6. Op-Amp Devre Tasarımı
CURRENT - 6. Op-amp Devrelerinin Tasarımı
ÖNCEKİ - 5. Birleşik ters çevirici ve ters çevirici girişler
Op-amp devrelerinin tasarımı
Bir op-amp sisteminin yapılandırması verildiğinde, çözümlemek Bu sistem çıktıları girdiler açısından belirlemek için. Bu analizi daha önce tartışılan prosedürü kullanarak yapıyoruz (bu bölümde).
Şimdi istersen dizayn Hem ters hem de ters çevir girişleri birleştiren bir devre ise sorun daha karmaşıktır. Bir tasarım probleminde, istenen bir lineer denklem verilir ve op-amp devresi tasarlanmalıdır. İşlemsel yükselteç yazının istenen çıkışı, girdilerin doğrusal bir kombinasyonu olarak ifade edilebilir,
(30)
nerede X1, X2 ...Xn Çevirici olmayan girdilerde istenen kazançlar ve Ya, Yb ...Ym ters çevirme girişlerinde istenen kazanımlardır. Denklem (30), Şekil (14) 'un devresiyle uygulanır.
Şekil 14- Çoklu giriş yaz
Bu devre, Şekil devresinin biraz değiştirilmiş bir versiyonudur (13) (Ters çevirme ve ters çevirme girişleri).
Şekil 13 - Ters çevirme ve ters çevirme girişleri
Yaptığımız tek değişiklik op-amp girişleri ile toprak arasına dirençleri dahil etmektir. Topraklama, karşılık gelen rezistöre bağlı ilave sıfır volt girişi olarak görülebilir (Ry ters çevirme girişi ve Rx ters çevirmeyen giriş için). Bu dirençlerin eklenmesi, Denklem (30) dışındakilerin gereksinimlerini karşılama konusunda bize esneklik sağlar. Örneğin, giriş dirençleri belirtilebilir. Bu ek dirençlerin biri veya her ikisi de, değerleri sonsuzluğa bırakılarak çıkarılabilir.
Önceki bölümden gelen Denklem (29), dirençlerin değerlerini gösterir. Ra, Rb, ...Rm ve R1, R2, ...Rn ilgili giriş voltajlarıyla ilişkili istenen kazançlar ile ters orantılıdır. Başka bir deyişle, belirli bir giriş terminalinde büyük bir kazanç isteniyorsa, o zaman o terminaldeki direnç düşüktür.
İşlemsel yükselticinin açık döngü kazandığında, GBüyükse, çıkış gerilimi Denklem (29) ile olduğu gibi işlemsel yükselticiye bağlı dirençler cinsinden yazılabilir. Denklem (31) bu ifadeyi hafif sadeleştirme ve toprağa dirençlerin eklenmesi ile tekrarlar.
(31)
İki eşdeğer rezistansı şu şekilde tanımlarız:
(32)
BAŞVURUSU
V'yi belirlemek için TINACloud kullanarak aşağıdaki devreyi analiz edindışarı Giriş gerilimleri açısından aşağıdaki linke tıklayarak.
TINACloud'dan Çoklu Giriş Yaz Devresi Simülasyonu
TINACloud'dan Çoklu Giriş Yaz Devresi Simülasyonu
Çıkış geriliminin, her girişin ilişkili direncine bölündüğü ve başka bir dirençle çarpıldığı lineer bir girdi birleşimi olduğunu görüyoruz. Çarpma direnci RF girişleri ters çevirmek için ve Req ters olmayan girişler için.
Bu problemdeki bilinmeyenlerin sayısı n + m +3 (yani bilinmeyen direnç değerleri). Bu nedenle geliştirmemiz gerekiyor n + m +Bu bilinmeyenleri çözmek için 3 denklemleri. Formüle edebiliriz n + m, Bu denklemlerin verilen katsayıları Denklem (30) ile eşleştirerek. Yani, Denklemler (30), (31) ve (32) 'ten denklem sistemini aşağıdaki şekilde geliştiriyoruz:
(33)
Üç bilinmeyenimiz olduğundan, üç kısıtlamayı daha da yerine getirme esnekliğine sahibiz. Tipik ek kısıtlamalar, girdi direnci ile ilgili hususları ve dirençler için makul değerlere sahip olmasını içerir (örneğin, aşağıdakiler için hassas bir direnç kullanmak istemeyeceksiniz R1 10'e eşit-4 ohm!).
