Amaliy Op-amps- TINA va TINACloud Resurslari

Amaliy Op-amp

Amaliy Op-ampsi ularning taxminiy darajasiga yaqinlashadi ideal ba'zi bir muhim jihatlardan farq qiladi. Raqamli dizaynerga haqiqiy op-amplar va ideal opper-amperlar o'rtasidagi farqlarni tushunish juda muhim, chunki bu farqlar elektron ishlashiga salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin.

Bizning maqsadimiz amaliy op-ampning batafsil modelini ishlab chiqish - ideal bo'lmagan qurilmaning eng muhim xususiyatlarini hisobga oladigan model. Amaliy op-amperlarni tavsiflash uchun ishlatiladigan parametrlarni aniqlashdan boshlaymiz. Ushbu parametrlar op-amp ishlab chiqaruvchisi tomonidan taqdim etilgan ma'lumotlar sahifalaridagi ro'yxatlarda ko'rsatilgan.

Jadval 1 uchta muayyan op-amp uchun parametr qiymatlarini ro'yxatlaydi, ulardan biri mA741 hisoblanadi. Biz ko'pgina misollarda va bobning oxirida quyidagi moyilliklar bo'yicha mXXXNUSX operatsion kuchaytiruvchilardan foydalanamiz: (741) ko'plab IC ishlab chiqaruvchilari tomonidan ishlab chiqarilgan (1), ular elektron sanoatida juda ko'p miqdorda topilgan va ( 2) ular umumiy maqsadlar uchun ichki kompensatsiya qilingan op-amperlardir va ularning xususiyatlari boshqa op-amp turlari bilan ish olib borishda taqqoslash uchun mos yozuvlar sifatida ishlatilishi mumkin. Quyidagi bo'limlarda turli xil parametrlar aniqlanganligi sababli, odatda qiymatlarni topish uchun Jadval 3ga murojaat qilish kerak.

Amaliy Op-amplar, operatsion amplifikatorlar

1-jadval - op-amper uchun parametr qiymatlari

Ideal va haqiqiy op-amplar orasidagi eng muhim farq kuchlanishdan hosil bo'ladi. Ideal op-ampning cheksiz yaqinlashuviga ega bo'lgan kuchlanish paydo bo'lishi. Haqiqiy op-amp chastotani kuchayishi bilan kamayib boruvchi kuchlanishning oxirgi kuchlanishiga ega (biz buni keyingi bobda batafsil o'rganamiz).

5.1 Open-Loop kuchlanishlari (G)

Op-amperning ochiq-pastadir kuchlanishini oshirish - bu chiqish voltajidagi o'zgarishlarni qayta ishlanmasdan kirish voltajining o'zgarishiga nisbatidir. Voltaj daromadi o'lchamsiz miqdordir. G belgisi ochiq-pastki kuchlanish kuchlanishini ko'rsatish uchun ishlatiladi. Op-amperlar past chastotali kirish uchun yuqori kuchlanishga ega. Op-amplituda ko'rsatilganidek, millivolt yoki volframdagi voltsning voltsiyasini desibellarda (dB) [20log₁₀(v_tashqarida/v_in)].

5.2 Modifikatsiyalangan Op-amp modeli

Shakl 14 ideallashtirilgan op-amp modelining o'zgartirilgan versiyasini ko'rsatadi. Biz kirish qarshiligini qo'shib, idealizatsiyalangan modeli o'zgartirdik (R_i), chiqish qarshiligi (R_o) va umumiy rejim qarshiligi (R_cm).

Shakl 14 - o'zgartirilgan op-amp modeli

Ushbu parametrlarning odatda qiymatlari (741 op-amp uchun)

Op-amp ishlashini o'rganish uchun biz endi 15 ning devorini ko'rib chiqamiz. Op-amperning inverting va inverting bo'lmagan kirishlari ketma-ket qarshilikka ega manbalar tomonidan boshqariladi. Op-amfaning chiqishi qarshilik orqali kirishga qaytariladi, R_F.

