การออกแบบ Op-amp Circuits-TINA และ TINACloud Resources

การออกแบบวงจรแอมป์

เมื่อกำหนดค่าของระบบ op-amp แล้วเราสามารถทำได้ วิเคราะห์ ระบบนั้นเพื่อกำหนดเอาท์พุทในแง่ของอินพุต เราทำการวิเคราะห์นี้โดยใช้ขั้นตอนที่กล่าวถึงก่อนหน้า (ในบทนี้)

หากคุณต้องการ ออกแบบ วงจรที่รวมทั้งอินเวอร์เตอร์และอินพุทอินเวอร์เตอร์ปัญหามีความซับซ้อนมากขึ้น ในปัญหาการออกแบบจะได้รับสมการเชิงเส้นที่ต้องการและต้องออกแบบวงจรแอมป์ เอาต์พุตที่ต้องการของแอมพลิฟายเออร์สำหรับฤดูร้อนสามารถแสดงเป็นชุดการรวมเชิงเส้นของอินพุต

(30)

ที่ไหน X₁, X₂ ...X_n เป็นกำไรที่ต้องการที่อินพุทที่ไม่กลับด้านและ Y_a, Y_b ...Y_m เป็นกำไรที่ต้องการที่อินพุทอินเวอร์เตอร์ สมการ (30) ถูกนำมาใช้กับวงจรของรูปที่ (14)

แอมพลิฟายเออร์ในการปฏิบัติงานที่เหมาะสมที่สุดการออกแบบวงจรแอมป์

รูปที่ 14- การป้อนข้อมูลหลายช่วงฤดูร้อน

วงจรนี้เป็นวงจรที่มีการแก้ไขเล็กน้อยของรูปที่ (13) (อินพุตอินเวอร์เตอร์และไม่มีอินเวอร์เตอร์).

รูปที่ 13- อินพุตอินเวอร์เตอร์และไม่มีอินเวอร์เตอร์

การเปลี่ยนแปลงเพียงอย่างเดียวที่เราทำคือการรวมตัวต้านทานระหว่างอินพุตและแอมป์พื้น สามารถมองพื้นดินเป็นอินพุตเพิ่มเติมของศูนย์โวลต์ที่เชื่อมต่อผ่านตัวต้านทานที่สอดคล้องกัน (R_y สำหรับอินพุทอินพุทและ R_x สำหรับอินพุตที่ไม่มีการแปลงกลับ) การเพิ่มตัวต้านทานเหล่านี้ทำให้เรามีความยืดหยุ่นในการตอบสนองความต้องการใด ๆ นอกเหนือจากสมการ (30) ตัวอย่างเช่นความต้านทานอินพุตอาจถูกระบุ ตัวต้านทานเพิ่มเติมเหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งคู่สามารถลบออกได้โดยปล่อยให้ค่าของพวกมันไปไม่มีที่สิ้นสุด

สมการ (29) จากส่วนก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าค่าของตัวต้านทาน R_a, R_b, ...R_m และ R₁, R₂, ...R_n จะแปรผกผันกับผลกำไรที่ต้องการซึ่งสัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่เกี่ยวข้อง กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าต้องการกำไรมากที่ขั้วอินพุตเฉพาะความต้านทานที่ขั้วนั้นมีขนาดเล็ก

เมื่อวงเปิดได้รับแอมพลิฟายเออร์ Gมีขนาดใหญ่แรงดันเอาต์พุตอาจเขียนเป็นตัวต้านทานที่เชื่อมต่อกับแอมพลิฟายเออร์แบบแอมพลิฟายเออร์เช่นเดียวกับในสมการ (29) สมการ (31) ซ้ำการแสดงออกนี้ด้วยความเรียบง่ายเล็กน้อยและมีการเพิ่มตัวต้านทานลงบนพื้น

(31)

เรากำหนดความต้านทานที่เท่ากันสองรายการดังนี้:

(32)

ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้โดยใช้ TINACloud เพื่อหาค่า V_ออก ในแง่ของแรงดันไฟฟ้าอินพุตโดยคลิกที่ลิงค์ด้านล่าง

