6. Design av OP-amp-kretsar
STRÖM - 6. Design av Op-amp-kretsar
TIDLIGARE - 5. Kombinerade inverterande och icke-inverterande ingångar
Design av op-amp kretsar
När konfigurationen av ett op-amp-system ges kan vi analysera det systemet för att bestämma produktionen i form av ingångarna. Vi utför denna analys med det förfarande som diskuterats tidigare (i detta kapitel).
Om du nu vill utformning en krets som kombinerar både inverterande och icke-inverterande ingångar, är problemet mer komplext. I ett konstruktionsproblem ges en önskad linjär ekvation, och op-amp-kretsen måste utformas. Den önskade utsignalen från operationsförstärkarens sommar kan uttryckas som en linjär kombination av ingångar,
(30)
var X1, X2 .Xn är de önskade vinsterna vid de icke-inverterande ingångarna och Ya, Yb .Ym är de önskade vinsterna vid de inverterande ingångarna. Ekvation (30) implementeras med kretsen i figur (14).
Figur 14- Flera ingångssommer
Denna krets är en något modifierad version av kretsen i figur (13) (Inverterande och icke-inverterande ingångar).
Figur 13-inverterande och icke-inverterande ingångar
Den enda förändringen vi har gjort är att inkludera motstånd mellan op-amp-ingångarna och marken. Marken kan ses som en extra ingång på noll volt ansluten via motsvarande motstånd (Ry för den inverterande ingången och Rx för icke-inverterande ingång). Tillsatsen av dessa motstånd ger oss flexibilitet i att uppfylla alla krav som ligger utanför ekvationen (30). Till exempel kan ingångsmotstånden anges. Antingen eller båda dessa ytterligare motstånd kan avlägsnas genom att låta deras värden gå till oändlighet.
Ekvation (29) från föregående avsnitt visar att värdena hos motstånden, Ra, Rb, ...Rm och R1, R2, ...Rn är omvänt proportionella mot de önskade vinsterna associerade med respektive ingångsspänningar. Med andra ord, om en stor förstärkning önskas vid en viss ingångsterminal, är motståndet vid den terminalen liten.
När den öppna slingans förstärkning av operationsförstärkaren, G, är stor kan utspänningen skrivas i termer av de motstånd som är anslutna till operationsförstärkaren som i ekvation (29). Ekvation (31) upprepar detta uttryck med liten förenkling och med tillsats av motstånden till marken.
(31)
Vi definierar två ekvivalenta motstånd enligt följande:
(32)
ANSÖKAN
Analysera följande krets med TINACloud för att bestämma Vut vad gäller ingångsspänningarna genom att klicka på länken nedan.
Multipla Input Summer Circuit Simulation av TINACloud
Multipla Input Summer Circuit Simulation av TINACloud
Vi ser att utgångsspänningen är en linjär kombination av ingångar där varje ingång divideras med dess associerade motstånd och multipliceras med ett annat motstånd. Multiplikationsmotståndet är RF för inverterande ingångar och Req för icke-inverterande ingångar.
Antalet okända i detta problem är n + m +3 (dvs de okända motståndsvärdena). Vi behöver därför utvecklas n + m +3 ekvationer för att lösa dessa okända. Vi kan formulera n + m av dessa ekvationer genom att matcha de givna koefficienterna i ekvation (30). Det innebär att vi helt enkelt utvecklar systemet med ekvationer från ekvationer (30), (31) och (32) enligt följande:
(33)
Eftersom vi har tre mer okända, har vi flexibiliteten att tillgodose tre ytterligare hinder. Typiska ytterligare begränsningar inkluderar ingående motståndsöverväganden och har rimliga värden för motstånden (t.ex. Du skulle inte vilja behöva använda ett precisionsmotstånd för R1 lika med 10-4 ohm!).