Ikki kirishni boshqaradigan manbalar ko'rsatiladi v_A va v₁va shu bilan bog'liq qator qarshilik mavjud R_A va R₁. Agar kirish devorlari yanada murakkab bo'lsa, ushbu qarshiliklarni ushbu devordagi Thevenin ekvivalentlari deb hisoblash mumkin.

Shakl 15 - Op-amp davri

5.3 Kirish uzluksiz kuchlanish (V_io)

Ideal op-ampga kirish kuchlanishi nol bo'lsa, chiqish zo'riqishida ham nol bo'ladi. Bu haqiqiy op-amp uchun to'g'ri emas. The Kirish ofset voltaji, V_io, chiqdi voltajini nolga tenglashtiradigan farqlovchi kirish voltaji sifatida tavsiflanadi. V_io ideal op-amp uchun nol. Odatda, bir qiymat V_io 741 op-amp uchun 2 mV. Nol bo'lmagan qiymat V_io Op-amp har qanday kirish inqirozini kuchaytiradi, shuning uchun katta qiymatga ega bo'ladi dc Xatolik.

Quyidagi texnik uskuna ofset tokini o'lchash uchun ishlatilishi mumkin. Chiqishni nolga majbur qilish uchun kirish kuchlanishini o'zgartirishdan ko'ra, shakl 16da ko'rsatilgandek, kirish nolga teng bo'ladi va chiqish kuchlanishi o'lchanadi.

Shakl 16 - Vio ni o'lchash usuli

Nolinchi kirish kuchlanishidan kelib chiquvchi chiqish zo'riqishida strelkali ofset tokini chiqarish. Kirish tozaligining kuchlanishi bu miqdorni op-amperning ochiq-oydin foydasiga bo'linishi orqali erishiladi.

Kirish ofsetining kuchlanish ta'siri shakl 17da ko'rsatilganidek op-amp modeliga kiritilishi mumkin.

Kirishning ofset kuchlanishini hisobga oladigan bo'lsak, ideal op-amp modeli to'rt rezistentlik qo'shilishi bilan ham o'zgartirildi. R_o bo'ladi chiqish qarshiligi. The Kirish qarshilik Op-ampni, R_i, inverting va inverting bo'lmagan terminallar o'rtasida o'lchanadi. Model shuningdek, ikkita kirishning har birini erga ulaydigan qarshiligi bor.

Bular umumiy rejim qarshiligi, va ularning har biri 2ga tengR_cm. Agar kirishlar 16 shaklida bir-biriga ulangan bo'lsa, ushbu ikki qarshilik parallel bo'ladi va birlashgan Thevenin chidamliligi R_cm. Agar op-amp ideal bo'lsa, R_i va R_cm yondashuv cheksiz (ya'ni, ochiq elektron) va R_o nol (ya'ni, qisqa tutashuv).

Shakl 17 - Kirish ofset voltaji

Shakl 18 (a) da ko'rsatilgan tashqi konfiguratsiya ofset voltajining ta'sirini bekor qilish uchun ishlatilishi mumkin. Inverting kirish terminaliga o'zgaruvchan voltaj qo'llaniladi. Ushbu kuchlanishning to'g'ri tanlanishi kirishning ofsetini bekor qiladi. Xuddi shunday, shakl 18 (b) invertsiz bo'lmagan kirishga tatbiq etilgan ushbu muvozanat devorini ko'rsatadi.

Shakl 18 - ofset voltaj balanslash

ILOVA

Quyidagi havolani bosish orqali TINACloud Circuit Simulator bilan simulyatsiya orqali 18 (a) elektron tizimining Input Offset Voltage Balancing dasturini sinab ko'rishingiz mumkin.