İdeal op-amp kullanan tasarım için gerekli olmasa da, ideal olmayan op-amp için önemli olan bir tasarım kısıtlaması kullanacağız. Ters çevirmeyen op-amp için, ters çevirme girişinden geriye bakan Thevenin direnci genellikle ters çevirme girişinden geriye bakılana eşit olarak yapılır. Şekilde (14) gösterilen konfigürasyon için, bu kısıtlama aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
(34)
Son eşitlik tanımından kaynaklanıyor RA Denklem (32) 'den. Bu sonucun Denklem (31) ile değiştirilmesi, kısıtı getirir,
(35)
(36)
Bu sonucun Denklem (33) ile değiştirilmesi, basit denklem kümesini verir,
(37)
Denklem (34) ve Denklem (37) kombinasyonları bize devreyi tasarlamak için gerekli bilgileri verir. Değerini seçiyoruz RF ve sonra Denklem (37) kullanarak çeşitli giriş dirençlerini çözün. Dirençlerin değerleri pratik bir aralıkta değilse, geri dönüp geri besleme direncinin değerini değiştiririz. Giriş dirençlerini çözdükten sonra, dirençleri iki op-giriş girişinden geriye eşit görünmeye zorlamak için Denklem (34) kullanıyoruz. Değerlerini seçiyoruz Rx ve Ry bu eşitliği zorlamak için. Denklemler (34) ve (37) tasarım için gerekli bilgileri içerirken, önemli bir husus, dirençlerin op-amp girişleri ile toprak (Rx ve Ry). Çözüm, anlamlı değerler elde etmek için yinelemeler gerektirebilir (yani çözümü bir kez uygulayabilir ve negatif direnç değerleri ile karşılaşabilirsiniz). Bu nedenle, hesaplama miktarını kolaylaştıran sayısal bir prosedür sunuyoruz.[1]
Denklem (34) aşağıdaki gibi yeniden yazılabilir:
(38)
Denklem (37) yerine Denklem (38) elde ettik,
(39)
Hedefimizin direnç değerleri için şu değerleri çözmektir: Xi ve Yj. Toplama terimlerini şu şekilde tanımlayalım:
(40)
Daha sonra Denklemi (39) aşağıdaki gibi yeniden yazabiliriz:
(41)
Bu, tasarım prosedürümüz için bir başlangıç noktasıdır. Hatırlamak Rx ve Ry sırasıyla toprak ve ters çevirmeyen ve ters çeviren girişler arasındaki dirençlerdir. Geri besleme direnci gösterilir RF ve yeni bir terim, Z, olarak tanımlanır
(42)
Masa (1) - Yazma Amplifikatör Tasarımı
Dirençlerden birini veya her ikisini birden ortadan kaldırabiliriz, Rx ve Ry, Şekil devresinden (14). Yani, bu dirençlerin biri veya her ikisi sonsuzluğa ayarlanabilir (yani açık devre). Bu, üç tasarım olanağı sunar. Girdiden çıktıya ilişkin istenen çarpma faktörlerine bağlı olarak, bu durumlardan biri uygun tasarımı sağlayacaktır. Sonuçlar Tablo (1) içinde özetlenmiştir.
TINA ve TINACloud ile devre tasarımı
Operasyonel amplifikatör ve devre tasarımı için TINA ve TINACloud'da birçok araç bulunmaktadır.
Optimizasyon
TINAOptimizasyon Modunun bilinmeyen devre parametreleri, ağın minimum veya maksimum önceden tanımlanmış bir hedef çıkış değeri üretebilmesi için otomatik olarak belirlenebilir. Optimizasyon, sadece devre tasarımında değil, aynı zamanda öğretimde de örnekler ve problemler oluşturmak için yararlıdır. Bu aracın yalnızca ideal op-amp'ler ve doğrusal devre için değil, aynı zamanda gerçek doğrusal olmayan ve diğer cihaz modellerine sahip herhangi bir doğrusal olmayan devre için de çalıştığını unutmayın.
