6. Дизайн схем Op-amp
СТРУМ - 6. Дизайн схем підсилювачів
ПОПЕРЕДНЯ 5. Комбіновані інвертувальні та неінвертуючі входи
Проектування схем оп-амп
Як тільки конфігурація оп-системи підсилювача, ми можемо аналізувати що система визначає вихід з точки зору вхідних даних. Ми проводимо цей аналіз, використовуючи процедуру, обговорену раніше (у цьому розділі).
Якщо ви зараз бажаєте дизайн схема, яка поєднує в собі як інвертуючий, так і неінвертуючий вхід, проблема є більш складною. У задачі проектування задається бажане лінійне рівняння, і має бути спроектована ланцюг операційного підсилювача. Бажаний вихід операційного підсилювача влітку може бути виражений як лінійна комбінація входів, \ t
(30)
де X1, X2 ...Xn є бажаними вигодами на неінвертуючих входах і Ya, Yb ...Ym є бажаними вигодами на інвертуючих входах. Рівняння (30) реалізується за схемою з малюнка (14).
Малюнок 14- Кілька вхідних літніх
Ця схема є трохи модифікованою версією схеми рисунка (13) (Інвертувальні та неінвертуючі входи.
Малюнок 13- Інвертуючий і неінвертуючий входи
Єдиною зміною, яку ми зробили, є включення резисторів між входами операційного підсилювача і землею. Землю можна розглядати як додатковий вхід нульового вольта, підключений через відповідний резистор (Ry для інвертуючого входу і Rx для неінвертуючого введення). Додавання цих резисторів дає нам гнучкість у задоволенні будь-яких вимог, крім вимог рівняння (30). Наприклад, можуть бути вказані вхідні опори. Будь-який або обидва з цих додаткових резисторів можуть бути видалені, дозволяючи їх значенням перейти до нескінченності.
Рівняння (29) з попереднього розділу показує, що значення резисторів, Ra, Rb, ...Rm та R1, R2, ...Rn обернено пропорційні потрібним вигодам, пов'язаним з відповідними вхідними напругами. Іншими словами, якщо велике посилення бажане в конкретному вхідному терміналі, то опір на цьому терміналі невеликий.
При відкритому циклі посилення операційного підсилювача, G, велика, вихідна напруга може бути записана в термінах резисторів, підключених до операційного підсилювача, як у Рівнянні (29). Рівняння (31) повторює цей вираз з невеликим спрощенням і з додаванням резисторів до землі.
(31)
Визначимо два еквівалентних опору наступним чином:
(32)
ЗАСТОСУВАННЯ
Проаналізуйте наступну схему за допомогою TINACloud, щоб визначити Vз з точки зору вхідних напруг, натиснувши на посилання нижче.
Моделювання багатоканального літнього кола за TINACloud
Моделювання багатоканального літнього кола за TINACloud
Ми бачимо, що вихідна напруга є лінійною комбінацією входів, де кожен вхід ділиться на відповідний опір і множиться на інший опір. Помножується опір RF для інвертування входів і Req для неінвертуючих входів.
Кількість невідомих у цій проблемі n + m +3 (тобто невідомі значення резистора). Тому ми повинні розвиватися n + m +Рівняння 3 для вирішення цих невідомих. Ми можемо сформулювати n + m цих рівнянь шляхом узгодження заданих коефіцієнтів у рівнянні (30). Тобто ми просто розвиваємо систему рівнянь з рівнянь (30), (31) і (32) наступним чином:
(33)
Оскільки ми маємо ще три невідомі, ми маємо можливість задовольнити ще три обмеження. Типові додаткові обмеження включають міркування вхідного опору та розумні значення для резисторів (наприклад, ви не хочете використовувати точний резистор для R1 дорівнює 10-4 Ом!).
