5. Praktiska Op-amp

Praktiska Op-amp

Praktiska op-ampare approximerar deras idealisk motparter men skiljer sig åt i vissa viktiga avseenden. Det är viktigt för kretsdesignern att förstå skillnaderna mellan verkliga ampere och ideala op-amp, eftersom dessa skillnader kan påverka kretsytan negativt.

Vårt mål är att utveckla en detaljerad modell av den praktiska förstärkaren - en modell som tar hänsyn till de viktigaste egenskaperna hos den icke-ideala enheten. Vi börjar med att definiera de parametrar som används för att beskriva praktiska op-förstärkare. Dessa parametrar anges i listorna på datablad som levereras av op-amp-tillverkaren.

Tabell 1 listar parametervärdena för tre särskilda op-amp, en av de tre som är μA741. Vi använder μA741 operationsförstärkare i många av exemplen och kapitalkapacitetsproblem av följande skäl: (1) De har tillverkats av många IC-tillverkare, (2), de finns i stora mängder i hela elektronikindustrin och ( 3) är de allmänt tillgängliga internt kompenserade ampere, och deras egenskaper kan användas som referens för jämförelseändamål när de hanterar andra op-amp-typer. Eftersom de olika parametrarna definieras i följande avsnitt, bör referens göras till tabell 9.1 för att hitta typiska värden.

Praktiska Op-amp, operativförstärkare

Tabell 1 - Parametervärden för förstärkare

Den viktigaste skillnaden mellan ideala och verkliga op-amp är i spänningsförstärkningen. Den ideala op-amp har en spänningsförstärkning som närmar sig oändligheten. Den faktiska op-amp har en ändlig spänningsökning som minskar när frekvensen ökar (vi utforskar detta i detalj i nästa kapitel).

5.1 Open-Loop Voltage Gain (G)

Den öppna spänningsförstärkningen av en op-amp är förhållandet mellan förändringen i utspänningen och en förändring i ingångsspänningen utan återkoppling. Spänningsförstärkning är en dimensionslös mängd. Symbolen G används för att indikera spänningsökningen med öppen slinga. Op-amp har högspänningsförstärkning för lågfrekvensingångar. Op amp-specifikationen visar spänningsförstärkningen i volt per millivolt eller i decibel (dB) [definierad som 20log10(vut/vin)].

5.2 Modifierad Op-amp Model 

Figur 14 visar en modifierad version av den idealiserade op-amp-modellen. Vi har ändrat den idealiserade modellen genom att lägga till insatsmotstånd (Ri), utgångsresistens (Ro) och common-mode-resistans (Rcm).

op-amp, praktiska op-amps

Figur 14 - Modifierad op-amp modell

Typiska värden för dessa parametrar (för 741 op-amp) är

Vi överväger nu kretsen i Figur 15 för att undersöka OP-amp-prestanda. De inverterande och icke-inverterande ingångarna på OP-ampen drivs av källor som har seriemotstånd. Utgången från op-amparen matas tillbaka till ingången genom ett motstånd, RF.

Källorna som driver de två ingångarna betecknas vA och v1, och de associerade seriemotstånden är RA och R1. Om ingångskretsen är mer komplex kan dessa motstånd betraktas som Thevenin-ekvivalenter för den kretsen.

Praktiska Op-amp, operativförstärkare

Figur 15 - Op-amp krets

5.3 Ingång Offset Spänning (Vio)

När ingångsspänningen till en ideell op-amp är noll är utspänningen också noll. Detta gäller inte för en verklig op-amp. De ingångsspänning, Vio, definieras som den differensiella ingångsspänningen som krävs för att göra utspänningen lika med noll. Vio är noll för den ideala op-ampen. Ett typiskt värde av Vio för 741 op-amp är 2 mV. Ett icke-nollvärde av Vio är oönskad eftersom op ampet förstärker vilken ingångsförskjutning som helst, vilket orsakar en större utmatning dc fel.

Följande teknik kan användas för att mäta inmatning offset spänning. I stället för att variera ingångsspänningen för att tvinga utgången till noll, är ingången inställd lika med noll, som visas i figur 16, och utgångsspänningen mäts.

op-amp, operativförstärkare

Figur 16 - Teknik för mätning av Vio

Utgångsspänningen som härrör från en noll ingångsspänning är känd som utgångs-DC-offset-spänning. Ingångsförskjutningsspänningen erhålles genom att dividera denna kvantitet med öppen amplitudförstärkning.

