5. Praktikal na Op-amps

CURRENT - 5. Mga Praktikal na Op-amp

GANAP- 4. Mga pagtutukoy ng mga gumawa

SUSUNOD- 6. Computer simulation op-amp circuits

Praktikal na Op-amps

Ang mga praktikal na Op-amp ay tinatantya ang kanilang tamang-tama ang mga katapat ngunit naiiba sa ilang mahahalagang respeto. Mahalaga para sa circuit designer na maunawaan ang mga pagkakaiba sa pagitan ng mga aktwal na op-amps at mga ideal na op-amps, dahil ang mga pagkakaiba ay maaaring makaapekto sa pagganap ng circuit.

Ang aming layunin ay upang bumuo ng isang detalyadong modelo ng praktikal na op-amp - isang modelo na isinasaalang-alang ang mga pinaka makabuluhang katangian ng di-perpektong aparato. Nagsisimula kami sa pamamagitan ng pagtukoy sa mga parameter na ginamit upang ilarawan ang mga praktikal na op-amp. Ang mga parameter na ito ay tinukoy sa mga listahan sa mga sheet ng data na ibinibigay ng gumagawa ng op-amp.

Inililista ng Table 1 ang mga parameter ng parameter para sa tatlong partikular na op-amps, ang isa sa tatlong ay ang μA741. Ginagamit namin ang ľA741 operational amplifiers sa marami sa mga halimbawa at end-of-chapter na mga problema para sa mga sumusunod na dahilan: (1) na sila ay gawa-gawa ng maraming mga tagagawa ng IC, (2) ang mga ito ay natagpuan sa mahusay na dami sa buong industriya ng electronics, at ( 3) ang mga ito ay pangkalahatang-layunin na mga bayad sa panloob na bayad, at ang kanilang mga katangian ay maaaring gamitin bilang reference para sa mga layunin ng paghahambing kapag nakikitungo sa iba pang mga uri ng op-amp. Habang tinutukoy ang iba't ibang mga parameter sa mga sumusunod na seksyon, ang sanggunian ay dapat gawin sa Table 9.1 upang makahanap ng mga tipikal na halaga.

Talahanayan 1 - Mga halaga ng Parameter para sa mga op-amp

Ang pinaka-makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng mga ideal at aktwal na op-amps ay nasa boltahe na nakuha. Ang ideal na op-amp ay may pakinabang na boltahe na lumalapit sa kawalang-hanggan. Ang aktwal na op-amp ay may limitadong pagtaas ng boltahe na bumababa habang dumadami ang dalas (masusumpungan namin ito nang detalyado sa susunod na kabanata).

5.1 Open-Loop Voltage Gain (G)

Ang bukas-loop na boltahe makakuha ng isang op-amp ay ang ratio ng pagbabago sa output boltahe sa isang pagbabago sa boltahe input nang walang feedback. Pagkamit ng boltahe ay isang sukat ng dimensyon. Ang simbolo G ay ginagamit upang ipahiwatig ang bukas-loop na boltahe makakuha. Ang mga op-amps ay may mataas na boltahe na nakuha para sa mga low-frequency na input. Nilista ng op-amp ang boltahe sa bolta sa bawat millivolt o sa decibels (dB) [na tinukoy bilang 20log₁₀(v_Palabas/v_in)].

5.2 Modified Op-amp Model 

Ang Figure 14 ay nagpapakita ng binagong bersyon ng idealized op-amp na modelo. Binago namin ang idealized na modelo sa pamamagitan ng pagdaragdag ng paglaban sa input (R_i), output resistance (R_o), at common-mode resistance (R_cm).

Figure 14 - Modified op-amp model

Ang karaniwang mga halaga ng mga parameter na ito (para sa 741 op-amp) ay

Isinasaalang-alang na natin ngayon ang circuit ng Figure 15 upang masuri ang pagganap ng op-amp. Ang inverting at non-inverting inputs ng op-amp ay hinihimok ng mga mapagkukunan na may serye pagtutol. Ang output ng op-amp ay fed pabalik sa input sa pamamagitan ng isang risistor, R_F.

Ang mga mapagkukunang nagmamaneho ng dalawang input ay ipinahiwatig v_A at v₁, at ang mga kaugnay na resistances serye ay R_A at R₁. Kung ang input circuitry ay mas kumplikado, ang mga resistances ay maaaring isinasaalang-alang bilang Thevenin katumbas ng na circuitry.

