Pratik Op-amp - TINA ve TINACloud Kaynakları

Pratik Op-ampler

Pratik Op-amper yaklaşık olarak ideal meslektaşları ancak bazı önemli yönleriyle farklılık gösterir. Devre tasarımcısı için gerçek op-amp ve ideal op-amp arasındaki farkları anlamak önemlidir, çünkü bu farklar devre performansını olumsuz yönde etkileyebilir.

Amacımız, ideal olmayan cihazın en önemli özelliklerini dikkate alan bir model olan pratik op-amp'in ayrıntılı bir modelini geliştirmektir. Pratik op-amp'leri tanımlamak için kullanılan parametreleri tanımlayarak başlıyoruz. Bu parametreler, op-amp üreticisi tarafından sağlanan veri sayfalarındaki listelerde belirtilmiştir.

Tablo 1, üç özel işlem için valuesA741 olan üç özel işlemcinin parametre değerlerini listeler. Aşağıdaki nedenlerden dolayı birçok örnek ve bölüm sonu probleminde μA741 işlemsel yükselteçler kullanıyoruz: (1) birçok IC üreticisi tarafından üretildiler, (2) elektronik endüstrisi boyunca büyük miktarlarda bulundular ve ( 3) bunlar genel amaçlı dahili olarak telafi edilmiş op-amplerdir ve özellikleri, diğer op-amp tipleriyle çalışırken karşılaştırma amacıyla referans olarak kullanılabilir. Çeşitli parametreler aşağıdaki bölümlerde tanımlandığı için, tipik değerleri bulmak için Tablo 9.1'e atıfta bulunulmalıdır.

Tablo 1 - Op-amp'ler için parametre değerleri

İdeal ve gerçek op-amp'ler arasındaki en önemli fark voltaj kazancıdır. İdeal op-amp, sonsuzluğa yaklaşan bir voltaj kazancına sahiptir. Gerçek op-amp, frekans arttıkça azalan sınırlı bir voltaj kazancına sahiptir (bunu bir sonraki bölümde detaylı olarak araştırıyoruz).

5.1 Açık Döngü Gerilim Kazancı (G)

Bir op-ampin açık döngü voltaj kazancı, çıkış voltajındaki değişimin geri besleme olmadan giriş voltajındaki değişime oranıdır. Gerilim kazancı boyutsuz bir miktardır. Açık devre voltaj kazancını belirtmek için G sembolü kullanılır. Op-amp'ler düşük frekanslı girişler için yüksek voltaj kazancına sahiptir. Op-amp spesifikasyonu milivolt başına volt veya desibel cinsinden (dB) [20log₁₀(v_dışarı/v_in)].

5.2 Değiştirilmiş Op-Amp Modeli

Şekil 14, idealleştirilmiş op-amp modelinin değiştirilmiş bir versiyonunu gösterir. İdealleştirilmiş modeli girdi direnci ekleyerek değiştirdik (R_i), çıkış direnci (R_o) ve ortak mod direnci (R_cm).

Şekil 14 - Değiştirilmiş op-amp modeli

Bu parametrelerin tipik değerleri (741 op-amp için)

Şimdi op-amp performansını incelemek için Şekil 15 devresini göz önünde bulunduruyoruz. Op-amp'in ters çeviren ve ters çevirmeyen girdileri seri dirençli kaynaklar tarafından sürülür. Op-ampin çıkışı, bir direnç vasıtasıyla girişe geri beslenir, R_F.

İki girişi süren kaynaklar belirtilir v_A ve v₁ve ilişkili seri dirençler R_A ve R₁. Giriş devresi daha karmaşıksa, bu dirençler bu devrenin Thevenin eşdeğeri olarak düşünülebilir.

Şekil 15 - Op-amp devresi

5.3 Giriş Ofset Voltajı (V_io)

İdeal bir op-amp giriş voltajı sıfır olduğunda, çıkış voltajı da sıfırdır. Bu gerçek bir op-amp için doğru değil. giriş ofset gerilimi, V_io, çıkış gerilimini sıfıra eşit yapmak için gereken diferansiyel giriş gerilimi olarak tanımlanır. V_io ideal op-amp için sıfırdır. Tipik bir değeri V_io 741 op-amp için 2 mV'dir. Sıfır olmayan bir değer V_io İstenmeyen bir durum çünkü op-amp herhangi bir giriş ofsetini yükseltir ve böylece daha büyük bir çıkışa neden olur dc hata.

Giriş ofset voltajını ölçmek için aşağıdaki teknik kullanılabilir. Çıkışı sıfıra zorlamak için giriş voltajını değiştirmek yerine, giriş, Şekil 16'te gösterildiği gibi sıfıra eşit olarak ayarlanır ve çıkış voltajı ölçülür.