Effekterna av ingångsförskjutningsspänningen kan införlivas i op-amp-modellen som visas i Figur 17.

Förutom att ingångsförskjutningsspänningen har inkluderats, har den ideala op-amp modellen modifierats ytterligare med tillägg av fyra resistanser. Ro är utgångsresistans. De ingångsresistans av op-amp, Ri, mäts mellan inverterande och icke-inverterande terminaler. Modellen innehåller också ett motstånd som förbinder var och en av de två ingångarna till marken.

Dessa är den common-mode resistanser, och var och en är lika med 2Rcm. Om ingångarna är anslutna ihop som i figur 16 är dessa två motstånd parallella och det kombinerade Thevenin-motståndet mot marken är Rcm. Om op-amp är idealisk, Ri och Rcm infinity approach (dvs öppen krets) och Ro är noll (dvs kortslutning).

Figur 17 - Inmatning offset spänning

Den externa konfigurationen som visas i Figur 18 (a) kan användas för att negera effekterna av offset-spänning. En variabel spänning appliceras på den inverterande ingången. Korrekt val av denna spänning avbryter ingångsförskjutningen. På samma sätt illustrerar figur 18 (b) denna balanseringskrets som appliceras på den icke-inverterande ingången.

praktiska op-amp, op-amps

Figur 18 - Offset spänningsbalansering

ANSÖKAN

Du kan testa inmatningsspänningsbalanseringen av 18 (a) kretsen genom simulering online med TINACloud Circuit Simulator genom att klicka på länken nedan.

Ingång Offset Spänningsbalansering Circuit Simulation (a) med TINACloud

Ingång Offset Spänningsbalansering Circuit Simulation (a) med TINACloud

Ingång Offset Spänningsbalansering Circuit Simulation (a) med TINACloud

ANSÖKAN

Du kan testa Input Offset Balancing av 18 (b) kretsen genom simulering online med TINACloud Circuit Simulator genom att klicka på länken nedan:

Ingång Offset Spänningsbalans Circuit Simulation (b) med TINACloud

Ingång Offset Spänningsbalans Circuit Simulation (b) med TINACloud

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) med TINACloud

5.4 Input Bias Current (IBias)

Även om ideala OP-amp-ingångar drar ingen ström, tillåter de verkliga op-amparna att vissa biasströmmen går in i varje ingångsterminal. IBias är dc ström till ingångstransistorn, och ett typiskt värde är 2 μA. När källimpedansen är låg, IBias har liten effekt, eftersom det medför en relativt liten ändring i ingångsspänningen. Med högimpedans körkretsar kan en liten ström dock leda till stor spänning.

Förspänningsströmmen kan modelleras som två nuvarande sänkor, som visas i Figur 19.

op-amp, operativförstärkare

Figur 19 - Offset spänningsbalansering

Värdena för dessa sänkor är oberoende av källimpedansen. De biasströmmen definieras som medelvärdet för de två nuvarande sänkorna. Således

(40)

Skillnaden mellan de två sänkvärdena är känd som inmatningsförskjutningsströmmen, Iio, och ges av

(41)

Både input-biasströmmen och den inmatade offsetströmmen är temperaturberoende. De Inmatningsförspänningens aktuella temperaturkoefficient definieras som förhållandet mellan förändring i biasströmmen och temperaturförändringen. Ett typiskt värde är 10 nA /oC. Den inmatning offset ström temperatur koefficient definieras som förhållandet mellan förändringen i storlek av förskjutningsströmmen och temperaturförändringen. Ett typiskt värde är -2nA /oC.

op-amp, operationsförstärkare

Figur 20 - Input bias aktuell modell

Inmatningsförspänningsströmmarna införlivas i op-amp-modellen i Figur 20, där vi antar att ingångsförskjutningsströmmen är försumbar.

Det vill säga,

op-amp, operationsförstärkare

Figur 21 (a) - Kretsen

Vi analyserar denna modell för att hitta utgångsspänningen orsakad av ingående biasströmmar.

Figur 21 (a) visar en OP-amp-krets där inverterande och icke-inverterande ingångar är anslutna till jord genom-resistanser.