Хоча це не потрібно для проектування з використанням ідеальних ОУ, ми будемо використовувати конструктивні обмеження, які важливі для неідеальних ОП. Для неінвертувального оп-підсилювача, опір Thevenin, що озирається з інвертуючим входом, зазвичай робиться рівним тому, що озирається з неінвертуючим входом. Для конфігурації, показаної на малюнку (14), це обмеження може бути виражено наступним чином:
(34)
Останнє рівність є результатом визначення RA з рівняння (32). Підставляючи цей результат у рівняння (31), виникає обмеження,
(35)
(36)
Підставляючи цей результат у рівняння (33), виходить простий набір рівнянь,
(37)
Комбінації рівняння (34) і рівняння (37) дають нам необхідну інформацію для конструювання схеми. Вибираємо значення RF а потім вирішити для різних вхідних резисторів за допомогою рівняння (37). Якщо значення резисторів не в практичному діапазоні, ми повертаємося назад і змінюємо значення резистора зворотного зв'язку. Після того як ми вирішимо для вхідних резисторів, ми використовуємо Рівняння (34), щоб змусити опору бути рівними озираючись від двох входів ОП. Вибираємо значення Rx та Ry змусити цю рівність. Хоча рівняння (34) та (37) містять важливу інформацію для проектування, одним важливим фактором є включення резисторів між входами операційного підсилювача та землею (Rx та Ry). Рішення може вимагати ітерацій для отримання значущих значень (тобто ви можете виконати рішення один раз і придумати негативні значення опору). Тому наведемо чисельну процедуру, яка спрощує обчислення[1]
Рівняння (34) можна переписати наступним чином:
(38)
Підставляючи рівняння (37) в рівняння (38), отримуємо,
(39)
Нагадаємо, що наша мета - вирішити для резисторів значення в термінах Xi та Yj. Визначимо терміни підсумовування таким чином:
(40)
Потім ми можемо переписати рівняння (39) наступним чином:
(41)
Це є відправною точкою для нашої процедури проектування. Нагадаємо, що Rx та Ry - резистори між землею та неінвертуючим та інвертуючим входами відповідно. Позначається резистор зворотного зв'язку RF і новий термін, Z, визначається як
(42)
Таблиця (1) - Дизайн підсилювача
Ми можемо усунути один або обидва з резисторів, Rx та Ry, від схеми малюнка (14). Тобто будь-який або обидва з цих резисторів можуть бути встановлені на нескінченність (тобто, у відкритому циклі). Це дає три можливості дизайну. Залежно від бажаних коефіцієнтів множення, що стосуються виходу на вхід, один з цих випадків дасть відповідну конструкцію. Результати підсумовані в Таблиці (1).
Конструкція з TINA і TINACloud
Є кілька інструментів, доступних в TINA і TINACloud для операційного підсилювача і схемотехніки.
Оптимізація
TINAВ режимі оптимізації невідомі параметри схеми можуть бути визначені автоматично, щоб мережа могла виробляти заздалегідь визначене цільове значення вихідного сигналу, мінімальне або максимальне. Оптимізація корисна не тільки при проектуванні схем, але і в навчанні, для побудови прикладів та задач. Зверніть увагу, що цей інструмент працює не тільки для ідеальних операційних підсилювачів та лінійних схем, але і для будь-яких нелінійних схем із реальними нелінійними та іншими моделями пристроїв.
Розглянемо інвертуючу схему підсилювача з реальним операційним підсилювачем OPA350.
За замовчуванням цієї схеми вихідна напруга схеми 2.5
Ви можете легко перевірити це, натиснувши кнопку DC в TINACloud.
ЗАСТОСУВАННЯ
Проаналізуйте наступну схему за допомогою онлайн-симулятора схеми TINACloud, щоб визначити Vз з точки зору вхідних напруг, натиснувши на посилання нижче.
Симуляція схеми OPA350 з TINACloud
Симуляція схеми OPA350 з TINACloud
Для того, щоб підготувати це, слід вибрати цільову Out = 3V і параметр ланцюга, який буде визначено (Object Optimization) Vref. Для цього об'єкта ми також повинні визначити регіон, який допомагає пошуку, але також представляє обмеження.
Щоб вибрати і встановити ціль оптимізації в TINACloud, натисніть кнопку Vout Voltage і встановіть ціль оптимізації на Yes
Далі натисніть кнопку… в тому ж рядку і встановіть значення 3.
Натисніть OK в кожному діалоговому вікні, щоб завершити налаштування.
Тепер давайте виділимо та встановимо об’єкт оптимізації Vref.
Натисніть кнопку Vref, а потім кнопку… у тому ж рядку
Виберіть "Оптимізаційний об'єкт" у списку на верхній панелі та встановіть прапорець Оптимізація / Об'єкт.
Натисніть OK в обох діалогових вікнах.
Якщо налаштування оптимізації були успішними, ви побачите знак >> на Out і знак << на Vref, як показано нижче.
Тепер оберіть "Оптимізація" з меню "Аналіз" і натисніть "RUN" у діалоговому вікні "Оптимізація".
Після завершення оптимізації знайдений Vref, оптимальне значення, буде показано у діалоговому вікні оптимізації постійного струму
Ви можете вивчити налаштування і запустити оптимізацію в режимі онлайн і перевірити за допомогою Circuit Simulation за допомогою посилання нижче.
