Практични Оп-Ампс- ТИНА и ТИНАЦлоуд Ресоурцес

Практичне оп-ампере

Практичне оп-ампери приближавају своје идеалан у неким важним аспектима. Важно је за дизајнера кола да разуме разлике између стварних оп-ампера и идеалних оп-ампера, јер те разлике могу негативно утицати на перформансе кола.

Циљ нам је да развијемо детаљан модел практичног оп-појачала - модел који узима у обзир најзначајније карактеристике неидеалног уређаја. Почињемо са дефинисањем параметара који се користе за описивање практичних појачала. Ови параметри су наведени у списковима на техничким листовима које испоручује произвођач опцијских појачала.

Табела КСНУМКС наводи вредности параметара за три појединачна оп-ампера, од којих је један μАКСНУМКС. Ми користимо μАКСНУМКС оперативна појачала у многим примерима и проблемима на крају поглавља из следећих разлога: (КСНУМКС) они су произведени од стране многих ИЦ произвођача, (КСНУМКС) и налазе се у великим количинама у електронској индустрији, и ( КСНУМКС) оп-ампери су опште намене, а њихова својства се могу користити као референца за сврхе поређења када се ради са другим оп-амп типовима. Како су различити параметри дефинисани у следећим одељцима, треба се позвати на табелу КСНУМКС да би се пронашле типичне вредности.

Практична оп-појачала, оперативна појачала

Табела 1 - Вредности параметара за оп-појачала

Најзначајнија разлика између идеалног и стварног оп-ампера је у напонском појачању. Идеалан оп-амп има напон који се приближава бесконачности. Стварни оп-амп има коначни напон који се смањује како се фреквенција повећава (ово ћемо детаљно истражити у наредном поглављу).

КСНУМКС Опен-Лооп напон напона (Г)

Добит напона отворене петље оп-амп је омјер промјене излазног напона и промјене улазног напона без повратне спреге. Добитак напона је бездимензионална количина. Симбол Г се користи да означи добитак напона отворене петље. Оп-ампери имају висок напон за нискофреквентне улазе. Спецификација оп-амп наводи листу напона у волтима по миливолту или у децибелима (дБ) [дефинисано као КСНУМКСлог₁₀(v_напоље/v_in)].

Модел КСНУМКС Модифиед Оп-амп

Слика КСНУМКС приказује модификовану верзију идеализованог оп-амп модела. Променили смо идеализовани модел додавањем улазног отпора (R_i), излазни отпор (R_o), и општег отпора (R_cm).

Слика КСНУМКС - Модификовани оп-амп модел

Типичне вредности ових параметара (за КСНУМКС оп-амп) су

Сада ћемо размотрити коло на слици КСНУМКС да бисмо испитали перформансе оп-амп-а. Инвертујући и неинвертујући улази оп-амп-а покрећу извори који имају серијски отпор. Излаз оп-амп се враћа на улаз кроз отпорник, R_F.

Означени су извори који покрећу ова два улаза v_A v₁, а придружени серијски отпори су R_A R₁. Ако је улазни склоп сложенији, ови отпори се могу сматрати Тхевенин еквивалентима тог круга.

Слика КСНУМКС - Оп-амп склоп

5.3 Улазни оффсет напон (В_io)

Када је улазни напон идеалног оп-амп нула, излазни напон је такођер нула. Ово није тачно за стварни оп-амп. Тхе улазни оффсет напон, V_io, дефинисан је као диференцијални улазни напон потребан да би излазни напон био једнак нули. V_io је нула за идеалну оп-амп. Типична вредност V_io за КСНУМКС оп-амп је КСНУМКС мВ. Не-нула вредност од V_io је непожељно јер оп-амп појачава било који улазни оффсет, узрокујући тиме већи излаз dc грешка.

Сљедећа техника се може користити за мјерење улазног оффсет напона. Умјесто да се мијења улазни напон како би се излаз учинио нулом, улаз се поставља једнак нули, као што је приказано на слици КСНУМКС, а излазни напон се мјери.