Även om det inte krävs för konstruktion med hjälp av idealiska ampere, kommer vi att använda en designbegränsning som är viktig för icke-idealiska ampere. För den inverterande op-ampen är Thevenin-motståndet som ser tillbaka från den inverterande ingången vanligtvis gjort lika med den som ser tillbaka från den inverterande ingången. För konfigurationen som visas i Figur (14) kan denna begränsning uttryckas enligt följande:
(34)
Den sista likheten härrör från definitionen av RA från ekvation (32). Att ersätta detta resultat i ekvation (31) ger begränsningen,
(35)
(36)
Att ersätta detta resultat i ekvation (33) ger den enkla uppsättningen ekvationer,
(37)
Kombinationerna av ekvation (34) och ekvation (37) ger oss nödvändig information för att designa kretsen. Vi väljer ett värde av RF och sedan lösa för de olika ingångsmotstånden med Equation (37). Om motståndens värden inte ligger i ett praktiskt område går vi tillbaka och ändrar värdet på återkopplingsmotståndet. När vi väl har löst för ingångsmotstånden använder vi Equation (34) för att tvinga motstånden att vara lika bakåt från de två op-amp-ingångarna. Vi väljer värden på Rx och Ry att tvinga denna jämlikhet. Medan ekvationerna (34) och (37) innehåller den väsentliga informationen för konstruktionen, är en viktig övervägning huruvida motstånden mellan op-amp-ingångarna och jord ska inkluderas eller inte (Rx och Ry). Lösningen kan kräva att iterationer uppnår meningsfulla värden (dvs. du kan utföra lösningen en gång och uppnå negativa resistansvärden). Av detta skäl presenterar vi ett numeriskt förfarande som förenklar mängden beräkningar[1]
Ekvation (34) kan omskrivas enligt följande:
(38)
Att ersätta ekvation (37) till ekvation (38) vi erhåller,
(39)
Minns att vårt mål är att lösa motståndets värden när det gäller Xi och Yj. Låt oss definiera summeringsvillkor enligt följande:
(40)
Vi kan sedan omskriva ekvation (39) enligt följande:
(41)
Detta är en utgångspunkt för vårt designförfarande. Minnas det Rx och Ry är motstånden mellan jord respektive icke-inverterande och inverterande ingångar. Återkopplingsmotståndet betecknas RF och en ny term, Z, är definierad som
(42)
Tabell (1) -Summande förstärkare Design
Vi kan eliminera antingen eller båda motstånden, Rx och Ry, från kretsen i figur (14). Det vill säga, antingen eller båda av dessa motstånd kan sättas till oändligheten (dvs öppencirkulationen). Detta ger tre designmöjligheter. Beroende på önskade multiplikationsfaktorer som relaterar utgång till ingång, kommer ett av dessa fall att ge den lämpliga konstruktionen. Resultaten sammanfattas i tabell (1).
Kretskort med TINA och TINACloud
Det finns flera verktyg tillgängliga i TINA och TINACloud för operationsförstärkare och kretsdesign.
Optimering
TINAOptimeringsläge okända kretsparametrar kan bestämmas automatiskt så att nätverket kan producera ett fördefinierat målutgångsvärde, minimum eller maximum. Optimering är användbar inte bara i kretskonstruktionen utan i undervisningen för att konstruera exempel och problem. Observera att det här verktyget inte bara fungerar för idealiska förstärkare och linjär krets, utan för alla icke-linjära kretsar med riktiga icke-linjära och andra enhetsmodeller.
Tänk på den inverterande förstärkarkretsen med en verklig operationsförstärkare OPA350.
Med standardinställningen för denna krets är utsignalen från kretsen 2.5
Du kan enkelt kontrollera detta genom att trycka på DC-knappen i TINACloud.
ANSÖKAN
Analysera följande krets med TINACloud online-kretssimulator för att bestämma Vut vad gäller ingångsspänningarna genom att klicka på länken nedan.
OPA350 Circuit Simulation med TINACloud
OPA350 Circuit Simulation med TINACloud
För att förbereda detta bör vi välja målet Out = 3V och kretsparametern som ska bestämmas (Optimeringsobjekt) Vref. För det här objektet bör vi också definiera en region som hjälper sökningen men också representerar begränsningarna.
För att välja och ställa in optimeringsmålet i TINACloud klickar du på Vout Voltage pin och ställer in optimeringsmålen till Ja
Klicka sedan på knappen ... på samma rad och ställ in värdet till 3.
Tryck på OK i varje dialogruta för att slutföra inställningarna.
Låt oss nu välja och ställa in Vref Optimization Object.
Klicka på Vref sedan ... knappen i samma rad
Välj Optimeringsobjekt i listan på toppen och sätt i kryssrutan Optimering / Objekt.
Tryck på OK i båda dialogrutorna.
Om optimeringsinställningarna lyckades ser du ett >> -tecken vid Out och ett << -tecken på Vref som visas nedan.
Välj nu Optimering från menyn Analys och tryck på RUN i dialogrutan Optimering.
Efter att ha fullbordat optimeringen kommer den funna Vref, det optimala värdet, att visas i dialogrutan DC optimering
Du kan studera inställningarna och köra optimeringen online och kontrollera genom Circuit Simulation med länken nedan.