Kretsen ersätts med motsvarande i Figur 21 (b), där vi har försummat Vio. Vi förenklar vidare kretsen i Figur 21 (c) genom att försumma Ro och Rläsa in. Det antar vi RF >> Ro och Rläsa in >> Ro. Utmatningsbehovet säkerställer vanligen att dessa ojämlikheter är uppfyllda.

Kretsen förenklas vidare i figur 21 (d) där seriekombinationen av den beroende spänningskällan och motståndet ersätts av en parallell kombination av en beroende strömkälla och motstånd.

Slutligen kombinerar vi motstånd och ändrar båda strömkällorna tillbaka till spänningskällor för att få den förenklade ekvivalenten av Figur 21 (e).

op-amp, operationsförstärkare

Figur 21 (b) och (c) - Input bias effekter

Vi använder en slingekvation för att hitta utspänningen.

(43)

var

(44)

Common-mode-resistansen, Rcm, ligger inom intervallet flera hundra megohms för de flesta op-amps. Därför

(45)

Om vi ​​vidare antar det Go är stor, ekvation (43) blir ekvation.

(46)

op-amp, operationsförstärkare

Figur 21 (d) och (e) - Input bias effekter

Observera att om värdet av R1 är vald för att vara lika med, är utspänningen noll. Vi utgår från denna analys att dc motstånd från V+ till marken bör motsvara dc motstånd från V- Till marken. Vi använder det här biasbalans begränsa många gånger i våra mönster. Det är viktigt att både inverterande och icke-inverterande terminaler har a dc väg till mark för att minska effekterna av ingående biasströmmen.

Input Bias Nuvarande, praktisk op-amp, operationsförstärkare

Figur 22 - Konfigurationer för exempel 1

Exempelvis 1

Hitta utgångsspänningen för konfigurationerna i Figur 22 där IB = 80 nA = 8 10-8 A.
Lösning: Vi använder den förenklade formen av ekvation (46) för att hitta utgångsspänningarna för kretsen i figur 22 (a).

För kretsen i Figur 22 (b) erhåller vi

ANSÖKAN

Du kan också utföra dessa beräkningar med TINACloud-kretssimulatorn, med hjälp av dess tolkverktyg genom att klicka på länken nedan.

Input Bias Aktuell modellering Circuit Simulation

Input Bias Aktuell modellering Circuit Simulation med TINACloud

Input Bias Aktuell modellering Circuit Simulation med TINACloud

5.5 Common-Mode-avvisning

Op-amp används normalt för att förstärka skillnaden mellan två ingångsspänningar. Det verkar därför i differentialläge. En konstant spänning som läggs till var och en av dessa två ingångar bör inte påverka skillnaden och bör därför inte överföras till utgången. I det praktiska fallet är detta konstanta eller medelvärde för ingångarna gör påverka utspänningen. Om vi ​​bara betraktar lika delar av de två ingångarna, överväger vi vad som är känt som vanligt läge.

op-amp, operationsförstärkare

Figur 23 - Vanligt läge

Låt oss anta att de två ingångsterminalerna för en verklig op-amp ansluts tillsammans och sedan till en gemensam källspänning. Detta illustreras i figur 23. Utgångsspänningen skulle vara noll i idealfallet. I praktiskt fall är denna utmatning icke-noll. Förhållandet mellan utgångsspänningen och nollutgångsspänningen är den common-mode spänningsförstärkning, Gcm. De gemensamt läge avstötningsförhållande (CMRR) definieras som förhållandet mellan dc öppen loop gain, Go, till common mode gain. Således,

(47)

Typiska värden för CMRR-intervallet från 80 till 100 dB. Det är önskvärt att ha CMRR så hög som möjligt.

5.6 Strömförsörjningsförhållande

Avstängningsförhållandet för strömförsörjning är ett mått på förmågan hos förstärkaren att ignorera förändringar i strömförsörjningsspänningen. Om utmatningssteget i ett system drar en variabel strömström, kan matningsspänningen variera. Denna belastningsinducerad förändring av matningsspänningen kan då orsaka förändringar i driften av andra förstärkare som delar samma tillförsel. Detta är känt som överhörning, och det kan leda till instabilitet.