TINACloud bilan chiqish ofset voltajini balanslash davri simulyatsiyasi (a)

TINACloud bilan chiqish ofset voltajini balanslash davri simulyatsiyasi (a)

ILOVA

Quyidagi havolani bosish orqali TINACloud Circuit Simulator bilan simulyatsiya orqali 18 (b) elektron tizimining Input Offset Balancing funksiyasini sinab ko'rishingiz mumkin:

TINACloud bilan kiruvchi ofset uzluksiz kuchlanish balans davri simulyatsiyasi (b)

TINACloud bilan kirishni offset balansirovka O'chirish Simulyatsiyasi (b)

5.4 Kirish oqimining oqimi (I_Bias)

Ideal op-amp yozuvlari hech qanday oqimga ega bo'lmasa ham, haqiqiy op-amperlar har bir kirish terminali uchun bir nechta oqimning oqishini ta'minlaydi. I_Bias bo'ladi dc kirish tranzistorga joriy va odatda, bir qiymat 2 mA. Manba impedansi kam bo'lsa, I_Bias kichik kuchga ega, chunki u kirish voltajining nisbatan kichik o'zgarishiga olib keladi. Biroq, yuqori impedansli haydovchi davrlari bilan kichik oqim katta kuchlanishga olib kelishi mumkin.

Bias oqimi shakl 19 da ko'rsatilgandek, ikkita mavjud chig'anoq kabi modellashtirilishi mumkin.

Shakl 19 - ofset voltaj balanslash

Ushbu lavhalarning qiymati manba impedansiyasidan mustaqil. The tomonlama oqim ikki joriy cho'kindining o'rtacha qiymati sifatida tavsiflanadi. Shunday qilib

(40)

Ikki lavha qiymati o'rtasidagi farq, ofset oqimi, I_io, va tomonidan beriladi

(41)

Har ikkala kirish-bias oqimi va kirish ofset oqimi haroratga bog'liq. The kiritish harorati joriy harorat koeffitsienti atamasi o'zgarganda o'zgarish nisbati sifatida tavsiflanadi. Odatda, bir qiymat 10 nA /^oC. ofset joriy harorat koeffitsienti ofset oqimidagi o'zgarishning harorat o'zgarishiga nisbati sifatida tavsiflanadi. Odatda, bir qiymat -2nA /^oC.

Shakl 20 - Kirish tomonlama oqim modeli

Kirishning tanqisligi oqimlari shakl 20 ning op-amp modeliga kiritilgan bo'lib, unda biz kirish inshoatining oqimi sezilarli emasligini taxmin qilamiz.

Anavi,

Shakl 21 (a) - O'chirish

Ushbu turdagi modelni kirish bias oqimlari oqibatida chiqish voltajini topish uchun tahlil qilamiz.

Shakl 21 (a) inverting va inverting bo'lmagan kirishlar qarshilik orqali erga ulangan bir op-ampli devorni ko'rsatadi.

Elektron devor 21 (b) ga mos keladigan uning o'rniga o'tadi, biz e'tiborsiz qoldirdik V_io. Shakl 21 (s) da elektronni o'chirib tashlashni yanada soddalashtiramiz R_o va R_yuk. Ya'ni, biz taxmin qilamiz R_F >> R_o va R_yuk >> R_o. Chiqish yuklov talablari odatda ushbu tengsizliklar bajarilishini ta'minlaydi.

Shakl 21 (d) da qo'shimcha ravishda qarama-qarshi kuchlanish manbai va qarshilikning seriyali kombinatsiyasi o'zgarmaydigan oqim manbai va qarshilikning parallel kombinatsiyasi bilan almashtiriladi.

Va nihoyat, shakl 21 (E) ning soddalashtirilgan ekvivalentini olish uchun qarshiliklarni birlashtiramiz va ikkala oqim manbasini voltaj manbalariga qaytaramiz.

Shakl 21 (b) va (s) - Kirish tomondan ta'sirlar

Chiqish kuchlanishini topish uchun loop tenglamasidan foydalanamiz.

(43)

qayerda

(44)

Umumiy rejim qarshiligi, R_cm, ko'p op-amperlar uchun bir necha yuz megohm oralig'ida joylashgan. Shuning uchun

(45)

Agar biz bundan ham shunday deb hisoblasak G_o katta bo'lsa, tenglama (43) tenglama bo'ladi.

(46)

Shakl 21 (d) va (e) - Kiruvchi ogohlantirish effektlari

Ahamiyat bering, agar qiymati R₁ teng bo'lsa, u holda chiqish zo'riqishida nol bo'ladi. Ushbu tahlildan biz quyidagicha xulosa chiqardik dc qarshilik V₊ erga teng bo'lishi kerak dc qarshilik V_- erga. Biz buni ishlatamiz nosozlik balansi dizaynlarimizda ko'p marotaba cheklovlar mavjud. Muhim va inverting bo'lmagan terminallar ham juda muhim dc kirish tomonlama oqimining ta'sirini kamaytirish uchun erga yo'l.

