti diferencial. Një tension i vazhdueshëm i shtuar në secilin prej këtyre dy hyrjeve nuk duhet të ndikojë në ndryshim dhe për këtë arsye nuk duhet të transferohet në dalje. Në rastin praktik, kjo vlerë konstante ose mesatare e inputeve bën ndikojnë në tensionin e daljes. Nëse marrim parasysh vetëm pjesët e barabarta të dy inputeve, ne po konsiderojmë atë që njihet si mënyra e zakonshme.

Figura 23 - Mënyra e zakonshme

Le të supozojmë se dy terminalet e hyrjes së një op-amp aktuale janë të lidhura së bashku dhe pastaj me një tension të përbashkët burimi. Kjo është ilustruar në figurën 23. Tensioni i daljes do të jetë zero në rastin ideal. Në rastin praktik, ky rezultat është jo-zero. Raporti i tensionit të daljes jo-zero ndaj tensionit të inputit të aplikuar është fitimi i tensionit të zakonshëm në mode, G_cm. Raporti i refuzimit të zakonshëm të modalitetit (CMRR) është përcaktuar si raporti i dc fitore e hapur, G_o, për fitimin e zakonshëm të modalitetit. Kështu,

(47)

Vlerat tipike të CMRR shkojnë nga 80 në 100 dB. Është e dëshirueshme që CMRR të jetë sa më i lartë.

5.6 Raporti i refuzimit të furnizimit me energji elektrike

Raporti i refuzimit të furnizimit me energji është një masë e aftësisë së op-amp për të injoruar ndryshimet në tensionin e furnizimit me energji elektrike. Nëse faza e prodhimit të një sistemi tërheq një sasi të ndryshueshme të rrymës, tensionit të furnizimit mund të ndryshojnë. Ky ndryshim i shkaktuar nga ngarkesa në tensionin e furnizimit mund të shkaktojë ndryshime në funksionimin e amplifikatorëve të tjerë që ndajnë të njëjtin furnizim. Kjo njihet si ndër-flasim, dhe kjo mund të çojë në paqëndrueshmëri.

La Raporti i refuzimit të furnizimit me energji elektrike (PSRR) është raporti i ndryshimit në v_nga te ndryshimi total i tensionit të furnizimit me energji elektrike. Për shembull, nëse furnizimet pozitive dhe negative ndryshojnë nga ± 5 V në ± 5.5 V, ndryshimi i përgjithshëm është 11 - 10 = 1 V. PSRR zakonisht specifikohet në mikrovolt për volt ose nganjëherë në decibel. Op-ampers tipike kanë një PSRR rreth 30 μV / V.

Për të zvogëluar ndryshimet në tensionin e furnizimit, duhet të jetë furnizimi i energjisë për secilin grup të op-amps tërhiqet (dmth, të izoluara) nga ato të grupeve të tjera. Kjo kufizon ndërveprimin me një grup të vetëm të op-amps. Në praktikë, çdo kartë qarku të shtypur duhet të ketë linjat e furnizimit të anashkaluar në tokë nëpërmjet një kondensator tantal 0.1-μF qeramike ose 1-μF. Kjo siguron që variacionet e ngarkesës nuk do të ushqehen ndjeshëm përmes furnizimit me karta të tjera.

5.7 Rezistenca e prodhimit

Si hap i parë në përcaktimin e rezistencës së prodhimit, R_nga, gjejmë ekuivalentin e Theveninit për pjesën e qarkut op-amp treguar në kutinë e mbyllur në linjat e thurura në figurën 24. Vini re se ne po injorojmë aktuale dhe tensionin e kompensuar në këtë analizë.

(24)

Meqenëse qarku nuk përmban burime të pavarura, voltazhi ekuivalent i Thevenin është zero, kështu që qarku është ekuivalent me një rezistencë të vetme. Vlera e rezistencës nuk mund të gjendet duke përdorur kombinime të rezistencës. Për të gjetur rezistencën ekuivalente, supozoni se një burim tensioni, v, është aplikuar në daljet e daljes. Ne pastaj llogarisim rrymën që rezulton, i, dhe të marrë raportin v/i. Kjo sjell rezistencën e Theveninit.

Figura 25 (pjesa a) - Qarqet ekuivalente teveninë

Figura 25 (pjesa b)

Figura 25 (a) ilustron burimin e tensionit të aplikuar. Qarku është thjeshtuar me atë të treguar në figurën 25 (b).

Qarku mund të zvogëlohet më tej në atë të treguar në figurën 25 (c), ku përcaktohen dy rezistenca të reja si më poshtë:

(48)

Ne supozojmë se R '_A << (R '₁ + R_i), dhe R_i >> R '₁. Qarku i thjeshtuar i figurës 25 (d) rezulton.

Tensioni diferencial i hyrjes, v_d, është gjetur nga ky qark i thjeshtëzuar duke përdorur një raport të ndarjes së tensionit.

(49)

Për të gjetur rezistencën e prodhimit, ne fillojmë me shkrimin e ekuacionit loop output.

(50)

Figura 25 (pjesët c dhe d) - Qarqet ekuivalente të reduktuara Thevenin

Rezistenca e prodhimit është dhënë më pas nga Ekuacioni (51).

(51)

Në shumicën e rasteve, R_cm është aq e madhe sa R '_A»R_A R₁'»R₁. Ekuacioni (51) mund të thjeshtohet duke përdorur fitimin e tensionit me frekuencë zero, G_o. Rezultati është Ekuacioni (52).

(52)

APLIKIMI

Ju mund të llogarisni Rezistencën e Daljes së qarkut 25 (a) me simulimin e qarkut duke përdorur Simulatorin e Qarkut TINACloud duke klikuar në lidhjen më poshtë.

Pengimi i daljes së një Simulimi të Circuit Opamp me TINACloud

Pengimi i daljes së një Simulimi të Circuit Opamp me TINACloud

Shembull 2

Gjeni rezistencën e daljes së një tamponi të fitimit të unitetit, siç tregohet në figurën 26.

praktike op-amp, amplifikatoret operacionale

Figura 26 - Uniteti fiton tampon

Zgjidhja: Kur qarku i figurës 26 krahasohet me qarkun e reagimit të figurës 24, ne gjejmë atë

Prandaj,

Ekuacioni (51) nuk mund të përdoret, pasi nuk jemi të sigurt se pabarazitë që çojnë në thjeshtësimin e figurës 25 (c) zbatohen në këtë rast. Kjo do të thotë thjeshtësimi kërkon këtë