Практичні ресурсні підсилювачі TINA та TINACloud

Практичні оп-підсилювачі

Практичні оп-підсилювачі наближають їх ідеальний аналогів, але відрізняються в деяких важливих аспектах. Це важливо для розробника схеми, щоб зрозуміти відмінності між реальними ОУ і ідеальними ОУ, оскільки ці відмінності можуть негативно вплинути на продуктивність ланцюга.

Наша мета - розробити детальну модель практичного підсилювача - модель, яка враховує найважливіші характеристики неідеального пристрою. Почнемо з визначення параметрів, що використовуються для опису практичних операційних підсилювачів. Ці параметри вказані в списках на технічних паспортах, що постачаються виробником підсилювача.

Таблиця 1 перераховує значення параметрів для трьох окремих оп-підсилювачів, один з яких є μA741. Ми використовуємо операційні підсилювачі μA741 у багатьох з прикладів і проблем кінця розділу з наступних причин: (1) вони були виготовлені багатьма виробниками IC (2), вони знаходяться у великій кількості в електронній промисловості, і ( 3) вони є універсальними компенсаторами загального призначення, а їх властивості можуть використовуватися як посилання для цілей порівняння при роботі з іншими типами операційних підсилювачів. Оскільки різні параметри визначені в наступних розділах, необхідно знайти посилання на таблицю 9.1, щоб знайти типові значення.

Практичні оп-підсилювачі, операційні підсилювачі

Таблиця 1 - Значення параметрів для підсилювачів

Найбільш істотна різниця між ідеальними і фактичними оп-амперами полягає в посиленні напруги. Ідеальний операційний підсилювач має коефіцієнт підсилення напруги, який наближається до нескінченності. Фактичний оп-підсилювач має кінцевий коефіцієнт посилення напруги, який зменшується при збільшенні частоти (ми детально розглядаємо це в наступному розділі).

5.1 коефіцієнт посилення напруги відкритого циклу (G)

Посилення напруги з відкритим контуром оп-підсилювача є відношенням зміни вихідної напруги до зміни вхідної напруги без зворотного зв'язку. Посилення напруги є безрозмірною величиною. Символ G використовується для позначення посилення напруги у відкритій петлі. Op-amps мають високий коефіцієнт підсилення напруги для низькочастотних входів. Специфікація оп-amp перераховує коефіцієнт посилення напруги в вольтах на мілівольт або в децибелах (дБ) [визначається як 20log₁₀(v_з/v_in)].

5.2 Модифікована модель Op-amp

На малюнку 14 показана модифікована версія ідеалізованої оп-амп моделі. Ми змінили ідеалізовану модель, додавши вхідний опір (R_i), вихідний опір (R_o), і опору спільного режиму (R_cm).

Малюнок 14 - Модифікована оп-модель

Типовими значеннями цих параметрів (для операційного підсилювача 741) є

Тепер розглянемо схему з рисунка 15 для того, щоб дослідити продуктивність операційного підсилювача. Інвертуючі і неінвертуючі входи операційного підсилювача керуються джерелами, які мають послідовний опір. Вихід операційного підсилювача подається назад на вхід через резистор, R_F.

Позначені джерела, що керують двома входами v_A та v₁, а асоційовані ряди опорів є R_A та R₁. Якщо вхідні схеми є більш складними, ці опори можна розглядати як еквіваленти цієї схеми.

Малюнок 15 - ланцюг Op-amp

5.3 Напруга вхідного зміщення (V_io)

Коли вхідна напруга в ідеальному ОУ дорівнює нулю, вихідна напруга також дорівнює нулю. Це не стосується фактичного операційного підсилювача. The вхідного зміщення напруги, V_io, визначається як диференціальна вхідна напруга, необхідна для того, щоб вихідна напруга дорівнювала нулю. V_io дорівнює нулю для ідеального операційного підсилювача. Типове значення V_io для операційного підсилювача 741 є 2 mV. Ненульове значення V_io є небажаним, оскільки оп-підсилювач підсилює будь-який вхідний зсув, тим самим викликаючи більший вихід dc помилка

Наступна методика може бути використана для вимірювання вхідної напруги зміщення. Замість того, щоб змінювати вхідну напругу для того, щоб примусити вихід до нуля, вхід встановлюється рівним нулю, як показано на малюнку 16, і вимірюється вихідна напруга.