Gerçek bir işlemsel yükselteç olan OPA350 ile ters çevirici yükselteç devresini düşünün.
Bu devrenin varsayılan ayarı ile devrenin çıkış voltajı 2.5'tir.
Bunu, TINACloud'daki DC düğmesine basarak kolayca kontrol edebilirsiniz.
BAŞVURUSU
V'yi belirlemek için TINACloud çevrimiçi devre simülatörünü kullanarak aşağıdaki devreyi analiz edindışarı Giriş gerilimleri açısından aşağıdaki linke tıklayarak.
TINACloud ile OPA350 Devre Simülasyonu
TINACloud ile OPA350 Devre Simülasyonu
Bunu hazırlamak için hedef Out = 3V ve belirlenecek devre parametresini seçmeliyiz (Optimizasyon Nesnesi) Vref. Bu nesne için, aramaya yardımcı olan ancak aynı zamanda kısıtlamaları temsil eden bir bölge de tanımlamalıyız.
TINACloud'da Optimizasyon hedefini seçmek ve ayarlamak için Vout Voltage pinini tıklayın ve Optimizasyon Hedefini Evet olarak ayarlayın.
Daha sonra aynı satırdaki… düğmesine tıklayın ve Değeri 3 olarak ayarlayın.
Ayarları tamamlamak için her iletişim kutusunda Tamam'a basın.
Şimdi Vref Optimizasyon Nesnesini seçip ayarlayalım.
Aynı satırdaki Vref ardından… düğmesini tıklayın
En üstteki listede Optimizasyon Nesnesi'ni seçin ve Optimizasyon / Nesne onay kutusunu işaretleyin.
Her iki iletişim kutusunda da Tamam düğmesine basın.
Optimizasyon ayarları başarılı bir şekilde yapıldıysa, aşağıda gösterildiği gibi Çıkış'ta >> ve Vref'te << işareti göreceksiniz.
Şimdi Analiz menüsünden Optimizasyon'u seçin ve Optimizasyon iletişim kutusunda RUN tuşuna basın.
Optimizasyonu tamamladıktan sonra, bulunan Vref, Optimum Value, DC Optimizasyon iletişim kutusunda gösterilecektir.
Ayarları inceleyebilir, Optimizasyonu çevrimiçi olarak çalıştırabilir ve aşağıdaki bağlantıyı kullanarak Devre Simülasyonunu kontrol edebilirsiniz.
Analiz menüsünden Optimizasyonu çalıştırın, ardından DC düğmesine basın, böylece sonucu Optimize edilmiş devrede (3V) görün.
TINACloud ile Çevrimiçi Optimizasyon ve Devre Simülasyonu
Şu anda TINACloud'da yalnızca basit bir DC optimizasyonunun bulunduğunu unutmayın. Daha fazla optimizasyon özelliği, TINA'nın çevrimdışı sürümünde bulunmaktadır.
AC Optimizasyonu
TINA'nın çevrimdışı sürümünü kullanarak AC devrelerini de optimize edebilir ve yeniden tasarlayabilirsiniz.
MFB 2 ve Sipariş Chebyshev LPF.TSC alçak devre devresini açın. Örnekler \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro TINA klasörü, aşağıda gösterilen.
AC Analysis / AC Transfer Karakteristiğini çalıştırın.
Aşağıdaki şema görünecektir:
Devre birlik (0dB) Kazanç ve 1.45kHz Kesim frekansına sahiptir.
Şimdi devreyi AC Optimizasyon ve düşük frekans Kazancını 6dB'ye ve Kesim frekansını 900Hz'ye ayarlayın.
not normalde optimizasyon aracı sadece değişiklikler için uygulanabilir. Filtreler söz konusu olduğunda filtre tasarımı aracı kullanmak isteyebilirsiniz. Bu konuyla daha sonra ilgileneceğiz.
Şimdi Optimizasyonu kullanarak Kazanç ve Kesim frekansı Optimizasyon hedefleridir.
Araç çubuğundaki veya Analiz menüsündeki "Optimizasyon Hedefini Seç" simgesini tıklayın "Optimizasyon Hedefini Seçin"
İmleç simgeye dönüşür: 
. Yeni imleç sembolüyle Vout Voltage pinine tıklayın.