Слика КСНУМКС - Техника мерења Вио

Излазни напон који је резултат нултог улазног напона познат је као излазни напон истосмјерног напона. Напон улазног оффсета се добија дељењем те количине са добитком отворене петље оп-амп.

Ефекти улазног оффсет напона могу се уградити у оп-амп модел као што је приказано на слици КСНУМКС.

Поред укључивања улазног оффсет напона, идеалан оп-амп модел је додатно модификован додавањем четири отпора. R_o је излазни отпор. улазни отпор оп-амп, R_i, измерена је између инвертујућих и неинвертирајућих терминала. Модел такође садржи отпорник који повезује сваки од два улаза са масом.

Ово су отпори у заједничком режиму, и сваки је једнак КСНУМКСR_cm. Ако су улази међусобно повезани као на слици КСНУМКС, ова два отпорника су паралелна, а комбинована отпорност Тхевенин на масу је R_cm. Ако је оп-амп идеалан, R_i R_cm приступити бесконачности (тј. отвореном кругу) и R_o је нула (тј. кратак спој).

Слика КСНУМКС - Инпут оффсет волтаге

Спољна конфигурација приказана на слици КСНУМКС (а) може се користити за негирање ефеката офсет напона. Променљиви напон се примењује на инвертујући улазни терминал. Правилан избор овог напона поништава улазни оффсет. Слично томе, слика КСНУМКС (б) илуструје овај круг балансирања који се примењује на неинвертујући улаз.

Слика КСНУМКС - уравнотежење напона

ПРИЈАВА

Можете тестирати балансирање улазног оффсет напона КСНУМКС (а) кола симулацијом на мрежи са ТИНАЦлоуд симулатором круга кликом на линк испод.

Симулација кола за балансирање напона (а) са ТИНАЦлоудом

Симулација кола за балансирање напона (а) са ТИНАЦлоудом

ПРИЈАВА

Можете тестирати балансирање улазног оффсет-а КСНУМКС (б) кола симулацијом на мрежи са ТИНАЦлоуд симулатором круга кликом на линк испод:

Симулација кола за балансирање напона (б) са ТИНАЦлоуд

Симулација кола за уравнотежење улаза (б) са ТИНАЦлоуд

5.4 Цуррент Биас Цуррент (И_{Преднапон})

Иако идеални оп-амп улази не извлаче струју, стварни оп-ампери допуштају да нека струја преднапона улази у сваки улазни терминал. I_{Преднапон} је dc струја у улазни транзистор, а типична вриједност је КСНУМКС μА. Када је импеданса извора ниска, I_{Преднапон} има мали ефекат, јер изазива релативно малу промену улазног напона. Међутим, код кругова високог напона, мала струја може довести до великог напона.

Струја биас-а може се моделирати као два тренутна понора, као што је приказано на слици КСНУМКС.

Слика КСНУМКС - уравнотежење напона

Вредности ових судопера су независне од импедансе извора. Тхе биас цуррент дефинише се као просечна вредност два тренутна понора. Тако

(40)

Разлика између две вредности судопера је позната као улазна офсет струја, I_io, а даје се по

(41)

И струја улазног и преднапонска струја зависе од температуре. Тхе температурни коефицијент струје улаза је дефинисан као однос промене струје биаса према промени температуре. Типична вредност је КСНУМКС нА /^oЦ. Тхе улазни оффсет тренутни температурни коефицијент је дефинисан као однос промене магнитуде офсет струје према промени температуре. Типична вредност је -КСНУМКСнА /^oC.

Слика КСНУМКС - Инпут биас цуррент модел

Улазне струје преднапона уграђене су у оп-амп модел на слици КСНУМКС, при чему претпостављамо да је улазна офсет струја занемарљива.

То је,

Слика КСНУМКС (а) - Круг

Овај модел анализирамо како бисмо пронашли излазни напон узрокован улазним струјама преднапона.