Smakämnen strömförbrukningsavstötningsförhållande (PSRR) är förhållandet mellan förändringen i vut till den totala förändringen i strömförsörjningsspänningen. Till exempel, om de positiva och negativa tillförseln varierar från ± 5 V till ± 5.5 V, är den totala förändringen 11 - 10 = 1 V. PSRR specificeras vanligtvis i mikrovolt per volt eller ibland i decibel. Typiska op-förstärkare har en PSRR på cirka 30 μV / V.

För att minska förändringar i matningsspänningen bör strömförsörjningen för varje grupp av op-amps vara frikopplat (dvs isolerade) från andra gruppers. Detta begränsar interaktionen till en enda grupp av op amps. I praktiken bör varje tryckt kretskort ha försörjningsledningar förbikopplade till jord via en 0.1-μF keramisk eller 1-μF tantal kondensator. Detta säkerställer att lastvariationer inte matar väsentligt genom tillförsel till andra kort.

5.7 Output Resistance

Som ett första steg för att bestämma utgångsresistansen, Rut, finner vi Thevenin-ekvivalenten för den del av OP-amp-kretsen som visas i rutan omsluten i streckade linjer i Figur 24. Observera att vi ignorerar offsetströmmen och spänningen i denna analys.

(24)

Eftersom kretsen inte innehåller några oberoende källor är Thevenins ekvivalenta spänning noll, så kretsen motsvarar ett enda motstånd. Motståndets värde kan inte hittas med hjälp av motståndskombinationer. För att hitta motsvarande motstånd antar du att en spänningskälla, v, appliceras på utgångsledningarna. Vi beräknar sedan den resulterande strömmen, i, och ta förhållandet v/i. Detta ger Thevenin-resistansen.

op-amp, operationsförstärkare

Figur 25 (del a) - Thevenin-ekvivalenta kretsar

op-amp, operationsförstärkare

Figur 25 (del b)

 

 

 

 

 

 

 

Figur 25 (a) illustrerar den applicerade spänningskällan. Kretsen förenklas till den som visas i Figur 25 (b).

Kretsen kan reduceras ytterligare till den som visas i Figur 25 (c), där vi definierar två nya motstånd enligt följande:

(48)

Vi antar att R 'A << (R '1 + Ri) Och Ri >> R '1. Den förenklade kretsen i Figur 25 (d) resultat.

Ingångsdifferentialspänningen, vd, finns från denna förenklade krets med ett spänningsdelningsförhållande.

(49)

För att hitta utmatningsresistansen börjar vi med att skriva utgångslägesekvationen.

(50)

op-amp, operationsförstärkare

Figur 25 (del c och d) - Reducerade ekvivalenta kretsar

Utgångsmotståndet ges sedan med ekvation (51).

(51)

I de flesta fallen, Rcm är så stor det R 'A»RA och R1'»R1. Ekvation (51) kan förenklas med hjälp av nollfrekvensspänningsförstärkningen, Go. Resultatet är ekvation (52).

(52)

ANSÖKAN

Du kan beräkna utgångsimpedansen för krets 25 (a) med kretssimulering med hjälp av TINACloud Circuit Simulator genom att klicka på länken nedan.

Output Impedance av en Opamp Circuit Simulation med TINACloud

Output Impedance av en Opamp Circuit Simulation med TINACloud

Output Impedance av en Opamp Circuit Simulation med TINACloud

 

Exempelvis 2

Hitta utgångsimpedansen för en enhetsförstärkningsbuffert som visas i Figur 26.

praktisk op-amp, operationsförstärkare

Figur 26 - Unity gain buffer

 

Lösning:  När kretsen i Figur 26 jämförs med återkopplingskretsen i Figur 24, finner vi det

Därför,

Ekvation (51) kan inte användas, eftersom vi inte är säkra på att de ojämlikheter som leder till förenkling av figur 25 (c) gäller i det här fallet. Det innebär att förenklingen kräver det

Utan denna förenkling tar kretsen den form som visas i Figur 27.

Unity gain buffert, praktiska op-amps, operationsförstärkare,

Figur 27 - Likvärdig krets för Unity gain buffer

Denna krets analyseras för att hitta följande relationer:

I den första av dessa ekvationer har vi antagit det Ro<< (R '1+Ri) << 2Rcm. Utgångsmotståndet ges sedan av

Där vi åter använder nollfrekvensspänningen, Go.