операційні підсилювачі, операційні підсилювачі

Малюнок 16 - Техніка для вимірювання Vio

Вихідна напруга внаслідок нульового вхідного напруги відома як вихідна напруга зміщення постійного струму. Вхідна напруга зсуву отримують діленням цієї величини на посилення відкритої петлі операційного підсилювача.

Ефекти вхідного зміщення напруги можуть бути включені в оп-амп моделі, як показано на малюнку 17.

На додаток до вхідної напруги зміщення, ідеальна модель підсилювача потужності була додатково модифікована з додаванням чотирьох опорів. R_o є вихідний опір, вхідний опір операційного підсилювача, R_i, вимірюється між інвертуючими і неінвертуючими терміналами. Модель також містить резистор, що з'єднує кожен з двох входів з землею.

Це Опір спільного режиму, і кожен дорівнює 2R_cm. Якщо входи з'єднані разом, як на рис. R_cm. Якщо оп-підсилювач ідеальний, R_i та R_cm наближається до нескінченності (тобто відкритій ланцюга) і R_o дорівнює нулю (тобто короткому замикання).

Малюнок 17 - Вхідна напруга зсуву

Зовнішню конфігурацію, показану на малюнку 18 (a), можна використовувати для скасування впливу напруги зсуву. На інвертований вхідний термінал подається змінна напруга. Правильний вибір цієї напруги скасовує вхідний зсув. Аналогічно, Фігура 18 (b) ілюструє цю схему балансування, застосовану до неінвертуючого входу.

Малюнок 18 - Зсув балансування напруги

ЗАСТОСУВАННЯ

Ви можете перевірити балансування напруги зсуву напруги схеми 18 (a) шляхом моделювання в режимі онлайн з симулятором ланцюга TINACloud, натиснувши на посилання нижче.

Симуляція ланцюга напруги зсуву напруги (a) з TINACloud

Симуляція ланцюга напруги зсуву напруги (a) з TINACloud

ЗАСТОСУВАННЯ

Ви можете перевірити балансування вхідного зсуву схеми 18 (b) шляхом моделювання в режимі онлайн з TINACloud Circuit Simulator, натиснувши на посилання нижче:

Симуляція ланцюга напруги зсуву напруги (b) з TINACloud

Симуляція ланцюга зміщення вхідного зсуву (b) з TINACloud

5.4 Вхідний струм зміщення (I_Зсув)

Незважаючи на те, що ідеальні входи оп-підсилювача не підводять струму, фактичні оп-підсилювачі дозволяють деякому струму зміщення входити до кожного вхідного терміналу. I_Зсув є dc струм у вхідний транзистор, а типове значення 2 μA. Коли імпеданс джерела низький, I_Зсув має невеликий ефект, оскільки викликає відносно невелику зміну вхідної напруги. Проте, з високоімпедансними ланцюгами керування, малий струм може призвести до великої напруги.

Струм зміщення може бути змодельований у вигляді двох поточних раковин, як показано на малюнку 19.

Малюнок 19 - Зсув балансування напруги

Значення цих раковин не залежать від вихідного імпедансу. The струм зміщення визначається як середнє значення двох поточних раковин. Таким чином

(40)

Різниця між двома значеннями раковини відома як вхідний зміщений струм, I_io, і дається шляхом

(41)

І струм вхідного зміщення, і струм вхідного зміщення залежать від температури. The температурний коефіцієнт вхідного струму зміщення визначається як відношення зміни струму зміщення до зміни температури. Типовим значенням є 10 nA /^oC. вхідний зсув поточного температурного коефіцієнта визначається як відношення зміни величини струму зміщення до зміни температури. Типовим значенням є -2nA /^oC.

Малюнок 20 - Вхідна модель зміщення струму

Вхідні струми зміщення включені в модель оп-підсилювача на рисунку 20, де ми припускаємо, що вхідний струм зміщення незначний.

