6. Disenyo ng Op-amp Circuits
CURRENT - 6. Disenyo ng mga Op-amp Circuits
PREVIOUS- 5. Pinagsamang inverting at non-inverting inputs
Disenyo ng op-amp circuits
Kapag ang configuration ng isang op-amp na sistema ay ibinigay, maaari naming suriin na sistema upang matukoy ang output sa mga tuntunin ng inputs. Isinasagawa namin ang pagtatasa na ito gamit ang pamamaraang tinalakay nang mas maaga (sa kabanatang ito).
Kung nais mo ngayon disenyo isang circuit na pinagsasama ang parehong inverting at non-inverting input, ang problema ay mas kumplikado. Sa isang problema sa disenyo, ang isang nais na linear equation ay ibinigay, at dapat na dinisenyo ang op-amp circuit. Ang nais na output ng pagpapatakbo amplifier tag-araw ay maaaring ipinahayag bilang isang linear na kumbinasyon ng mga input,
(30)
saan X1, X2 ...Xn ang mga ninanais na mga natamo sa mga di-inverting input at Ya, Yb ...Ym ang nais na mga nadagdag sa mga inverting input. Ang equation (30) ay ipinatupad sa circuit ng Figure (14).
Figure 14- Maramihang pag-input ng tag-init
Ang circuit na ito ay isang bahagyang binagong bersyon ng circuit ng Figure (13) (Inverting at non-inverting inputs).
Figure 13- Inverting at di-inverting input
Ang tanging pagbabago na ginawa namin ay isama ang mga resistors sa pagitan ng mga op-amp na input at lupa. Ang lupa ay maaaring matingnan bilang isang karagdagang input ng zero volts konektado sa pamamagitan ng kaukulang risistor (Ry para sa inverting input at Rx para sa non-inverting input). Ang karagdagan ng mga resistors ay nagbibigay sa amin ng kakayahang umangkop sa pagtugon sa anumang mga kinakailangan na higit sa mga ng Equation (30). Halimbawa, maaaring matukoy ang mga resistances input. Ang alinman o pareho ng mga karagdagang mga resistors ay maaaring alisin sa pamamagitan ng pagpapaalam sa kanilang mga halaga pumunta sa kawalang-hanggan.
Ang equation (29) mula sa nakaraang seksyon ay nagpapakita na ang mga halaga ng resistors, Ra, Rb, ...Rm at R1, R2, ...Rn ay inversely proporsyonal sa ninanais na mga nadagdag na nauugnay sa kani-kanilang mga voltages input. Sa madaling salita, kung ang isang malaking pakinabang ay nais sa isang partikular na input terminal, pagkatapos ay ang paglaban sa terminal na iyon ay maliit.
Kapag ang bukas na loop makakuha ng pagpapatakbo amplifier, G, ay malaki, ang output boltahe ay maaaring nakasulat sa mga tuntunin ng resistors konektado sa pagpapatakbo amplifier tulad ng sa Equation (29). Ang equation (31) ay naulit ang expression na ito na may kaunting pagpapagaan at may pagdaragdag ng resistors sa lupa.
(31)
Tinutukoy namin ang dalawang katumbas na pagtutol bilang mga sumusunod:
(32)
APLIKASYON
Pag-aralan ang sumusunod na circuit gamit ang TINACloud upang matukoy ang VPalabas sa mga tuntunin ng mga voltages ng pag-input sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.
Maramihang Input Summer Circuit Simulation sa pamamagitan ng TINACloud
Maramihang Input Summer Circuit Simulation sa pamamagitan ng TINACloud
Nakita namin na ang output boltahe ay isang linear na kumbinasyon ng mga input kung saan ang bawat input ay hinati sa pamamagitan ng nauugnay na pagtutol at multiplied ng isa pang pagtutol. Ang multiplying resistance ay RF para sa inverting inputs at Req para sa mga di-inverting input.
Ang bilang ng mga hindi alam sa problemang ito ay n + m +3 (ie ang di-kilalang halaga ng risistor). Samakatuwid kailangan naming bumuo n + m +3 equation upang malutas ang mga unknowns na ito. Maaari kaming bumalangkas n + m ng mga equation na ito sa pamamagitan ng pagtutugma sa mga ibinigay na coefficients sa Equation (30). Iyon ay, binubuo lamang namin ang sistema ng mga equation mula sa Equation (30), (31) at (32) tulad ng sumusunod:
(33)
Dahil mayroon kaming tatlong higit pang mga hindi alam, mayroon kaming kakayahang umangkop upang masiyahan ang tatlong higit pang mga limitasyon. Ang karaniwang mga karagdagang limitasyon ay kinabibilangan ng mga pagsasaalang-alang sa paglalagay ng paglaban at pagkakaroon ng makatuwirang mga halaga para sa mga resistor (hal., Hindi mo nais na gumamit ng isang precision resistor para sa R1 katumbas ng 10-4 ohms!).