การจำลองวงจรในช่วงฤดูร้อนอินพุตหลายรายการโดย TINACloud

การจำลองวงจรในช่วงฤดูร้อนอินพุตหลายรายการโดย TINACloud

เราจะเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นการรวมกันเชิงเส้นของอินพุตซึ่งแต่ละอินพุตถูกหารด้วยความต้านทานที่เกี่ยวข้องและคูณด้วยความต้านทานอื่น ความต้านทานทวีคูณคือ R_F สำหรับการย้อนกลับอินพุตและ R_eq สำหรับอินพุตที่ไม่กลับด้าน

จำนวนของ unknowns ในปัญหานี้คือ n + m +3 (เช่นค่าตัวต้านทานที่ไม่รู้จัก) เราจำเป็นต้องพัฒนา n + m +สมการ 3 เพื่อแก้ไขสำหรับสิ่งที่ไม่รู้จัก เราสามารถกำหนด n + m ของสมการเหล่านี้โดยการจับคู่สัมประสิทธิ์ที่กำหนดในสมการ (30) นั่นคือเราเพียงแค่พัฒนาระบบสมการจากสมการ (30), (31) และ (32) ดังต่อไปนี้:

(33)

เนื่องจากเรามีข้อมูลที่ไม่รู้จักอีกสามรายการเราจึงมีความยืดหยุ่นในการตอบสนองข้อ จำกัด อีกสามข้อ ข้อ จำกัด เพิ่มเติมทั่วไปรวมถึงการพิจารณาความต้านทานอินพุตและมีค่าที่เหมาะสมสำหรับตัวต้านทาน (เช่นคุณไม่ต้องการใช้ตัวต้านทานความแม่นยำสำหรับ R₁ เท่ากับ 10^-4 โอห์ม!)

แม้ว่าไม่จำเป็นสำหรับการออกแบบโดยใช้ op-amps ในอุดมคติ แต่เราจะใช้ข้อ จำกัด การออกแบบที่สำคัญสำหรับ op-amps ที่ไม่เหมาะ สำหรับ op-amp ที่ไม่กลับด้านความต้านทานของ Thevenin มองย้อนกลับไปจากอินพุต inverting นั้นมักจะเท่ากับการมองย้อนกลับจากอินพุตที่ไม่กลับหัว สำหรับการกำหนดค่าที่แสดงในรูปที่ (14) ข้อ จำกัด นี้สามารถแสดงได้ดังนี้:

(34)

ความเท่าเทียมกันครั้งสุดท้ายเป็นผลมาจากคำจำกัดความของ R_A จากสมการ (32) การแทนที่ผลลัพธ์นี้เป็นสมการ (31) ทำให้ได้ข้อ จำกัด

(35)

(36)

การแทนที่ผลลัพธ์นี้เป็นสมการ (33) ทำให้ได้ชุดสมการอย่างง่าย

(37)

การรวมกันของสมการ (34) และสมการ (37) ทำให้เรามีข้อมูลที่จำเป็นในการออกแบบวงจร เราเลือกค่า R_F จากนั้นแก้ไขหาตัวต้านทานอินพุตต่าง ๆ โดยใช้สมการ (37) หากค่าของตัวต้านทานไม่ได้อยู่ในช่วงการใช้งานจริงเราจะย้อนกลับไปและเปลี่ยนค่าของตัวต้านทานความคิดเห็น เมื่อเราแก้ปัญหาสำหรับตัวต้านทานอินพุตแล้วเราใช้ Equation (34) เพื่อบังคับให้ค่าความต้านทานเท่ากับการมองย้อนกลับจากอินพุต op-amp สองตัว เราเลือกค่าของ R_x และ R_y เพื่อบังคับให้เกิดความเท่าเทียมกันนี้ ในขณะที่สมการ (34) และ (37) มีข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการออกแบบการพิจารณาที่สำคัญประการหนึ่งคือการรวมตัวต้านทานระหว่างอินพุตของ op-amp และกราวด์ (R_x และ R_y) วิธีแก้ปัญหาอาจต้องการการวนซ้ำเพื่อรับค่าที่มีความหมาย (เช่นคุณอาจดำเนินการแก้ปัญหาหนึ่งครั้งและเกิดขึ้นกับค่าความต้านทานติดลบ) ด้วยเหตุผลนี้เราจึงนำเสนอขั้นตอนเชิงตัวเลขซึ่งทำให้การคำนวณง่ายขึ้น^[1]