Тобто,

Малюнок 21 (a) - Схема

Проаналізуємо цю модель, щоб знайти вихідну напругу, викликану вхідними струмами зміщення.

На рисунку 21 (a) показана оп-схема, де інвертувальні та неінвертуючі входи з'єднані з землею через опори.

Схема замінена її еквівалентом на малюнку 21 (b), де ми знехтували V_io. Далі ми спростимо схему на малюнку 21 (c), нехтуючи R_o та R_{загрузка}. Тобто, ми припускаємо R_F >> R_o та R_{загрузка} >> R_o. Вимоги до завантаження вихідного сигналу зазвичай забезпечують виконання цих нерівностей.

Схема додатково спрощена на малюнку 21 (d), де послідовна комбінація залежного джерела напруги і резистора замінюється паралельною комбінацією залежного джерела струму і резистора.

Нарешті, ми об'єднуємо опори і змінюємо обидва джерела струму назад до джерел напруги, щоб отримати спрощений еквівалент рисунка 21 (e).

Рисунок 21 (b) та (c) - Вхідні ефекти зміщення

Для знаходження вихідної напруги ми використовуємо рівняння циклу.

(43)

де

(44)

Опір спільного режиму, R_cm, знаходиться в діапазоні від декількох сотень мегаомів для більшості оп-амперів. Тому

(45)

Якщо далі припустити, що G_o є великим, Рівняння (43) стає Рівнянням.

(46)

Малюнок 21 (d) та (e) - Вхідні ефекти зміщення

Зверніть увагу, що якщо значення R₁ вибирається рівним, тоді вихідна напруга дорівнює нулю. Ми робимо висновок з цього аналізу, що dc опір від V₊ до землі повинна дорівнювати dc опір від V_- на землю. Ми використовуємо це рівновагу обмеження багато разів у наших проектах. Важливо, щоб обидва інвертувальні і неінвертувальні термінали мали a dc шлях до землі для зменшення впливу струму вхідного зміщення.

Струм вхідного зміщення, практичні операційні підсилювачі, операційні підсилювачі

Рисунок 22 - Конфігурації для прикладу 1

Приклад 1

Знайдіть вихідну напругу для конфігурацій малюнка 22 де I_B = 80 нА = 8 10^-8 A.
Рішення: Ми використовуємо спрощену форму Рівняння (46), щоб знайти вихідні напруги для схеми з малюнка 22 (a).

Для схеми з малюнка 22 (b) отримаємо

ЗАСТОСУВАННЯ

Крім того, ви можете виконати ці розрахунки за допомогою симулятора схеми TINACloud, використовуючи його інструмент інтерпретатора, натиснувши на посилання нижче.

Моделювання струму зміщення вхідного струму

Моделювання струму зміщення вхідного сигналу з TINACloud

Моделювання струму зміщення вхідного сигналу з TINACloud

5.5 Відхилення від спільного режиму

Оп-підсилювач зазвичай використовується для посилення різниці між двома вхідними напругами. Тому він діє в Росії диференціальний режим. Постійна напруга, додана до кожного з цих двох входів, не повинна впливати на різницю і, отже, не повинна передаватися на вихід. У практичному випадку це постійна або середнє значення вхідних даних робить впливають на вихідну напругу. Якщо розглядати лише рівні частини двох входів, ми розглядаємо те, що відомо як загальний режим.

Малюнок 23 - Загальний режим

Припустимо, що два вхідних термінали фактичного оп-підсилювача з'єднані разом, а потім до загальної напруги джерела. Це показано на малюнку 23. У ідеальному випадку вихідна напруга буде нульовою. У практичному випадку цей вихід є ненульовим. Відношення ненульової вихідної напруги до прикладеної вхідної напруги посилення напруги в загальному режимі, G_cm, коефіцієнт відхилення загального режиму (CMRR) визначається як відношення dc посилення з відкритою петлею, G_o, до загального режиму посилення. Таким чином,

(47)

Типові значення CMRR варіюються від 80 до 100 dB. Бажано мати CMRR якомога вище.