Kahit na hindi kinakailangan para sa disenyo gamit ang mga ideal na op-amps, gagamitin namin ang isang pagpilit na disenyo na mahalaga para sa mga di-perpektong op-amps. Para sa non-inverting op-amp, ang paglaban ng Thevenin na nakabalik sa input mula sa inverting ay kadalasang ginagawang katumbas ng pagtingin sa likod mula sa di-pagbabalik na input. Para sa pagsasaayos na ipinapakita sa Figure (14), ang pagpilit na ito ay maaaring ipahayag bilang mga sumusunod:
(34)
Ang huling pagkakapantay-pantay ay nagreresulta mula sa kahulugan ng RA mula sa Equation (32). Ang substitusyong resulta na ito sa Equation (31) ay nagbubunga ng pagpigil,
(35)
(36)
Ang pagpapalit ng resultang ito sa Equation (33) ay nagbubunga ng simpleng hanay ng mga equation,
(37)
Ang mga kumbinasyon ng Equation (34) at Equation (37) ay nagbibigay sa amin ng kinakailangang impormasyon upang mag-disenyo ng circuit. Pinipili namin ang isang halaga ng RF at pagkatapos ay malutas para sa iba't ibang mga resistors input gamit Equation (37). Kung ang mga halaga ng resistors ay hindi sa isang praktikal na hanay, bumalik kami at baguhin ang halaga ng feedback risistor. Sa sandaling lutasin natin ang mga resistors input, pagkatapos ay gagamitin natin ang Equation (34) upang pilitin ang resistances upang maging pantay na pagtingin mula sa dalawang input ng op-amp. Pinipili namin ang mga halaga ng Rx at Ry upang pilitin ang pagkakapantay-pantay na ito. Habang ang Mga Equation (34) at (37) naglalaman ng mahahalagang impormasyon para sa disenyo, ang isang mahalagang pagsasaalang-alang ay kung isasama o hindi ang mga resistors sa pagitan ng mga op-amp input at ground (Rx at Ry). Ang solusyon ay maaaring mangailangan ng mga pag-ulit upang makakuha ng makabuluhang halaga (ibig sabihin, maaari mong isagawa ang solusyon isang beses at magkaroon ng mga negatibong mga halaga ng paglaban). Para sa kadahilanang ito, nagpapakita kami ng isang de-numerong pamamaraan na nagpapadali sa dami ng mga kalkulasyon[1]
Ang equation (34) ay maaaring isulat muli bilang mga sumusunod:
(38)
Ang Pagpapalit ng Equation (37) sa Equation (38) na aming makuha,
(39)
Tandaan na ang aming layunin ay upang malutas ang mga halaga ng resistors sa mga tuntunin ng Xi at Yj. Tukuyin natin ang mga termino sa pagbubuod tulad ng sumusunod:
(40)
Maaari naming muling isulat ang Equation (39) tulad ng sumusunod:
(41)
Ito ay isang panimulang punto para sa aming pamamaraan ng disenyo. Alalahanin iyan Rx at Ry ay ang mga resistors sa pagitan ng lupa at ng mga di-pag-invert at pag-invert na input, ayon sa pagkakabanggit. Ang resistor ng puna ay naipahiwatig RF at isang bagong termino, Z, ay tinukoy bilang
(42)
Table (1) -Summing Amplifier Design
Maaari naming alisin ang alinman o pareho ng mga resistors, Rx at Ry, mula sa circuit ng Figure (14). Iyon ay, alinman o pareho ng mga resistors ay maaaring itakda sa infinity (ibig sabihin, bukas-circuited). Nagbubunga ito ng tatlong posibilidad sa disenyo. Depende sa nais na multiply na kadahilanan na may kaugnayan sa output sa input, ang isa sa mga kasong ito ay magbubunga ng naaangkop na disenyo. Ang mga resulta ay summarized sa Table (1).
Ang disenyo ng circuit na may TINA at TINACloud
Mayroong ilang mga tool na magagamit sa TINA at TINACloud para sa operational amplifier at circuit design.