Input Bias Joriy, amaliy op-amp, operatsion kuchaytirgichlar

Shakl 22 - 1-misol uchun konfiguratsiyalar

misol 1

Shakl 22 konfiguratsiyasi uchun chiqish kuchlanishini toping I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Qarori: Biz shakl 46 (a) ning o'chirish uchun chiqish kuchlanishini topish uchun Tenglama (22) ning soddalashtirilgan shaklidan foydalanamiz.

Shakl 22 (b) ning o'chirilishi uchun biz olamiz

ILOVA

Bundan tashqari, quyidagi hisob-kitoblarni TINACloud tuman simulyatori yordamida amalga oshirishingiz mumkin.

Input Bias Joriy Modellash O'chirish Simulyatsiyasi

TINACloud bilan joriy bias oqim modellashtirish davriy simulyatsiya

TINACloud bilan joriy bias oqim modellashtirish davriy simulyatsiya

5.5 Umumiy tartibni bekor qilish

Op-amp odatda ikkita kirish kuchlanish o'rtasidagi farqni kuchaytirish uchun ishlatiladi. Shuning uchun ham, farqli rejim. Ushbu ikkita kirishning har biriga qo'shilgan doimiy kuchlanish farqga ta'sir qilmasligi kerak va shuning uchun chiqishga o'tkazilmasligi kerak. Amaliy vaziyatda, kirishlarning bu doimiy yoki o'rtacha qiymati qilsa chiqish voltajiga ta'sir qiladi. Agar biz faqat ikkita uskaning teng qismlarini hisobga olsak, biz shunga o'xshash narsalarni ko'rib chiqamiz umumiy tartib.

Shakl 23 - umumiy rejim

Haqiqiy op-ampning ikkita kirish terminali birgalikda birlashtirilib, keyin esa umumiy manba voltsiyasiga ega deb hisoblaylik. Bu shakl 23da ko'rsatilgan. Chiqish kuchlanishi ideal holatda nolga teng bo'ladi. Amaliy holatda ushbu chiqim nolga teng emas. Nol bo'lmagan chiqdi voltsiyasining qo'llaniladigan kirish voltajiga nisbati umumiy rejimdagi kuchlanish, G_cm. The umumiy rejimni rad etish darajasi (CMRR) nisbati sifatida tavsiflanadi dc ochiq aylanma daromad, G_o, umumiy rejim qobiliyatiga ega. Shunday qilib,

(47)

80dan 100 dBgacha bo'lgan CMRR turidagi odatiy qiymatlar. CMRR ni iloji boricha yuqori darajaga etkazish maqsadga muvofiqdir.

5.6 Quvvatni rad etish darajasi

Quvvatni rad etish darajasi op-ampni quvvat manbai voltajidagi o'zgarishlarga e'tibor bermaslik qobiliyatining o'lchovidir. Agar tizimning chiqish bosqichida o'zgaruvchan oqim miqdori mavjud bo'lsa, tarmoqning kuchlanishi o'zgarishi mumkin. Bu yukning kuchlanishdagi yuklanishiga bog'liq o'zgarishlar, keyinchalik bir xil ta'minotni taqsimlaydigan boshqa kuchaytirgichlarning ishlashiga olib kelishi mumkin. Bu ma'lum o'zaro suhbatlar, bu esa beqarorlikka olib kelishi mumkin.

The quvvat manbaini rad etish darajasi (PSRR) - o'zgarish nisbati v_tashqarida quvvat manbai voltajining umumiy o'zgarishiga. Masalan, agar ijobiy va manfiy ta'minotlar ± 5 V dan ± 5.5 V gacha o'zgarib tursa, umumiy o'zgarish 11 - 10 = 1 V ni tashkil qiladi. PSRR odatda voltga mikrovoltlarda yoki ba'zan desibellarda belgilanadi. Odatda op-amperlarda PSRR taxminan 30 mV / V ga teng.