Figure 15 - Op-amp circuit

5.3 Input Offset Voltage (V_io)

Kapag ang input boltahe sa isang perpektong op-amp ay zero, ang output boltahe ay zero din. Ito ay hindi totoo para sa aktwal na op-amp. Ang input offset boltahe, V_io, ay tinukoy bilang kaugalian boltahe ng pag-input na kinakailangan upang gawin ang output voltage na katumbas ng zero. V_io ay zero para sa perpektong op-amp. Isang tipikal na halaga ng V_io para sa 741 op-amp ay 2 mV. Isang di-zero na halaga ng V_io ay hindi kanais-nais dahil ang op-amp ay nagpapalaki ng anumang input na offset, kaya nagiging sanhi ng isang mas malaking output dc error.

Ang mga sumusunod na pamamaraan ay maaaring gamitin upang masukat ang input ng boltahe ng offset. Sa halip na iiba ang input boltahe upang pilitin ang output sa zero, ang input ay nakatakda katumbas ng zero, tulad ng ipinapakita sa Figure 16, at ang output boltahe ay sinusukat.

Figure 16 - Pamamaraan para sa pagsukat ng Vio

Ang boltahe ng output na nagreresulta mula sa zero input boltahe ay kilala bilang ang output dc offset boltahe. Ang input offset boltahe ay nakuha sa pamamagitan ng paghahati ng dami na ito sa pamamagitan ng open-loop gain ng op-amp.

Ang mga epekto ng input offset boltahe ay maaaring isama sa modelo ng op-amp tulad ng ipinapakita sa Figure 17.

Bilang karagdagan sa pagsasama ng input ng boltahe ng offset, ang ideal na op-amp na modelo ay higit na nabago kasama ang pagdaragdag ng apat na resistances. R_o ay ang output paglaban. ang input paglaban ng op-amp, R_i, ay sinusukat sa pagitan ng mga inverting at non-inverting terminals. Ang modelo ay naglalaman din ng isang risistor sa pagkonekta sa bawat isa sa dalawang input sa lupa.

Ito ang mga karaniwang-mode resistances, at ang bawat isa ay katumbas ng 2R_cm. Kung ang input ay konektado magkasama tulad ng sa Figure 16, ang dalawang mga resistors ay kahanay, at ang pinagsamang Thevenin paglaban sa lupa ay R_cm. Kung ang op-amp ay perpekto, R_i at R_cm diskarte infinity (ibig sabihin, bukas circuit) at R_o ay zero (ibig sabihin, maikling circuit).

Figure 17 - Input offset boltahe

Ang panlabas na configuration na ipinapakita sa Figure 18 (a) ay maaaring magamit upang kontrahin ang mga epekto ng offset boltahe. Ang variable boltahe ay inilapat sa inverting input terminal. Ang tamang pagpili ng boltahe na ito ay maaaring mag-alis sa input ng offset. Katulad nito, ang Figure 18 (b) ay naglalarawan ng balancing na ito na inilalapat sa non-inverting input.

Figure 18 - Offset boltahe balancing

APLIKASYON

Maaari mong subukan ang Input Offset Voltage Balancing ng 18 (a) na circuit sa pamamagitan ng simulation sa online gamit ang TINACloud Circuit Simulator sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (a) na may TINACloud

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (a) na may TINACloud

APLIKASYON

Maaari mong subukan ang Input Offset Balancing ng 18 (b) circuit sa pamamagitan ng simulation online gamit ang TINACloud Circuit Simulator sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba:

Input Offset Voltage Balancing Circuit Simulation (b) na may TINACloud

Input Offset Balancing Circuit Simulation (b) na may TINACloud

5.4 Input Bias Current (I_Pagkiling)

Kahit na ang mga ideal na op-amp na input ay walang kasalukuyang, ang mga aktwal na op-am ay nagpapahintulot sa ilang mga kasalukuyang bias na ipasok ang bawat input terminal. I_Pagkiling ay ang dc kasalukuyang sa input transistor, at isang tipikal na halaga ay 2 μA. Kapag ang mapagkukunan impedance ay mababa, I_Pagkiling ay may maliit na epekto, dahil ito ay nagiging sanhi ng isang maliit na pagbabago sa input boltahe. Gayunpaman, may mataas na impedance na nagmamaneho ng mga circuits, ang isang maliit na kasalukuyang maaaring humantong sa isang malaking boltahe.