Optimization
TinaAng Mode ng Pag-optimize ng Mode na hindi kilalang mga parameter ng circuit ay maaaring awtomatikong matukoy upang ang network ay maaaring makabuo ng isang paunang natukoy na target na halaga ng output, minimum o maximum. Ang pag-optimize ay kapaki-pakinabang hindi lamang sa disenyo ng circuit, ngunit sa pagtuturo, upang makabuo ng mga halimbawa at problema. Tandaan na ang tool na ito ay gumagana hindi lamang para sa mga perpektong op-amp at linear circuit, ngunit para sa anumang hindi linya na circuit na may totoong hindi linya at iba pang mga modelo ng aparato.
Isaalang-alang ang inverting amplifier circuit na may isang tunay na pagpapatakbo amplifier OPA350.
Sa pamamagitan ng default na setting ng circuit na ito ang boltahe ng output ng circuit ay 2.5
Maaari mong madaling suriin ito sa pamamagitan ng pagpindot sa pindutan ng DC sa TINACloud.
APLIKASYON
Pag-aralan ang sumusunod na circuit gamit ang TINACloud online circuit simulator upang matukoy ang VPalabas sa mga tuntunin ng mga voltages ng pag-input sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.
OPA350 Circuit Simulation na may TINACloud
OPA350 Circuit Simulation na may TINACloud
Kung upang maghanda ito dapat nating piliin ang target na Out = 3V at parameter ng circuit upang matukoy (Optimization Object) Vref. Para sa bagay na ito dapat din nating tukuyin ang isang rehiyon na tumutulong sa paghahanap ngunit kumakatawan din sa mga limitasyon.
Upang piliin at itakda ang target na Optimization sa TINACloud click ang Vout Voltage pin at itakda ang Target sa Pag-optimize sa Oo
Susunod na i-click ang ... button sa parehong linya at itakda ang Halaga sa 3.
Pindutin ang OK sa bawat dialog upang tapusin ang mga setting.
Piliin natin at itakda ang Vref Optimization Object.
I-click ang Vref pagkatapos ay ang ... na pindutan sa parehong linya
Piliin ang Optimization Object sa listahan sa itaas niya at itakda ang checkbox ng Optimization / Object.
Pindutin ang OK sa parehong mga dialog.
Kung matagumpay ang mga setting ng Pag-optimize makikita mo ang isang >> pag-sign sa Out at isang << sign sa Vref tulad ng ipinakita sa ibaba.
Ngayon piliin ang Optimization mula sa menu ng Pagtatasa at pindutin ang TATALA sa kahon ng dialogo sa Pag-optimize.
Matapos makumpleto ang Pag-optimize ang nahanap na Vref, ang Pinakamainam na Halaga, ay ipapakita sa dialog ng DC Optimization
Maaari mong pag-aralan ang mga setting at patakbuhin ang Pag-optimize sa online at suriin sa pamamagitan ng Circuit Simulation gamit ang link sa ibaba.
Patakbuhin ang Optimization mula sa menu ng Pagsusuri pagkatapos ay pindutin ang pindutan ng DC upang makita ang resulta sa Na-optimize na circuit (3V)
Online Optimization at Circuit Simulation na may TINACloud
Tandaan na sa oras na ito sa TINACloud lamang ng isang simpleng DC optimization ay kasama. Ang mas maraming mga tampok sa pag-optimize ay kasama sa offline na bersyon ng TINA.
Pag-optimize ng AC
Gamit ang offline na bersyon ng TINA maaari mong i-optimize at muling idisenyo ang AC circuits pati na rin.
Buksan ang mababang pass ng MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, mula sa Mga halimbawa \ Texas Instrumentong \ Filters_FilterPro na folder ng TINA, na ipinapakita sa ibaba.
Patakbuhin ang AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Lilitaw ang sumusunod na diagram:
Ang circuit ay may pagkakaisa (0dB) Gain at 1.45kHz Cutoff dalas.
Ngayon ay muling idisenyo ang circuit gamit ang AC Optimization at itakda ang mababang frequency na Makapakinabang sa 6dB at ang dalas ng Cutoff sa 900Hz.
nota na karaniwang ang tool sa pag-optimize na naaangkop para sa mga pagbabago lamang. Sa kaso ng mga filter maaaring gusto mong gamitin sa halip ng isang filter na tool sa disenyo. Susubukan naming harapin ang paksang iyon sa ibang pagkakataon.