Besleme voltajidagi o'zgarishlarni kamaytirish uchun har bir op-amper guruhi uchun energiya ta'minoti bo'lishi kerak ajratilgan (ya'ni izolyatsiyalangan) boshqa guruhlardan olingan. Bu shovqinni bir guruh opamperlar bilan cheklaydi. Amalda, har bir bosilgan elektron karta 0.1-mF seramika yoki 1-mF tantalli kondansatkich orqali erga ulangan chiziqlarga ega bo'lishi kerak. Bu esa, yuklarning o'zgarishi boshqa kartalarga ta'minot orqali sezilarli darajada oziqlanmasligini ta'minlaydi.

5.7 Chiqish qarshiligi

Chiqish qarshiligini aniqlashda birinchi qadam bo'lib, R_tashqaridabiz shakl 24 da kesilgan chiziqlar ichiga olingan qutidagi ko'rsatilgan op-amp davri uchun Thevenin ekvivalentini topamiz. Shuni esda tutingki, biz bu tahlilda ofset oqimiga va kuchlanishiga e'tibor bermaymiz.

(24)

Sxema mustaqil manbalarni o'z ichiga olmaganligi sababli, Thevenin ekvivalenti kuchlanishi nolga teng, shuning uchun elektron bitta qarshilikka teng. Qarshilik kombinatsiyasi yordamida qarshilik qiymatini topish mumkin emas. Ekvivalent qarshilikni topish uchun v ga kuchlanish manbai chiqadigan simlarga qo'llaniladi deb taxmin qiling. Keyin hosil bo'lgan oqimni hisoblaymiz, i, nisbatini oling v/i. Bu Thevenin qarshiligini beradi.

Shakl 25 (a qism) - Thevenin ekvivalent davrlari

Shakl 25 (qism b)

Shakl 25 (a) qo'llanilgan kuchlanish manbasini ko'rsatadi. Vxodali shakl 25 (b) da ko'rsatilgandan keyingina soddalashtirilgan.

Shakl 25 (s) da ko'rsatilgandek kontaktlarning zangori qismini qisqartirishi mumkin, bu erda biz ikkita yangi qarshilikni quyidagicha aniqlaymiz:

(48)

Biz buni taxmin qilamiz R '_A << (R '₁ + R_i) va R_i >> R '₁. Shakllar 25 (D) ning soddalashtirilgan davri.

Kirish farqlovchi kuchlanish, v_d, bu soddalashtirilgan devorda kuchlanishni taqsimlash nisbati yordamida topiladi.

(49)

Chiqish qarshiligini topish uchun, biz chiqish loop tenglamasini yozish bilan boshlaymiz.

(50)

Shakl 25 (c va d qismlar) - Thevenin ekvivalentining kamaytirilgan davrlari

Chiqish qarshiligi keyinchalik Denklem (51) tomonidan beriladi.

(51)

Ko'pgina hollarda, R_cm juda katta R '_A»R_A va R₁"»R₁. Tenglama (51) nol-chastotali kuchlanishdan foydalangan holda soddalashtirilishi mumkin, G_o. Natijada tenglama (52).

(52)

ILOVA

Quyidagi havolani bosish orqali TINACloud O'chirish Simulyatori yordamida elektron simulyatsiya bilan 25 (a) elektronning Chiqish empedansini hisoblashingiz mumkin.

TINACloud bilan chiziqli simetrning chiqish impedansiyasi

TINACloud bilan chiziqli simetrning chiqish impedansiyasi

misol 2

Shakl 26da ko'rsatilganidek, birlik-daromad buferining chiqish empedansiyasini toping.

amaliy op-amp, operatsion kuchaytirgichlar

Shakl 26 - Unity gain tampon

Qarori: Shakl 26 ning elektron davri shakl 24 ning qayta besleme pallasida taqqoslaganda, biz buni topamiz

Shuning uchun,

Tenglama (51) usuli mavjud emas, chunki biz bu holatda shakl 25 (s) ni soddalashtirishga olib keladigan tengsizliklarning amal qilishiga ishonchimiz komil emas. Boshqacha aytganda, soddalashtirish kerak