5.6 Коефіцієнт відхилення електроживлення

Коефіцієнт відхилення джерела живлення є мірою здатності операційного підсилювача ігнорувати зміни напруги живлення. Якщо вихідний каскад системи витягує змінну величину струму, напруга живлення може змінюватися. Така зміна напруги живлення, викликана навантаженням, може призвести до змін в роботі інших підсилювачів, що мають однакову потужність. Це відомо як перехресні розмови, і це може призвести до нестабільності.

Команда коефіцієнт відхилення джерела живлення (PSRR) - це відношення зміни в v_з до загальної зміни напруги живлення. Наприклад, якщо позитивні та негативні джерела живлення варіюються від ± 5 В до ± 5.5 В, загальна зміна становить 11 - 10 = 1 В. PSRR, як правило, вказується в мікровольтах на вольт або іноді в децибелах. Типові операційні підсилювачі мають PSRR приблизно 30 мкВ / В.

Щоб зменшити зміни напруги живлення, має бути джерело живлення для кожної групи оп-ампер відокремлені (тобто, ізольовані) від груп інших. Це обмежує взаємодію з однією групою оп-амперів. На практиці кожна плата печатної плати повинна мати лінії живлення, обхідні до землі через кераміку 0.1-μF або танталовий конденсатор 1-μF. Це гарантує, що варіації навантаження не будуть подаватися значною мірою через постачання інших карт.

5.7 Вихідний опір

Як перший крок у визначенні вихідного опору, R_з, ми знаходимо еквівалент Thevenin для частини оп-амп ланцюга, показаного у вікні, утвореному пунктирними лініями на малюнку 24. Зверніть увагу, що в цьому аналізі ми ігноруємо струм зсуву і напругу.

(24)

Оскільки схема не містить незалежних джерел, еквівалентна напруга Тевеніна дорівнює нулю, тому схема еквівалентна одному резистору. Значення резистора неможливо знайти за допомогою комбінацій резисторів. Щоб знайти еквівалентний опір, припустимо, що до вихідних кабелів подається джерело напруги v. Потім обчислюємо отриманий струм, i, і візьмемо співвідношення v/i. Це дає стійкість до Thevenin.

Малюнок 25 (частина а) - схеми, еквівалентні тевеніну

Малюнок 25 (частина b)

На малюнку 25 (a) показаний прикладений джерело напруги. Схема спрощена до схеми, показаної на малюнку 25 (b).

Схема може бути додатково зведена до показаної на малюнку 25 (c), де ми визначаємо два нових опору наступним чином:

(48)

Ми робимо припущення, що R '_A << (R '₁ + R_i) і R_i >> R '₁. Спрощена схема фігури ХНУМКС (d) результатів.

Вхідне диференціальне напруга, v_d, знайдений з цієї спрощеної схеми з використанням співвідношення дільника напруги.

(49)

Щоб знайти вихідний опір, ми починаємо з запису рівняння вихідного циклу.

(50)

Малюнок 25 (частини c та d) - схеми відновленого еквівалента тевеніну

Потім вихідний опір задається рівнянням (51).

(51)

В більшості випадків, R_cm настільки великий, що R '_A»R_A та R₁"»R₁. Рівняння (51) може бути спрощено з використанням нульової частоти, G_o. Результатом є Рівняння (52).

(52)

ЗАСТОСУВАННЯ

Ви можете розрахувати вихідний опір схеми 25 (а) за допомогою моделювання схеми за допомогою симулятора схеми TINACloud, натиснувши посилання нижче.

Вихідний імпеданс моделювання ланцюга Opamp з TINACloud

Вихідний імпеданс моделювання ланцюга Opamp з TINACloud

Приклад 2

Знайдіть вихідний імпеданс буфера одиниць посилення, як показано на малюнку 26.

практичні операційні підсилювачі, операційні підсилювачі

Малюнок 26 - буфер Unity gain

Рішення: Коли ланцюг малюнка 26 порівнюється з ланцюгом зворотного зв'язку на малюнку 24, ми знаходимо це

Таким чином,

Рівняння (51) не може бути використано, оскільки ми не впевнені, що нерівності, що ведуть до спрощення рисунка 25 (c), застосовуються в цьому випадку. Тобто спрощення вимагає цього