Ang kasalukuyang bias ay maaaring ma-modeled bilang dalawang kasalukuyang sinks, tulad ng ipinapakita sa Figure 19.

Figure 19 - Offset boltahe balancing

Ang mga halaga ng mga lababo ay hindi nakabatay sa pinagmulan ng impedance. Ang bias kasalukuyang ay tinukoy bilang ang average na halaga ng dalawang kasalukuyang sinks. Kaya naman

(40)

Ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang halaga ng lababo ay kilala bilang input offset kasalukuyang, I_io, at ibinigay ng

(41)

Ang parehong input-bias kasalukuyang at ang input ng kasalukuyang offset ay depende sa temperatura. Ang input bias kasalukuyang temperatura koepisyent ay tinukoy bilang ang ratio ng pagbabago sa bias kasalukuyang upang baguhin sa temperatura. Ang karaniwang halaga ay 10 nA /^oC. Ang input offset kasalukuyang temperatura koepisyent ay tinukoy bilang ang ratio ng pagbabago sa magnitude ng kasalukuyang offset sa pagbabago sa temperatura. Ang karaniwang halaga ay -2nA /^oC.

Figure 20 - Input bias kasalukuyang modelo

Ang mga input bias currents ay isinasama sa modelo ng op-amp ng Figure 20, kung saan ipinapalagay namin na ang input ng kasalukuyang offset ay bale-wala.

Iyon ay,

Figure 21 (a) - Ang circuit

Sinusuri namin ang modelong ito upang mahanap ang output boltahe na dulot ng mga input bias na alon.

Ang Figure 21 (a) ay nagpapakita ng isang op-amp na circuit kung saan ang inverting at non-inverting input ay konektado sa lupa sa pamamagitan ng resistances.

Ang circuit ay pinalitan ng katumbas nito sa Figure 21 (b), kung saan namin napabayaan V_io. Higit pang pasimplehin ang circuit sa Figure 21 (c) sa pamamagitan ng neglecting R_o at R_magkarga. Iyon ay, ipinapalagay namin R_F >> R_o at R_magkarga >> R_o. Karaniwang tinitiyak ng mga kinakailangan sa pag-load ng output na ang mga inequalidad na ito ay natutugunan.

Ang circuit ay karagdagang pinasimple sa Figure 21 (d) kung saan ang serye na kumbinasyon ng pinagmumulan boltahe pinagmulan at risistor ay pinalitan ng isang kahilera kumbinasyon ng isang umaasa kasalukuyang pinagmulan at risistor.

Sa wakas, pinagsasama namin ang mga resistances at palitan ang parehong mga kasalukuyang pinagkukunan pabalik sa mga mapagkukunan ng boltahe upang makuha ang pinasimple na katumbas ng Figure 21 (e).

Figure 21 (b) at (c) - Mga epekto sa bias ng input

Gumagamit kami ng equation ng loop upang mahanap ang boltahe ng output.

(43)

saan

(44)

Ang karaniwang paglaban sa mode, R_cm, ay nasa hanay ng ilang daang megohms para sa karamihan sa mga op-amps. Samakatuwid

(45)

Kung ipagpalagay pa natin iyan G_o ay malaki, Equation (43) ay nagiging equation.

(46)

Figure 21 (d) at (e) - Mga epekto ng bias ng pag-input

Tandaan na kung ang halaga ng R₁ ay pinili upang maging katumbas ng, at pagkatapos ay ang output boltahe ay zero. Napagpasyahan namin mula sa pagtatasa na ito na dc paglaban mula sa V₊ sa lupa ay dapat pantay-pantay ang dc paglaban mula sa V_- sa lupa. Ginagamit namin ito balanse ng bias pagpilit maraming beses sa aming mga disenyo. Mahalaga na ang parehong mga inverting at non-inverting terminals ay may a dc landas sa lupa upang mabawasan ang mga epekto ng kasalukuyang input bias.

Larawan 22 - Mga pagsasaayos para sa Halimbawa 1

Halimbawa 1

Hanapin ang boltahe ng output para sa mga pagsasaayos ng Figure 22 kung saan I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
solusyon: Ginagamit namin ang pinasimple form ng Equation (46) upang mahanap ang output voltages para sa circuit ng Figure 22 (a).

