KHAI THÁC. Thiết kế mạch Op-amp
HIỆN TẠI - 6. Thiết kế Mạch Op-amp
TRƯỚC-5. Kết hợp đầu vào đảo ngược và không đảo ngược
Thiết kế mạch op-amp
Khi cấu hình của hệ thống op-amp được cung cấp, chúng ta có thể phân tích hệ thống đó để xác định đầu ra theo các đầu vào. Chúng tôi thực hiện phân tích này bằng cách sử dụng quy trình thảo luận trước đó (trong chương này).
Nếu bây giờ bạn muốn thiết kế một mạch kết hợp cả đầu vào đảo ngược và không đảo ngược, vấn đề phức tạp hơn. Trong bài toán thiết kế, một phương trình tuyến tính mong muốn được đưa ra và mạch op-amp phải được thiết kế. Đầu ra mong muốn của mùa hè bộ khuếch đại hoạt động có thể được biểu diễn dưới dạng kết hợp tuyến tính của đầu vào,
(30)
Ở đâu X1, X2 ...Xn là mức tăng mong muốn ở đầu vào không đảo và và Ya, Yb ...Ym là mức tăng mong muốn tại các đầu vào đảo ngược. Phương trình (30) được thực hiện với mạch Hình (14).
Hình 14- Nhiều đầu vào mùa hè
Mạch này là phiên bản sửa đổi một chút của mạch Hình (13) (Đảo ngược và không đảo ngược đầu vào).
Hình 13- Đầu vào đảo ngược và không đảo ngược
Sự thay đổi duy nhất chúng tôi đã thực hiện là bao gồm các điện trở giữa các đầu vào op-amp và mặt đất. Mặt đất có thể được xem như là một đầu vào bổ sung của 0 volt được kết nối thông qua điện trở tương ứng (Ry cho đầu vào đảo ngược và Rx cho đầu vào không đảo). Việc bổ sung các điện trở này cho phép chúng tôi linh hoạt trong việc đáp ứng bất kỳ yêu cầu nào ngoài các phương trình (30). Ví dụ, các điện trở đầu vào có thể được chỉ định. Một hoặc cả hai điện trở bổ sung này có thể được loại bỏ bằng cách để giá trị của chúng đi đến vô cùng.
Phương trình (29) từ phần trước cho thấy rằng các giá trị của điện trở, Ra, Rb, ...Rm và R1, R2, ...Rn tỷ lệ nghịch với mức tăng mong muốn liên quan đến điện áp đầu vào tương ứng. Nói cách khác, nếu mức tăng lớn được mong muốn tại một thiết bị đầu vào cụ thể, thì điện trở tại thiết bị đầu cuối đó là nhỏ.
Khi mức tăng vòng hở của bộ khuếch đại hoạt động, G, là lớn, điện áp đầu ra có thể được viết theo các điện trở được kết nối với bộ khuếch đại hoạt động như trong phương trình (29). Phương trình (31) lặp lại biểu thức này với sự đơn giản hóa nhẹ và thêm các điện trở xuống đất.
(31)
Chúng tôi xác định hai điện trở tương đương như sau:
(32)
ỨNG DỤNG
Phân tích mạch sau bằng TINACloud để xác định Vra về mặt điện áp đầu vào bằng cách nhấp vào liên kết dưới đây.
Mô phỏng mạch mùa hè nhiều đầu vào của TINACloud
Mô phỏng mạch mùa hè nhiều đầu vào của TINACloud
Chúng ta thấy rằng điện áp đầu ra là sự kết hợp tuyến tính của các đầu vào trong đó mỗi đầu vào được chia cho điện trở liên kết của nó và nhân với một điện trở khác. Điện trở nhân là RF để đảo ngược đầu vào và Req cho đầu vào không đảo.
Số lượng ẩn số trong vấn đề này là n + m +3 (tức là các giá trị điện trở không xác định). Do đó chúng ta cần phát triển n + m +Phương trình 3 để giải quyết những ẩn số này. Chúng ta có thể xây dựng n + m của các phương trình này bằng cách khớp các hệ số đã cho trong phương trình (30). Đó là, chúng tôi chỉ đơn giản phát triển hệ phương trình từ phương trình (30), (31) và (32) như sau:
(33)
Vì chúng tôi có thêm ba ẩn số, chúng tôi có thể linh hoạt để đáp ứng thêm ba ràng buộc. Các ràng buộc bổ sung điển hình bao gồm các cân nhắc về điện trở đầu vào và có các giá trị hợp lý cho các điện trở (ví dụ: Bạn sẽ không muốn phải sử dụng một điện trở chính xác cho R1 bằng với 10-4 ồ!)