สมการ (34) สามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้:

(38)

การแทนสมการ (37) เป็นสมการ (38) ที่เราได้รับ

(39)

จำได้ว่าเป้าหมายของเราคือการแก้ปัญหาค่าตัวต้านทานในแง่ของ X_i และ Y_j_.ให้เรากำหนดเงื่อนไขการสรุปดังนี้:

(40)

จากนั้นเราสามารถเขียนสมการใหม่ (39) ดังนี้

(41)

นี่คือจุดเริ่มต้นสำหรับขั้นตอนการออกแบบของเรา จำได้ว่า R_x และ R_y เป็นตัวต้านทานระหว่างกราวด์กับอินพุตที่ไม่กลับด้านและกลับด้านตามลำดับ ตัวต้านทานแบบป้อนกลับจะแสดง R_F และคำศัพท์ใหม่ Zถูกกำหนดให้เป็น

(42)

Table (1) - การออกแบบเครื่องขยายเสียง

เราสามารถกำจัดตัวต้านทานอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง R_x และ R_y, จากวงจรของรูปที่ (14) นั่นคือตัวต้านทานเหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างสามารถตั้งค่าเป็นอินฟินิตี้ (เช่นเปิดวงจร) สิ่งนี้ให้ความเป็นไปได้ในการออกแบบสามประการ ขึ้นอยู่กับปัจจัยการคูณที่ต้องการที่เกี่ยวข้องกับผลลัพธ์ไปยังอินพุตหนึ่งในกรณีเหล่านี้จะให้ผลการออกแบบที่เหมาะสม ผลลัพธ์สรุปได้ในตาราง (1)

การออกแบบวงจรด้วย TINA และ TINACloud

มีเครื่องมือหลายอย่างใน TINA และ TINACloud สำหรับแอมพลิฟายเออร์และการออกแบบวงจร

การเพิ่มประสิทธิภาพ

TINAพารามิเตอร์วงจรที่ไม่รู้จักโหมดการเพิ่มประสิทธิภาพสามารถกำหนดได้โดยอัตโนมัติเพื่อให้เครือข่ายสามารถสร้างค่าเอาต์พุตเป้าหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้าต่ำสุดหรือสูงสุด การเพิ่มประสิทธิภาพมีประโยชน์ไม่เพียง แต่ในการออกแบบวงจรเท่านั้น แต่ยังใช้ในการสอนเพื่อสร้างตัวอย่างและปัญหา โปรดทราบว่าเครื่องมือนี้ไม่เพียง แต่ใช้งานได้กับออปแอมป์และวงจรเชิงเส้นในอุดมคติเท่านั้น แต่สำหรับวงจรที่ไม่เชิงเส้นที่มีอุปกรณ์รุ่นที่ไม่ใช่เชิงเส้นจริงและรุ่นอื่น ๆ

พิจารณาวงจรขยายกลับด้านด้วย OPA350 ของแอมพลิฟายเออร์ตัวจริง

โดยการตั้งค่าเริ่มต้นของวงจรนี้แรงดันเอาต์พุตของวงจรคือ 2.5

คุณสามารถตรวจสอบสิ่งนี้ได้อย่างง่ายดายโดยกดปุ่ม DC ใน TINACloud

ใบสมัคร

วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้โดยใช้เครื่องจำลองวงจรออนไลน์ TINACloud เพื่อหาค่า V_ออก ในแง่ของแรงดันไฟฟ้าอินพุตโดยคลิกที่ลิงค์ด้านล่าง

OPA350 Circuit Simulation พร้อม TINACloud

OPA350 Circuit Simulation พร้อม TINACloud

ทีนี้สมมติว่าเราต้องการตั้งค่าแรงดันไฟฟ้านี้โดยการเปลี่ยนแรงดัน Vref ในการออกแบบวงจร