Запустіть оптимізацію з меню Аналіз, потім натисніть кнопку DC, щоб побачити результат у оптимізованій схемі (3V)
Оптимізація в Інтернеті та моделювання з контуром TINACloud
Зверніть увагу, що в цей час в TINACloud включена лише проста оптимізація постійного струму. Додаткові функції оптимізації включені в автономну версію TINA.
Оптимізація змінного струму
Використовуючи автономну версію TINA, ви також можете оптимізувати та змінювати схеми змінного струму.
Відкрити MFB 2nd Замовити Чебишевський LPF.TSC низькочастотний ланцюг, від Приклади Texas Instruments Filters_FilterPro папка TINA, показано нижче.
Виконати аналіз змінного струму / характеристику передачі змінного струму.
З'явиться наступна діаграма:
Схема має єдність (0dB) Gain і 1.45kHz Частота відсічення.
Тепер давайте перепроектуємо схему за допомогою AC Optimization і встановити низький коефіцієнт посилення 6dB і частоту зрізу 900Hz.
примітки що зазвичай інструмент оптимізації застосовується тільки до змін. У разі використання фільтрів ви можете скористатися інструментом для проектування фільтрів. Ми розглянемо цю тему пізніше.
Тепер, використовуючи оптимізацію, Gain і Cutoff frequency є цілями оптимізації.
Клацніть піктограму «Вибрати ціль оптимізації» на панелі інструментів або в меню «Аналіз» «Вибрати ціль оптимізації»
Курсор змінюється на значок: 
. Клацніть контакт Vout Voltage з новим символом курсору.
З'явиться наступне діалогове вікно:
Клацніть на кнопках функцій AC Goal. З'явиться наступне діалогове вікно:
Установіть прапорець Low Pass (Низький прохід) і встановіть частоту відсікання Target на 900. Тепер установіть прапорець Максимум і встановіть Ціль на 6.
Далі виберіть параметри схеми, які потрібно змінити, щоб досягти цілей оптимізації.
Натисніть 
або рядок Вибрати керуючий об'єкт у меню Аналіз.
Курсор зміниться на символ вище. Натисніть на конденсатор C1 з цим новим курсором. З'явиться наступне діалогове вікно:
Натисніть кнопку вибору. З'явиться наступне діалогове вікно:
Програма автоматично встановлює діапазон (обмеження), у якому шукатиметься значення Optimum. Кінцеве значення для 20n, як показано вище.
Тепер повторіть ту ж процедуру для R2. Встановіть для Кінцевого значення значення 20k.
Після завершення налаштування оптимізації виберіть пункт Оптимізація / Оптимізація змінного струму (перенесення) з меню Аналіз.
З'явиться наступне діалогове вікно:
Прийміть стандартні установки, натиснувши OK.
Після короткого розрахунку знайдений оптимум і з'являються змінені параметри компонента:
Нарешті перевірте результат за допомогою схеми моделювання, що працює під час виконання AC AC / AC Transfer Characteristic.
Як показано на діаграмі, цільові значення (Gain 6db, частота відсікання 900Hz) були досягнуті.
Використання інструменту конструкторів Circuit в TINA і TINACloud
Іншим методом розробки схем в TINA і TINAcloud є використання вбудованого інструменту Circuit Designer, який називається просто Design Tool.
Інструмент дизайну працює з рівняннями дизайну вашої схеми, щоб переконатися, що вказані входи призводять до заданої вихідної характеристики. Інструмент вимагає від вас викладення входів і виходів і відносин між значеннями компонентів. Інструмент пропонує вам движок рішення, який можна використовувати для повторного та точного вирішення для різних сценаріїв. Розраховані значення компонентів автоматично встановлюються на місці в схемі, і ви можете перевірити результат шляхом моделювання.
Давайте спроектуємо підсилення змінного струму тієї ж схеми за допомогою нашого інструменту конструкторів.
Відкрийте контур у папці "Інструмент дизайну" TINACloud. З'явиться наступний екран.
Тепер давайте запустимо AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
З'явиться наступна діаграма:
Тепер перепрофілюємо схему, щоб мати єдність (0dB)
Виконайте команду Redesign this Circuit з меню Tools
З'явиться наступне діалогове вікно.
Встановіть значення Gain to -1 (0 dB) і натисніть кнопку Виконати.
Розраховані нові значення компонентів відразу з'являться в редакторі схеми, намальованому червоним кольором.
Натисніть кнопку Прийняти.
Зміни будуть завершені. Знову запустіть AC Analysis / AC Characteristics, щоб перевірити перероблену схему.
————————————————————————————————————————————————— —-
1Ця методика була розроблена Філом Врбанчичем, студентом Каліфорнійського державного університету, Лонг-Біч, і представлена в роботі, поданій на конкурс IEEE Region VI Prize Paper.