Kör optimering från analysmenyn och tryck sedan på DC-knappen så se resultatet i den optimerade kretsen (3V)
Online optimering och Circuit Simulation med TINACloud
Notera att vid denna tidpunkt i TINACloud ingår endast en enkel DC optimering. Fler optimeringsfunktioner ingår i den offline versionen av TINA.
AC optimering
Med hjälp av offline-versionen av TINA kan du optimera och omforma AC-kretsar också.
Öppna MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC lågpasskrets, från Exempel \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro mapp av TINA, visas nedan.
Kör AC-analys / AC-överföringskarakteristik.
Följande diagram kommer att visas:
Kretsen har enhet (0dB) Gain och 1.45kHz Cutoff frekvens.
Låt oss nu omforma kretsen med hjälp av AC optimering och Ställ in lågfrekvensförstärkningen till 6dB och Cutoff-frekvensen till 900Hz.
Anmärkningar Det är normalt att optimeringsverktyget endast gäller för ändringar. Vid filter kanske du vill använda ett filterverktyg. Vi kommer att ta itu med det ämnet senare.
Nu använder Optimering Gain och Cutoff-frekvensen optimeringsmålen.
Klicka på ikonen "Välj optimeringsmål" i verktygsfältet eller på analysmenyn "Välj optimeringsmål"
Markören ändras till ikonen: 
. Klicka på Vout Spänningsstiftet med den nya markörsymbolen.
Följande dialogruta visas:
Klicka på knapparna AC målfunktioner. Följande dialogruta visas:
Markera kryssrutan Lågpass och ställ in målavstängningsfrekvensen till 900. Markera nu kryssrutan Max och ställ in Target till 6.
Välj sedan de kretsparametrar som du vill ändra för att nå optimeringsmålen.
Klicka på 
symbol eller linjen Välj kontrollobjekt på analysmenyn.
Markören växlar till symbolen ovan. Klicka på C1 kondensatorn med den här nya markören. Följande dialogruta visas:
Tryck på väljarknappen. Följande dialogruta visas:
Programmet ställer automatiskt in ett intervall (begränsning) där det optimala värdet ska sökas. Slutvärde till 20n som visas ovan.
Upprepa nu samma procedur för R2. Ställ in slutvärdet på 20k.
När du har slutfört optimeringsinställningen väljer du Optimering / AC-optimering (Transfer) från analysmenyn.
Följande dialogruta visas:
Godkänn standardinställningarna genom att trycka på OK.
Efter en kort beräkning hittas det optimala och förändrade komponentparametrar visas:
Slutligen kontrollera resultatet med krets simulering kör Kör AC Analys / AC Transfer Karaktäristik.
Som visas på diagrammet har målvärdena (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz) nåtts.
Använda Circuit Designer Tool i TINA och TINACloud
En annan metod för att konstruera kretsar i TINA och TINAcloud använder det inbyggda verktyget Circuit Designer som kallas helt enkelt Design Tool.
Designverktyget arbetar med konstruktionslikningarna för din krets för att säkerställa att de angivna ingångarna resulterar i det angivna utmatningssvaret. Verktyget kräver en uppgift om ingångar och utgångar och förhållandet mellan komponentvärdena. Verktyget erbjuder dig en lösningsmotor som du kan använda för att lösa repetitivt och noggrant för olika scenarier. De beräknade komponentvärdena ställs automatiskt in i schematiskt och du kan kontrollera resultatet genom simulering.
Låt oss utforma AC-förstärkningen av samma krets med vårt Circuit Designer-verktyg.
Öppna kretsen från mappen Designverktyg i TINACloud. Följande skärm kommer att visas.
Låt oss nu köra AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Följande diagram kommer att visas:
Låt oss nu omforma kretsen för att få enhetsförstärkning (0dB)
Invoke Redesign this Circuit från Verktyg-menyn
Följande dialogruta visas.
Ställ in Gain till -1 (0 dB) och tryck på knappen Kör.
De beräknade nya komponentvärdena kommer omedelbart att visas i schematisk redigerare, ritad i röd färg.
Tryck på Acceptera knappen.
Ändringarna kommer att slutföras. Kör AC Analys / AC Transfer Egenskaper igen för att kontrollera omkonstruerad krets.
—————————————————————————————————————————————————— —-
1Denna teknik utformades av Phil Vrbancic, en student vid California State University, Long Beach, och presenterades i ett papper som skickades till IEEE Region VI Prize Paper Contest.