Para sa circuit ng Figure 22 (b), makuha namin

APLIKASYON

Gayundin, maaari mong isagawa ang mga kalkulasyon na ito gamit ang TINACloud circuit simulator, gamit ang tool Interpreter nito sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.

Magpasok ng Bias Kasalukuyang Modeling Circuit Simulation na may TINACloud

Magpasok ng Bias Kasalukuyang Modeling Circuit Simulation na may TINACloud

5.5 Karaniwang-Mode Pagtanggi

Ang op-amp ay karaniwang ginagamit upang palakasin ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang mga voltages ng input. Samakatuwid ito ay nagpapatakbo sa kaugalian mode. Ang isang pare-pareho na boltahe na idinagdag sa bawat isa sa dalawang mga input na ito ay hindi dapat makaapekto sa pagkakaiba at samakatuwid ay hindi dapat ilipat sa output. Sa praktikal na kaso, ang pare-pareho, o average na halaga ng mga input ang makakaapekto sa output boltahe. Kung isaalang-alang lamang natin ang pantay na bahagi ng dalawang input, isinasaalang-alang natin kung ano ang kilala bilang karaniwang mode.

Figure 23 - Karaniwang mode

Ipagpalagay natin na ang dalawang input terminal ng isang aktwal na op-amp ay nakakonekta magkasama at pagkatapos ay sa isang pangkaraniwang source boltahe. Ito ay inilalarawan sa Figure 23. Ang output boltahe ay magiging zero sa perpektong kaso. Sa praktikal na kaso, ang output na ito ay di-zero. Ang ratio ng non-zero na output boltahe sa inilapat na boltahe input ay ang karaniwang-mode boltahe makakuha, G_cm. ang karaniwang-mode na ratio ng pagtanggi (CMRR) ay tinukoy bilang ang ratio ng dc bukas-loop na makakuha, G_o, sa pangkaraniwang pakinabang ng mode. Kaya,

(47)

Ang karaniwang mga halaga ng saklaw ng CMRR mula sa 80 hanggang 100 db. Ito ay kanais-nais na magkaroon ng CMRR bilang mataas hangga't maaari.

5.6 Power Supply Rejection Ratio

Ang ratio ng pagtanggi ng supply ng kuryente ay isang sukatan ng kakayahan ng op-amp na balewalain ang mga pagbabago sa boltahe ng suplay ng kuryente. Kung ang output yugto ng isang sistema ay nakakakuha ng isang variable na halaga ng kasalukuyang, ang supply boltahe ay maaaring mag-iba. Ang load-sapilitan na pagbabago sa supply boltahe ay maaaring pagkatapos ay maging sanhi ng mga pagbabago sa pagpapatakbo ng iba pang mga amplifiers na nagbabahagi ng parehong supply. Ito ay kilala bilang cross-talk, at maaari itong humantong sa kawalang-tatag.

Ang ratio ng pagtanggi ng supply ng kapangyarihan (PSRR) ay ang ratio ng pagbabago sa v_Palabas sa kabuuang pagbabago sa boltahe ng suplay ng kuryente. Halimbawa, kung ang positibo at negatibong mga panustos ay magkakaiba mula sa ± 5 V hanggang ± 5.5 V, ang kabuuang pagbabago ay 11 - 10 = 1 V. Ang PSRR ay karaniwang tinukoy sa mga microvolts bawat volt o kung minsan sa mga decibel. Ang mga tipikal na op-amp ay mayroong PSRR na humigit-kumulang 30 μV / V.

Upang mabawasan ang mga pagbabago sa boltahe ng supply, ang supply ng kuryente para sa bawat pangkat ng mga op-am ay dapat decoupled (ibig sabihin, nakahiwalay) mula sa mga iba pang mga grupo. Tinatakda nito ang pakikipag-ugnayan sa isang grupo ng op-amps. Sa pagsasagawa, ang bawat naka-print na circuit card ay dapat magkaroon ng mga linya ng supply na na-bypass sa lupa sa pamamagitan ng isang 0.1-μF ceramic o 1-μF tantalum kapasitor. Tinitiyak nito na ang mga pagkakaiba-iba ng pag-load ay hindi makakapagbigay nang malaki sa suplay sa iba pang mga card.