หากต้องการเตรียมสิ่งนี้เราควรเลือกเป้าหมาย Out = 3V และพารามิเตอร์ของวงจรที่จะพิจารณา (Object Optimization) Vref สำหรับวัตถุนี้เราควรกำหนดภูมิภาคซึ่งช่วยในการค้นหา แต่ยังแสดงถึงข้อ จำกัด

ในการเลือกและตั้งค่าเป้าหมายการเพิ่มประสิทธิภาพใน TINACloud ให้คลิก Vout Voltage pin แล้วตั้งค่าเป้าหมายการเพิ่มประสิทธิภาพเป็นใช่

ถัดไปคลิกปุ่ม…ในบรรทัดเดียวกันและตั้งค่าเป็น 3

กดตกลงในแต่ละกล่องโต้ตอบเพื่อสิ้นสุดการตั้งค่า

ตอนนี้เรามาเลือกและตั้งค่า Vref Optimization Object

คลิก Vref จากนั้นปุ่ม ... ในบรรทัดเดียวกัน

เลือกการเพิ่มประสิทธิภาพวัตถุในรายการด้านบนและตั้งค่าการเพิ่มประสิทธิภาพ / วัตถุกล่องกาเครื่องหมาย

กดตกลงในกล่องโต้ตอบทั้งสอง

หากการตั้งค่าการเพิ่มประสิทธิภาพสำเร็จคุณจะเห็น >> ลงชื่อออกที่ Out และ << เข้าสู่ระบบ Vref ดังที่แสดงด้านล่าง

ตอนนี้เลือกการเพิ่มประสิทธิภาพจากเมนูการวิเคราะห์และกด RUN ในกล่องโต้ตอบการเพิ่มประสิทธิภาพ

หลังจากเสร็จสิ้นการหาค่า Vref ที่พบแล้วค่าที่เหมาะสมจะแสดงในกล่องโต้ตอบ DC Optimization

คุณสามารถศึกษาการตั้งค่าและเรียกใช้การปรับให้เหมาะสมแบบออนไลน์และตรวจสอบโดยการจำลองวงจรโดยใช้ลิงก์ด้านล่าง
เรียกใช้การปรับให้เหมาะสมจากเมนูการวิเคราะห์จากนั้นกดปุ่ม DC เพื่อดูผลลัพธ์ในวงจรที่ปรับให้เหมาะสม (3V)

การเพิ่มประสิทธิภาพออนไลน์และการจำลองวงจรด้วย TINACloud

โปรดทราบว่าในเวลานี้ใน TINACloud จะมีการเพิ่มประสิทธิภาพ DC อย่างง่ายเท่านั้น คุณลักษณะการปรับให้เหมาะสมเพิ่มเติมจะรวมอยู่ใน TINA เวอร์ชันออฟไลน์

การเพิ่มประสิทธิภาพ AC

การใช้ TINA รุ่นออฟไลน์คุณสามารถปรับและออกแบบวงจร AC ได้เช่นกัน

เปิด MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC วงจร low-pass จาก ตัวอย่าง \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro โฟลเดอร์ของ TINA, แสดงด้านล่าง.

เรียกใช้การวิเคราะห์ AC / ลักษณะการโอน AC

แผนภาพต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น:

วงจรมีความเป็นเอกภาพ (0dB) เกนและความถี่คัตออฟ 1.45kHz

ทีนี้เรามาออกแบบวงจรใหม่โดยใช้ AC Optimization และ ตั้งค่าความถี่ต่ำ Gain เป็น 6dB และความถี่ Cutoff เป็น 900Hz

หมายเหตุ โดยปกติเครื่องมือการปรับให้เหมาะสมจะใช้งานได้สำหรับการเปลี่ยนแปลงเท่านั้น ในกรณีของตัวกรองคุณอาจต้องการใช้เครื่องมือออกแบบตัวกรอง เราจะจัดการกับหัวข้อนั้นในภายหลัง

ตอนนี้การใช้การเพิ่มประสิทธิภาพกำไรและความถี่ตัดเป็นเป้าหมายการเพิ่มประสิทธิภาพ

คลิกไอคอน "เลือกเป้าหมายการเพิ่มประสิทธิภาพ" บนแถบเครื่องมือหรือบนเมนูการวิเคราะห์ "เลือกเป้าหมายการเพิ่มประสิทธิภาพ"