Aşağıdaki iletişim kutusu görünecektir:
AC Hedef İşlevleri Düğmelerini tıklayın. Aşağıdaki iletişim kutusu görünecektir:
Düşük Geçiş onay kutusunu işaretleyin ve Hedef cut-off sıklığını 900. Şimdi Maksimum onay kutusunu işaretleyin ve Hedefi 6.
Ardından, Optimizasyon hedeflerine ulaşmak için değiştirmek istediğiniz devre parametrelerini seçin.
Tıkla 
Analiz menüsündeki sembolünü veya Kontrol Nesnesini Seç satırını seçin.
İmleç yukarıdaki sembole değişecektir. Bu yeni imleç ile C1 kapasitöre tıklayın. Aşağıdaki iletişim kutusu görünecektir:
Seçme düğmesine basın. Aşağıdaki iletişim kutusu görünecektir:
Program, Optimum değerinin aranacağı bir aralığı otomatik olarak (sınırlama) belirler. Yukarıda gösterildiği gibi 20n için son değer.
Şimdi aynı prosedürü R2 için tekrarlayın. Bitiş değerini 20k olarak ayarlayın.
Optimizasyon ayarını tamamladıktan sonra Analiz menüsünden Optimizasyon / AC Optimizasyon (Aktarma) seçeneğini seçin.
Aşağıdaki iletişim kutusu görünecektir:
OK düğmesine basarak varsayılan ayarları kabul edin.
Kısa bir hesaplamadan sonra, optimum değer bulunur ve değiştirilen bileşen parametreleri görünür:
Sonunda AC Analiz / AC Aktarım Karakteristiğini Çalıştır'ı çalıştıran devre simülasyonuyla sonucu kontrol edin.
Şemada gösterildiği gibi, hedef değerlere (Kazanç 6db, Kesme frekansı 900Hz) ulaşıldı.
TINA ve TINACloud'da Devre Tasarım Aracını Kullanma
TINA ve TINAcloud'da devre tasarımı yönteminin bir başka yöntemi de, basitçe Tasarım Aracı adı verilen Devre Tasarımcısı aracıdır.
Tasarım Aracı, belirtilen girişlerin belirtilen çıkış tepkisi ile sonuçlanmasını sağlamak için devrenizin tasarım denklemleriyle çalışır. Bu araç sizden bir girdi ve çıktı ifadesi ve bileşen değerleri arasındaki ilişkileri gerektirir. Araç, çeşitli senaryolar için tekrarlı ve doğru bir şekilde çözmek için kullanabileceğiniz bir çözüm motoru sunar. Hesaplanan bileşen değerleri otomatik olarak şematik olarak yerinde ayarlanır ve sonucu simülasyonla kontrol edebilirsiniz.
Devre Tasarımcısı aracımızı kullanarak aynı devrenin AC yükseltmesini tasarlayalım.
Devreyi TINACloud'un Tasarım Aracı klasöründen açın. Aşağıdaki ekran görünecektir.
Şimdi AC Analysis / AC Transfer Characteristic'i çalıştıralım.
Aşağıdaki şema görünecektir:
Şimdi birliği kazanması için devreyi yeniden tasarlayalım (0dB)
Bu Devreyi Yeniden Tasarla'yı Araçlar menüsünden çağır
Aşağıdaki iletişim kutusu görünecektir.
Kazancı -1 (0 dB) olarak ayarlayın ve Çalıştır düğmesine basın.
Hesaplanan yeni bileşen değerleri, şematik editörde kırmızı renkle çizilmiş olarak hemen görünecektir.
Kabul Et düğmesine basın.
Değişiklikler sonuçlandırılacak. Yeniden tasarlanan devreyi kontrol etmek için AC Analiz / AC Transfer Karakteristiklerini tekrar çalıştırın.
——————————————————————————————————————————————————— —-
1Bu teknik, Kaliforniya Eyalet Üniversitesi, Long Beach'teki bir öğrenci olan Phil Vrbancic tarafından tasarlandı ve IEEE Bölgesi VI Ödül Kağıt Yarışması'na sunulan bir bildiri sunuldu.