Слика КСНУМКС (а) показује оп-амп коло где су инвертни и неинвертујући улази повезани са земљом преко отпора.

Круг је замењен еквивалентом на слици КСНУМКС (б), где смо занемарили V_io. Даље поједностављујемо коло на слици КСНУМКС (ц) занемарујући R_o R_{оптерећење}. То је, претпостављамо R_F >> R_o R_{оптерећење} >> R_o. Захтеви за излазним оптерећењем обично обезбеђују да се те неједнакости испуне.

Круг је додатно поједностављен на слици КСНУМКС (д) где се серијска комбинација зависног извора напона и отпорника замењује паралелном комбинацијом зависног извора струје и отпорника.

Коначно, ми комбинујемо отпоре и променимо оба извора струје назад на изворе напона да добијемо поједностављени еквивалент слике КСНУМКС (е).

Слика КСНУМКС (б) и (ц) - Улазни ефекти пристраности

Ми користимо једнаџбу петље да бисмо пронашли излазни напон.

(43)

где

(44)

Општи отпор, R_cm, је у распону од неколико стотина мегохма за већину оп-ампера. Зато

(45)

Ако то даље претпоставимо G_o је велика, једначина (КСНУМКС) постаје једнаџба.

(46)

Слика КСНУМКС (д) и (е) - Инпут биас еффецтс

Имајте на уму да ако је вредност R₁ је изабран да буде једнак, онда је излазни напон нула. Из ове анализе закључујемо да је dc отпор од V₊ на земљу треба да буде једнако dc отпор од V_- на земљу. Користимо ово равнотежа предрасуда ограничења много пута у нашим пројектима. Важно је да и инвертни и неинверзиони терминали имају а dc пут до земље да би се смањили ефекти струје улазних преднапона.

Улазна струја, практична оп-амп, оперативна појачала

Слика 22 - Конфигурације за пример 1

Пример

Пронађите излазни напон за конфигурације на слици КСНУМКС где I_B = 80 нА = 8 10^-8 A.
Решење: Користимо поједностављени облик једначине (КСНУМКС) да бисмо пронашли излазне напоне за коло са слике КСНУМКС (а).

За коло на слици КСНУМКС (б), добијамо

ПРИЈАВА

Такође, ове прорачуне можете извршити помоћу симулатора ТИНАЦлоуд склопа, користећи алат Интерпретер кликом на линк испод.

Инпут Биас Цуррент Моделинг Цирцуит Симулатион витх ТИНАЦлоуд

Инпут Биас Цуррент Моделинг Цирцуит Симулатион витх ТИНАЦлоуд

5.5 Одбацивање из заједничког режима

Оп-амп се обично користи за појачавање разлике између два улазна напона. Стога ради у диференцијални мод. Стални напон додат на сваки од ова два улаза не би требало да утиче на разлику и стога не би требало да се преноси на излаз. У практичном случају, ова константа или просечна вредност улазних података не утиче на излазни напон. Ако узмемо у обзир само једнаке делове два улаза, разматрамо оно што је познато као цоммон моде.

Слика КСНУМКС - Цоммон моде

Претпоставимо да су два улазна терминала стварног оп-ампа спојена заједно, а затим на заједнички извор напона. Ово је илустровано на слици КСНУМКС. Излазни напон би био нула у идеалном случају. У практичном случају, овај излаз је не-нула. Однос излазног напона који није нула и примијењеног улазног напона је појачање напона у заједничком моду, G_cm. омјер одбацивања у заједничком моду (ЦМРР) је дефинисан као однос dc добитак отворене петље, G_o, до општег добитка режима. Тако,

(47)

Типичне вредности ЦМРР се крећу од КСНУМКС до КСНУМКС дБ. Пожељно је да ЦМРР буде што виши.