Şekil 16 - Vio ölçüm tekniği

Sıfır giriş voltajından kaynaklanan çıkış voltajı, çıkış dc ofset gerilimi. Giriş ofset gerilimi, bu miktarın op-ampin açık döngü kazancıyla bölünmesiyle elde edilir.

Giriş ofset voltajının etkileri, Şekil 17'te gösterildiği gibi op-amp modeline dahil edilebilir.

Giriş ofset voltajını dahil etmenin yanı sıra, ideal op-amp modeli dört direnç eklenmesiyle daha da değiştirildi. R_o olduğunu çıkış direnci. giriş direnci op-amp’in R_i, ters çeviren ve ters çeviren terminaller arasında ölçülür. Model ayrıca iki girişin her birini toprağa bağlayan bir direnç içerir.

Bunlar şunlardır ortak mod dirençlerive her biri 2’e eşittirR_cm. Girişler Şekil 16’te olduğu gibi birbirine bağlanırsa, bu iki direnç paraleldir ve Thevenin toprağa karşı direnci R_cm. Eğer op-amp ideal ise, R_i ve R_cm yaklaşma sonsuzluğu (yani açık devre) ve R_o sıfırdır (yani kısa devre).

Şekil 17 - Giriş ofset voltajı

Şekil 18 (a) 'da gösterilen harici konfigürasyon, ofset voltajının etkilerini olumsuzlamak için kullanılabilir. İnvertör giriş terminaline değişken bir voltaj uygulanır. Bu voltajın doğru seçilmesi giriş ofsetini iptal eder. Benzer şekilde, Şekil 18 (b), ters çevirme girişine uygulanan bu dengeleme devresini göstermektedir.

Şekil 18 - Ofset voltaj dengelemesi

BAŞVURUSU

18 (a) devresinin Giriş Ofset Voltajı Dengelemesini TINACloud Devre Simülatörü ile çevrimiçi olarak simülasyon yaparak aşağıdaki bağlantıyı tıklatarak test edebilirsiniz.

TINACloud ile Giriş Ofset Gerilim Dengeleme Devresi Simülasyonu (a)

TINACloud ile Giriş Ofset Gerilim Dengeleme Devresi Simülasyonu (a)

BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıya tıklayarak 18 (b) devresinin Giriş Dengeleme Dengelemesini TINACloud Devre Simülatörü ile çevrimiçi simülasyon yaparak test edebilirsiniz:

TINACloud ile Giriş Ofset Gerilim Dengeleme Devresi Simülasyonu (b)

TINACloud ile Giriş Ofset Dengeleme Devresi Simülasyonu (b)

5.4 Giriş Eğilim Akımı (I_Önyargı)

İdeal op-amp girişleri akım çekmemesine rağmen, gerçek op-amp'ler bazı yanlı akımların her giriş terminaline girmesine izin verir. I_Önyargı olduğunu dc giriş transistörüne akım ve tipik bir değer 2 μA. Kaynak empedansı düşük olduğunda, I_Önyargı Giriş voltajında nispeten küçük bir değişikliğe neden olduğu için çok az etkisi vardır. Bununla birlikte, yüksek empedanslı sürüş devrelerinde, küçük bir akım büyük bir voltaja neden olabilir.

Önyargı akımı, Şekil 19'te gösterildiği gibi iki akım lavabo olarak modellenebilir.

Şekil 19 - Ofset voltaj dengelemesi

Bu evyelerin değerleri kaynak empedansından bağımsızdır. önyargı akımı iki mevcut lavabonun ortalama değeri olarak tanımlanır. Böylece

(40)

İki evye değeri arasındaki fark, giriş akımı, I_iotarafından verilir ve

(41)

Hem giriş önyargılı akım hem de giriş ofset akımı sıcaklığa bağlıdır. girdi önyargılı akım sıcaklık katsayısı yanlılık akımındaki değişimin sıcaklıktaki değişime oranı olarak tanımlanır. Tipik bir değer 10 nA /^oC. giriş ofset akımı sıcaklık katsayısı Ofset akımının büyüklüğündeki değişimin sıcaklıktaki değişime oranı olarak tanımlanır. Tipik bir değer -2nA /^oC.

Şekil 20 - Giriş önyargısı geçerli modeli

Giriş eğilimi akımları, giriş ofset akımının önemsiz olduğunu varsaydığımız Şekil 20'in op-amp modeline dahil edilmiştir.