Ngayon gamit ang Pag-optimize ang Gain at ang dalas ng Cutoff ay ang mga target sa Pag-optimize.
I-click ang icon na "Piliin ang Target na Pag-optimize" sa toolbar o sa menu ng Pagsusuri na "Piliin ang Target na Pag-optimize"
Ang cursor ay magbabago sa icon: 
. I-click ang pin na Vout Voltage gamit ang bagong simbolo ng cursor.
Lilitaw ang sumusunod na dialog:
I-click ang Mga Pindutan sa Pag-andar ng AC Layunin. Lilitaw ang sumusunod na dialog:
Suriin ang checkbox na Mababang Pass at i-set ang dalas ng cut-off na Target 900. Ngayon suriin ang Maximum checkbox at itakda ang Target sa 6.
Susunod na piliin ang mga parameter ng circuit na gusto mong baguhin upang maabot ang mga target na Optimization.
I-click ang 
simbolo o piliin ang Control Object na linya sa menu ng Pagsusuri.
Ang cursor ay magbabago sa simbolo sa itaas. I-click ang capacitor ng C1 gamit ang bagong cursor na ito. Lilitaw ang sumusunod na dialog:
Pindutin ang pindutan ng piliin. Lilitaw ang sumusunod na dialog:
Ang programa ay awtomatikong nagtatakda ng isang saklaw (pagpilit) kung saan ang pinakamainam na halaga ay hahanapin. End value sa 20n tulad ng ipinapakita sa itaas.
Ngayon ulitin ang parehong pamamaraan para sa R2. Itakda ang Halagang halaga sa 20k.
Matapos tapos na ang setup ng Optimization, piliin ang Optimization / AC Optimization (Transfer) mula sa menu ng Pagsusuri.
Lilitaw ang sumusunod na dialog:
Tanggapin ang mga default na setting sa pamamagitan ng pagpindot sa OK.
Matapos ang maikling pagkalkula, ang optimum ay natagpuan at lumilitaw ang mga parameter ng sangkap ay lilitaw:
Sa wakas suriin ang resulta sa circuit simulation na tumatakbo Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Tulad ng ipinapakita sa diagram ang mga target na halaga (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz) na naabot.
Gamit ang Circuit Designer Tool sa TINA at TINACloud
Ang isa pang paraan ng pagdidisenyo ng mga circuits sa TINA at TINAcloud ay gamit ang built Circuit Designer tool na tinatawag na Design Tool.
Ang Disenyo ng Tool ay gumagana sa mga equation ng disenyo ng iyong circuit upang matiyak na ang tinukoy na input ay magreresulta sa tinukoy na output response. Ang kasangkapan ay nangangailangan ng isang pahayag ng mga input at output at ang mga relasyon sa mga halaga ng bahagi. Ang tool ay nagbibigay sa iyo ng isang solusyon engine na maaari mong gamitin upang malutas repetitively at tumpak para sa iba't ibang mga sitwasyon. Ang mga kinakalkula na mga halaga ng bahagi ay awtomatikong naitakda sa lugar sa eskematiko at maaari mong suriin ang resulta sa pamamagitan ng simulation.
Idisenyo ang pagpapalawak ng AC ng parehong circuit gamit ang aming tool sa Circuit Designer.
Buksan ang circuit mula sa folder ng Disenyo ng Tool ng TINACloud. Lilitaw ang sumusunod na screen.
Ngayon ay tumakbo ang AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Lilitaw ang sumusunod na diagram:
Ngayon ay muling idisenyo ang circuit upang magkamit ng pagkakaisa (0dB)
Tawagan ang muling pagdidisenyo ng Circuit na ito mula sa menu ng Mga Tool
Lilitaw ang sumusunod na dialog.
Itakda ang Makakuha sa -1 (0 dB) at pindutin ang pindutan ng Run.
Ang mga kinakalkula na mga bagong halaga ng bahagi ay agad na lilitaw sa eskematiko editor, iguguhit sa pulang kulay.
Pindutin ang pindutang Tanggapin.
Natapos ang mga pagbabago. Patakbuhin muli ang AC Characteristics / AC Transfer upang suriin ang muling idisenyo na circuit.
———————————————————————————————————————————————————— —-
1Ang pamamaraan na ito ay ginawa ng Phil Vrbancic, isang mag-aaral sa California State University, Long Beach, at iniharap sa isang papel na isinumite sa IEEE Rehiyon VI Prize Paper Contest.