5.6 Омјер одбијања напајања

Омјер одбијања напајања је мјера способности оп-амп-а да игнорира промјене напона напајања. Ако излазни степен система извлачи варијабилну количину струје, напон напајања може варирати. Ова промена напонског напона изазвана оптерећењем могла би онда проузроковати промене у раду других појачала која деле исту потрошњу. То је познато као цросс-талк, и то може довести до нестабилности.

омјер одбијања напајања (ПСРР) је однос промене у v_напоље до укупне промене напона напајања. На пример, ако позитивно и негативно напајање варирају од ± 5 В до ± 5.5 В, укупна промена је 11 - 10 = 1 В. ПСРР се обично наводи у микроволтима по волту или понекад у децибелима. Типична оп-појачала имају ПСРР од око 30 μВ / В.

Да би се смањиле промене напона напајања, потребно је напајање за сваку групу оп-ампера децоуплед (тј. изоловани) од оних из других група. Ово ограничава интеракцију на једну групу оп-ампера. У пракси, свака картица штампаног круга би требала имати доводне водове до земље преко КСНУМКС-μФ керамике или КСНУМКС-μФ танталовог кондензатора. Тиме се осигурава да варијације оптерећења неће бити значајне за напајање других картица.

5.7 Излазни отпор

Као први корак у одређивању излазне отпорности, R_напоље, налазимо да је Тхевенин еквивалент за део круга оп-амп приказан у кутији затвореној испрекиданим линијама на слици КСНУМКС. Имајте на уму да у овој анализи игноришемо офсет струју и напон.

(24)

Будући да коло не садржи независне изворе, еквивалентни напон Тхевенина је нула, па је круг еквивалентан једном отпорнику. Вредност отпорника се не може наћи помоћу комбинација отпорника. Да бисте пронашли еквивалентни отпор, претпоставимо да је извор напона, в, примењен на излазне каблове. Затим израчунавамо резултујућу струју, i, и узмите однос v/i. Ово даје отпорност на Тхевенин.

Слика 25 (део а) - Тхевенин еквивалентна кола

Слика КСНУМКС (део б)

Слика КСНУМКС (а) приказује примијењени извор напона. Круг је поједностављен на онај приказан на слици КСНУМКС (б).

Круг се може даље редуковати на онај приказан на слици КСНУМКС (ц), где дефинишемо два нова отпора на следећи начин:

(48)

Претпостављамо да Р '_A << (Р '₁ + R_i) и R_i >> Р '₁. Поједностављени резултат дијаграма КСНУМКС (д).

Улазни диференцијални напон, v_d, налази се из овог поједностављеног круга користећи омјер дјелитеља напона.

(49)

Да бисмо пронашли излазни отпор, почињемо писањем једнаџбе излазне петље.

(50)

Слика 25 (делови ц и д) - Редуковани еквивалентни кругови за Тхевенин

Излазни отпор се затим одређује помоћу једначине (КСНУМКС).

(51)

У већини случајева, R_cm је тако велико Р '_A»R_A R₁'»R₁. Једнаџба (КСНУМКС) може се поједноставити коришћењем нултог фреквенцијског појачања, G_o. Резултат је Екуатион (КСНУМКС).

(52)

ПРИЈАВА

Излазну импедансу кола 25 (а) можете израчунати симулацијом кола помоћу ТИНАЦлоуд Цирцуит Симулатор кликом на доњу везу.

Излазна импеданса симулације опамп круга са ТИНАЦлоудом

Излазна импеданса симулације опамп круга са ТИНАЦлоудом

Пример

Нађите излазну импеданцију бафера за јединичну добит као што је приказано на слици КСНУМКС.

Слика КСНУМКС - Унити гаин буффер

Решење: Када се коло на слици КСНУМКС упореди са повратним колом на слици КСНУМКС, то проналазимо

Дакле,

Једнаџба (КСНУМКС) се не може користити, јер нисмо сигурни да се неједнакости које воде до поједностављења слике КСНУМКС (ц) примјењују у овом случају. То значи да поједностављење захтева то