เคอร์เซอร์จะเปลี่ยนเป็นไอคอน: . คลิกที่ Vout Voltage pin พร้อมด้วยสัญลักษณ์เคอร์เซอร์ใหม่

ข้อความต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น:

คลิกปุ่มฟังก์ชันเป้าหมาย AC ข้อความต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น:

เลือกช่องทำเครื่องหมาย Low Pass และตั้งค่าความถี่ตัดเป้าหมายเป็น 900. ตอนนี้เลือกช่องทำเครื่องหมายสูงสุดและตั้งค่าเป้าหมายเป็น 6.

จากนั้นเลือกพารามิเตอร์ของวงจรที่คุณต้องการเปลี่ยนเพื่อไปยังเป้าหมายการปรับให้เหมาะสม

คลิก สัญลักษณ์หรือเลือกวัตถุควบคุมบรรทัดบนเมนูการวิเคราะห์

เคอร์เซอร์จะเปลี่ยนเป็นสัญลักษณ์ด้านบน คลิกตัวเก็บประจุ C1 ด้วยเคอร์เซอร์ใหม่นี้ ข้อความต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น:

กดปุ่มเลือก ข้อความต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น:

โปรแกรมจะตั้งช่วงโดยอัตโนมัติ (ข้อ จำกัด ) ซึ่งจะค้นหาค่าที่เหมาะสม สิ้นสุดค่าเป็น 20n ตามที่แสดงด้านบน

ทำซ้ำขั้นตอนเดียวกันสำหรับ R2 ตั้งค่า End เป็น 20k

หลังจากเสร็จสิ้นการตั้งค่าการเพิ่มประสิทธิภาพให้เลือกการเพิ่มประสิทธิภาพ / การเพิ่มประสิทธิภาพ AC (การถ่ายโอน) จากเมนูการวิเคราะห์

ข้อความต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น:

ยอมรับการตั้งค่าเริ่มต้นโดยกดตกลง

หลังจากการคำนวณสั้น ๆ จะพบค่าที่เหมาะสมที่สุดและพารามิเตอร์ส่วนประกอบที่เปลี่ยนแปลงปรากฏขึ้น:

สุดท้ายตรวจสอบผลลัพธ์ด้วยการจำลองวงจรที่รันการวิเคราะห์ AC / ลักษณะการโอน AC

ดังที่แสดงในแผนภาพถึงค่าเป้าหมาย (รับ 6db, ความถี่ตัดออก 900Hz) แล้ว

การใช้เครื่องมือออกแบบวงจรใน TINA และ TINACloud

วิธีการอีกวิธีในการออกแบบวงจรใน TINA และ TINAcloud คือการใช้เครื่องมือที่สร้างขึ้นเป็นเครื่องมือออกแบบวงจรที่เรียกว่าเพียงแค่เครื่องมือออกแบบ

เครื่องมือออกแบบทำงานร่วมกับสมการการออกแบบของวงจรของคุณเพื่อให้แน่ใจว่าอินพุตที่ระบุส่งผลให้เกิดการตอบสนองเอาต์พุตที่ระบุ เครื่องมือต้องการให้คุณใช้คำสั่งอินพุตและเอาต์พุตและความสัมพันธ์ระหว่างค่าส่วนประกอบ เครื่องมือนี้นำเสนอเอ็นจิ้นโซลูชันที่คุณสามารถใช้เพื่อแก้ปัญหาซ้ำ ๆ และถูกต้องสำหรับสถานการณ์ต่างๆ ค่าองค์ประกอบที่คำนวณจะถูกตั้งค่าโดยอัตโนมัติในแผนผังและคุณสามารถตรวจสอบผลลัพธ์โดยการจำลอง

ลองออกแบบวงจรขยาย AC ของวงจรเดียวกันโดยใช้เครื่องมือออกแบบวงจรของเรา

เปิดวงจรจากโฟลเดอร์เครื่องมือออกแบบของ TINACloud หน้าจอต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น