Yani,

Şekil 21 (a) - Devre

Giriş eğilimi akımlarının neden olduğu çıkış voltajını bulmak için bu modeli analiz ediyoruz.

Şekil 21 (a), ters çeviren ve ters çevirmeyen girişlerin dirençlerle toprağa bağlandığı bir op-amp devre gösterir.

Devre, ihmal ettiğimiz Şekil 21 (b) 'deki eşdeğeri ile değiştirilir. V_io. Şekil 21 (c) 'deki devreyi ihmal ederek daha da basitleştiriyoruz. R_o ve R_yük. Yani, varsayıyoruz ki R_F >> R_o ve R_yük >> R_o. Çıktı yükleme gereksinimleri genellikle bu eşitsizliklerin karşılanmasını sağlar.

Devre, Şekil 21 (d) 'de daha da basitleştirilmiştir, burada bağımlı gerilim kaynağı ve direnç seri kombinasyonunun, bir bağımlı akım kaynağı ve direnç paralel bir kombinasyonuyla değiştirilmesi.

Son olarak, dirençleri birleştiriyoruz ve Şekil 21'in (e) basitleştirilmiş eşdeğerini elde etmek için her iki akım kaynağını tekrar voltaj kaynaklarına dönüştürüyoruz.

Şekil 21 (b) ve (c) - Girdi yanlılığı efektleri

Çıkış gerilimini bulmak için bir döngü denklemi kullanıyoruz.

(43)

nerede

(44)

Ortak mod direnci, R_cm, çoğu op-amp için birkaç yüz megaohm aralığında. bu nedenle

(45)

Bunu varsayarsak G_o büyük olduğunda, Denklem (43) Denklem olur.

(46)

Şekil 21 (d) ve (e) - Girdi yanlılığı efektleri

Eğer değeri R₁ eşit olacak şekilde seçilir, ardından çıkış voltajı sıfırdır. Bu analizden şu sonuçlara vardık: dc karşı direnç V₊ yere eşit olmalıdır dc karşı direnç V_- yere. Bunu kullanıyoruz önyargı dengesi tasarımlarımızda birçok kez kısıtlama. Hem çevirici hem de çevirici olmayan terminallerin dc Giriş yanlılığı akımının etkilerini azaltmak için toprağa giden yol.

Giriş Yanlılığı Akım, pratik op-amp, işlemsel yükselteçler

Şekil 22 - Örnek 1 için Yapılandırmalar

Örnek 1

Şekil 22 konfigürasyonları için çıkış voltajını bulun. I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Çözüm: Şekil 46 (a) devresindeki çıkış voltajlarını bulmak için basitleştirilmiş Denklem (22) formunu kullanıyoruz.

Şekil 22 (b) 'nin devresi için,

BAŞVURUSU

Ayrıca, bu hesaplamaları TINACloud devre simülatörü ile, Tercüman aracını kullanarak aşağıdaki linke tıklayarak yapabilirsiniz.

TINACloud ile Giriş Eğilim Akım Modelleme Devresi Simülasyonu

TINACloud ile Giriş Eğilim Akım Modelleme Devresi Simülasyonu

5.5 Ortak mod reddetme

Op-amp normalde iki giriş gerilimi arasındaki farkı yükseltmek için kullanılır. Bu nedenle çalışır diferansiyel mod. Bu iki girişin her birine eklenen sabit bir voltaj farkı etkilememeli ve bu nedenle çıkışa aktarılmamalıdır. Pratik durumda, girdilerin bu sabit veya ortalama değeri yok çıkış gerilimini etkiler. İki girişin yalnızca eşit kısımlarını göz önüne alırsak, ne denir diye düşünürüz. ortak mod.

Şekil 23 - Ortak mod

Gerçek bir op-ampin iki giriş terminalinin birlikte ve sonra ortak bir kaynak voltajına bağlı olduğunu varsayalım. Bu, Şekil 23'te gösterilmektedir. İdeal durumda çıkış voltajı sıfır olur. Pratik durumda, bu çıkış sıfır değildir. Sıfır olmayan çıkış voltajının uygulanan giriş voltajına oranı ortak mod voltaj kazancı, G_cm. ortak mod reddetme oranı (CMRR) oranı olarak tanımlanır dc açık döngü kazancı, G_o, ortak mod kazancı. Böylece,

(47)

CMRR'nin tipik değerleri, 80 ile 100 dB arasındadır. CMRR'nin mümkün olduğunca yüksek olması istenir.