Mặc dù không bắt buộc đối với thiết kế sử dụng op-amps lý tưởng, chúng tôi sẽ sử dụng một ràng buộc thiết kế rất quan trọng đối với op-amps không lý tưởng. Đối với op-amp không đảo ngược, điện trở Thevenin nhìn lại từ đầu vào đảo ngược thường được thực hiện bằng với nhìn lại từ đầu vào không đảo. Đối với cấu hình được hiển thị trong Hình (14), ràng buộc này có thể được biểu thị như sau:
(34)
Kết quả đẳng thức cuối cùng từ định nghĩa của RA từ phương trình (32). Thay thế kết quả này vào phương trình (31) mang lại ràng buộc,
(35)
(36)
Thay thế kết quả này vào phương trình (33) mang lại tập phương trình đơn giản,
(37)
Sự kết hợp của phương trình (34) và phương trình (37) cung cấp cho chúng ta thông tin cần thiết để thiết kế mạch. Chúng tôi chọn một giá trị là RF và sau đó giải quyết các điện trở đầu vào khác nhau bằng phương trình (37). Nếu các giá trị của điện trở không nằm trong phạm vi thực tế, chúng ta quay lại và thay đổi giá trị của điện trở phản hồi. Khi chúng tôi giải quyết được các điện trở đầu vào, sau đó chúng tôi sử dụng phương trình (34) để buộc các điện trở phải bằng nhau khi nhìn lại từ hai đầu vào op-amp. Chúng tôi chọn giá trị của Rx và Ry để buộc sự bình đẳng này. Trong khi Công thức (34) và (37) chứa thông tin cần thiết cho thiết kế, một điều quan trọng cần xem xét là có hay không bao gồm các điện trở giữa đầu vào op-amp và đất (Rx và Ry). Giải pháp có thể yêu cầu các lần lặp để có được các giá trị có ý nghĩa (nghĩa là bạn có thể thực hiện giải pháp một lần và đưa ra các giá trị kháng âm). Vì lý do này, chúng tôi trình bày một quy trình số giúp đơn giản hóa số lượng tính toán[1]
Phương trình (34) có thể được viết lại như sau:
(38)
Phương trình thay thế (37) thành phương trình (38) mà chúng ta thu được,
(39)
Hãy nhớ lại rằng mục tiêu của chúng tôi là giải quyết các giá trị điện trở theo Xi và Yj. Hãy để chúng tôi xác định các điều khoản tóm tắt như sau:
(40)
Sau đó chúng ta có thể viết lại phương trình (39) như sau:
(41)
Đây là một điểm khởi đầu cho thủ tục thiết kế của chúng tôi. Nhớ lại rằng Rx và Ry lần lượt là các điện trở giữa đất và các đầu vào không đảo và nghịch đảo. Điện trở phản hồi được ký hiệu là RF và một thuật ngữ mới, Z, được định nghĩa là
(42)
Bảng (1) -Thiết kế bộ khuếch đại
Chúng ta có thể loại bỏ một hoặc cả hai điện trở, Rx và Ry, từ mạch của Hình (14). Đó là, một trong hai hoặc cả hai điện trở này có thể được đặt thành vô cực (nghĩa là mở mạch). Điều này mang lại ba khả năng thiết kế. Tùy thuộc vào các yếu tố nhân mong muốn liên quan đến đầu ra với đầu vào, một trong những trường hợp này sẽ mang lại thiết kế phù hợp. Các kết quả được tóm tắt trong Bảng (1).
Thiết kế mạch với TINA và TINACloud
Có một số công cụ có sẵn trong TINA và TINACloud cho bộ khuếch đại hoạt động và thiết kế mạch.
Tối ưu hóa
TINACác thông số mạch không xác định của Chế độ Tối ưu hóa có thể được xác định tự động để mạng có thể tạo ra giá trị đầu ra mục tiêu được xác định trước, tối thiểu hoặc tối đa. Tối ưu hóa hữu ích không chỉ trong thiết kế mạch mà còn trong giảng dạy, để xây dựng các ví dụ và vấn đề. Lưu ý rằng công cụ này không chỉ hoạt động với op-amps lý tưởng và mạch tuyến tính, mà còn cho bất kỳ mạch phi tuyến nào có phi tuyến thực và các mô hình thiết bị khác.
Xem xét mạch khuếch đại đảo ngược với bộ khuếch đại hoạt động thực sự OPA350.
Theo thiết lập mặc định của mạch này, điện áp đầu ra của mạch là 2.5
Bạn có thể dễ dàng kiểm tra điều này bằng cách nhấn nút DC trong TINACloud.
ỨNG DỤNG
Phân tích mạch sau bằng trình mô phỏng mạch trực tuyến TINACloud để xác định Vra về mặt điện áp đầu vào bằng cách nhấp vào liên kết dưới đây.