5.7 Output Resistance

Bilang isang unang hakbang sa pagtukoy ng paglaban ng output, R_Palabas, matatagpuan namin ang katumbas ng Thevenin para sa bahagi ng circuit ng op-amp na ipinapakita sa kahon na nakalakip sa mga linya ng dashed sa Figure 24. Tandaan na binabalewala namin ang kasalukuyang balanse at boltahe sa pagtatasa na ito.

(24)

Dahil ang circuit ay hindi naglalaman ng mga independiyenteng mapagkukunan, ang katumbas na boltahe ng Thevenin ay zero, kaya ang circuit ay katumbas ng iisang risistor. Ang halaga ng risistor ay hindi matagpuan gamit ang mga kumbinasyon ng risistor. Upang hanapin ang katumbas na paglaban, ipagpalagay na ang isang mapagkukunan ng boltahe, v, ay inilapat sa mga lead output. Kalkulahin namin pagkatapos ang nagresultang kasalukuyang, i, at kunin ang ratio v/i. Nagbubunga ito ng pagtutol ng Thevenin.

Larawan 25 (bahagi a) - Mga katumbas na circuit ng Thevenin

Figure 25 (bahagi b)

 

 

 

 

 

 

 

Ang Figure 25 (a) ay naglalarawan ng inilalapat na boltahe na pinagmulan. Ang circuit ay pinasimple sa na ipinapakita sa Figure 25 (b).

Ang circuit ay maaaring karagdagang nabawasan sa na ipinapakita sa Figure 25 (c), kung saan namin tukuyin ang dalawang bagong resistances tulad ng sumusunod:

(48)

Ginagawa natin ang palagay na iyon R '_A << (R '₁ + R_i) At R_i >> R '₁. Ang pinasimple circuit ng Figure 25 (d) na mga resulta.

Ang input boltahe kaugalian, v_d, ay natagpuan mula sa pinadaling circuit gamit ang boltahe divider ratio.

(49)

Upang mahanap ang paglaban ng output, sinisimulan namin ang pagsusulat ng equation ng output loop.

(50)

Larawan 25 (mga bahagi c at d) - Nabawasan ang Thevenin na katumbas na mga circuit

Ang paglaban ng output ay ibinigay pagkatapos ng Equation (51).

(51)

Sa karamihan ng mga kaso, R_cm Napakalaking iyon R '_A»R_A at R₁'»R₁. Ang equation (51) ay maaaring pinadali gamit ang zero-frequency gain ng boltahe, G_o. Ang resulta ay Equation (52).

(52)

APLIKASYON

Maaari mong kalkulahin ang Output Impedance ng circuit 25 (a) na may circuit simulation gamit ang TINACloud Circuit Simulator sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.

Output Impedance ng isang Opamp Circuit Simulation na may TINACloud

Output Impedance ng isang Opamp Circuit Simulation na may TINACloud

 

Halimbawa 2

Hanapin ang output impedance ng isang buffer-gain buffer tulad ng ipinapakita sa Figure 26.

Figure 26 - Magkamit ang buffer ng pagkakaisa

 

solusyon:  Kapag ang circuit ng Figure 26 ay inihambing sa feedback circuit ng Figure 24, nakita namin na

Samakatuwid,

Ang equation (51) ay hindi maaaring gamitin, dahil hindi kami sigurado na ang hindi pagkakapareho na humahantong sa pagpapagaan ng Figure 25 (c) ay nalalapat sa kasong ito. Iyon ay, ang pagpapadali ay nangangailangan nito

Kung wala itong pagpapagaan, ang circuit ay tumatagal ng form na ipinapakita sa Figure 27.

Figure 27 - Katumbas na circuit para sa Unity gain buffer

Ang circuit na ito ay sinusuri upang mahanap ang mga sumusunod na relasyon:

Sa una sa mga equation na ito, ipinagpalagay natin iyan R_o<< (R '₁+R_i) << 2R_cm. Ang output resistance ay pagkatapos ay ibinigay ng

Kung saan ginagamit muli ang zero-frequency gain ng boltahe, G_o.

 

GANAP- 4. Mga pagtutukoy ng mga gumawa

SUSUNOD- 6. Computer simulation op-amp circuits