5.6 Güç Kaynağı Reddetme Oranı

Güç kaynağı reddetme oranı, op-amp'in güç kaynağı voltajındaki değişiklikleri göz ardı etme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Bir sistemin çıkış aşaması değişken miktarda bir akım çekiyorsa, besleme voltajı değişebilir. Besleme gerilimindeki bu yük kaynaklı değişim, aynı kaynağı paylaşan diğer yükselteçlerin çalışmasında değişikliklere neden olabilir. Bu bilinir Çapraz konuşmave kararsızlığa yol açabilir.

The güç kaynağı reddetme oranı (PSRR) içindeki değişimin oranıdır. v_dışarı güç kaynağı voltajındaki toplam değişikliğe. Örneğin, pozitif ve negatif beslemeler ± 5 V ile ± 5.5 V arasında değişiyorsa, toplam değişiklik 11 - 10 = 1 V'dir. PSRR genellikle volt başına mikrovolt veya bazen desibel olarak belirtilir. Tipik op-amp'ler yaklaşık 30 μV / V'lik bir PSRR'ye sahiptir.

Besleme voltajındaki değişiklikleri azaltmak için, her bir op-amp grubu için güç kaynağı; ayrılmış (yani, diğer gruplardan) izole edilmiştir. Bu, etkileşimi tek bir op-amp grubuyla sınırlar. Uygulamada, her bir baskılı devre kartının besleme hatları, bir 0.1-μF seramik veya 1-μF tantal kondansatör üzerinden toprağa atlanmalıdır. Bu, yük değişikliklerinin diğer kartlara beslenerek önemli ölçüde beslenmemesini sağlar.

5.7 Çıkış Direnci

Çıkış direncinin belirlenmesinde ilk adım olarak, R_dışarıThevenin, Şekil 24'te kesikli çizgilerle çevrili kutuda gösterilen op-amp devresinin bir kısmı için eşdeğerdir. Bu analizde ofset akımını ve voltajı görmezden geldiğimizi unutmayın.

(24)

Devre bağımsız kaynak içermediğinden, Thevenin eşdeğer voltajı sıfırdır, bu nedenle devre tek bir dirence eşdeğerdir. Direncin değeri, direnç kombinasyonları kullanılarak bulunamaz. Eşdeğer direnci bulmak için, çıkış uçlarına bir voltaj kaynağı (v) uygulandığını varsayın. Daha sonra ortaya çıkan akımı hesaplıyoruz, i, ve oranı al v/i. Bu Thevenin direncini verir.

Şekil 25 (bölüm a) - Thevenin eşdeğer devreleri

Şekil 25 (bölüm b)

Şekil 25 (a) uygulanan voltaj kaynağını göstermektedir. Devre, Şekil 25 (b) 'de gösterilene basitleştirilmiştir.

Devre, iki yeni rezistansı aşağıdaki gibi tanımladığımız Şekil 25 (c) 'de gösterilenden daha da azaltılabilir:

(48)

Bu varsayımı yaparız R '_A << (R '₁ + R_i) Ve R_i >> R '₁. Şekil 25 (d) 'nin basitleştirilmiş devresi sonuçlanır.

Giriş diferansiyel gerilimi, v_d, bu basitleştirilmiş devreden bir voltaj bölücü oranı kullanılarak bulunur.

(49)

Çıktı direncini bulmak için çıktı döngüsü denklemini yazarak başlarız.

(50)

Şekil 25 (c ve d bölümleri) - İndirgenmiş Thevenin eşdeğer devreleri

Çıkış direnci daha sonra Denklem (51) ile verilir.

(51)

Çoğu durumda, R_cm o kadar büyük R '_A»R_A ve R₁'»R₁. Denklem (51), sıfır frekanslı voltaj kazancı kullanılarak basitleştirilebilir, G_o. Sonuç Denklem (52) 'dir.

(52)

BAŞVURUSU

Aşağıdaki bağlantıya tıklayarak TINACloud Devre Simülatörünü kullanarak devre simülasyonu ile devrenin 25 (a) Çıkış Empedansını hesaplayabilirsiniz.

TINACloud ile Opamp Devre Simülasyonunun Çıkış Empedansı

TINACloud ile Opamp Devre Simülasyonunun Çıkış Empedansı

Örnek 2

Şekil 26'te gösterildiği gibi birlik kazanç tamponunun çıkış empedansını bulun.

Şekil 26 - Birlik kazanç arabelleği

Çözüm: Şekil 26'in devresi, Şekil 24'in geri besleme devresi ile karşılaştırıldığında, bunu bulduk

Bu nedenle,

Denklem (51) kullanılamaz, çünkü Şekil 25'in (c) basitleştirilmesine yol açan eşitsizliklerin bu durumda geçerli olduğundan emin değiliz. Yani basitleştirme bunu gerektirir.