Mô phỏng mạch OPA350 với TINACloud
Mô phỏng mạch OPA350 với TINACloud
Nếu để chuẩn bị điều này, chúng ta nên chọn mục tiêu Out = 3V và tham số mạch cần xác định (Đối tượng tối ưu hóa) Vref. Đối với đối tượng này, chúng ta cũng nên xác định vùng giúp tìm kiếm nhưng cũng đại diện cho các ràng buộc.
Để chọn và đặt mục tiêu Tối ưu hóa trong TINACloud, nhấp vào Ghim điện áp và đặt Mục tiêu tối ưu hóa thành Có
Tiếp theo, nhấp vào nút trên cùng một dòng và đặt Giá trị thành 3.
Nhấn OK trong mỗi hộp thoại để hoàn tất cài đặt.
Bây giờ chúng ta hãy chọn và thiết lập Đối tượng Tối ưu hóa Vref.
Nhấp vào Vref, sau đó nút trên cùng một dòng
Chọn Tối ưu hóa đối tượng trong danh sách trên cùng và đặt hộp kiểm Tối ưu hóa / Đối tượng.
Nhấn OK trong cả hai hộp thoại.
Nếu cài đặt Tối ưu hóa thành công, bạn sẽ thấy dấu hiệu >> tại Out và dấu hiệu << tại Vref như hình dưới đây.
Bây giờ chọn Tối ưu hóa từ menu Phân tích và nhấn RUN trong hộp thoại Tối ưu hóa.
Sau khi hoàn thành Tối ưu hóa Vref tìm thấy, Giá trị tối ưu, sẽ được hiển thị trong hộp thoại Tối ưu hóa DC
Bạn có thể nghiên cứu cài đặt và chạy Tối ưu hóa trực tuyến và kiểm tra bằng Mô phỏng mạch bằng liên kết bên dưới.
Chạy Tối ưu hóa từ menu Phân tích, sau đó nhấn nút DC để xem kết quả trong mạch Tối ưu hóa (3V)
Tối ưu hóa trực tuyến và mô phỏng mạch với TINACloud
Lưu ý rằng tại thời điểm này trong TINACloud chỉ bao gồm một tối ưu hóa DC đơn giản. Các tính năng tối ưu hóa khác được bao gồm trong phiên bản ngoại tuyến của TINA.
Tối ưu hóa AC
Sử dụng phiên bản ngoại tuyến của TINA, bạn cũng có thể tối ưu hóa và thiết kế lại các mạch AC.
Mở mạch thông thấp MFB 2nd của Chwardsshev LPF.TSC, từ Ví dụ thư mục \ Dụng cụ Texas \ Bộ lọc_pháy lọc của TINA, hiển thị dưới đây.
Chạy Phân tích AC / Đặc tính chuyển AC.
Sơ đồ sau sẽ xuất hiện:
Mạch có sự thống nhất (0dB) Gain và 1.45kHz Tần số cắt.
Bây giờ hãy thiết kế lại mạch bằng Tối ưu hóa AC và đặt mức tăng tần số thấp thành 6dB và tần số Cutoff thành 900Hz.
Chú thích mà thông thường các công cụ tối ưu hóa chỉ áp dụng cho các thay đổi. Trong trường hợp bộ lọc, bạn có thể muốn sử dụng thay vì một công cụ thiết kế bộ lọc. Chúng tôi sẽ đối phó với chủ đề đó sau.
Bây giờ sử dụng Tối ưu hóa mức tăng và tần số Cắt là các mục tiêu Tối ưu hóa.
Nhấp vào biểu tượng “Chọn Mục tiêu Tối ưu hóa” trên thanh công cụ hoặc trên menu Phân tích “Chọn Mục tiêu Tối ưu hóa”
Con trỏ sẽ thay đổi thành biểu tượng: 
. Nhấp vào chân Điện áp Vout với biểu tượng con trỏ mới.
Hộp thoại sau sẽ xuất hiện:
Nhấp vào nút Chức năng mục tiêu AC. Hộp thoại sau sẽ xuất hiện:
Chọn hộp kiểm Low Pass và đặt tần suất cắt Target thành 900. Bây giờ, hãy chọn hộp kiểm Tối đa và đặt Mục tiêu thành 6.
Tiếp theo chọn các tham số mạch mà bạn muốn thay đổi để đạt được các mục tiêu Tối ưu hóa.
Nhấn vào 
biểu tượng hoặc dòng Chọn đối tượng điều khiển trên menu Phân tích.
Con trỏ sẽ thay đổi thành biểu tượng ở trên. Nhấp vào tụ điện C1 với con trỏ mới này. Hộp thoại sau sẽ xuất hiện:
Nhấn nút chọn. Hộp thoại sau sẽ xuất hiện:
Chương trình tự động đặt phạm vi (ràng buộc) trong đó giá trị Tối ưu sẽ được tìm kiếm. Giá trị cuối cho 20n như hình trên.
Bây giờ lặp lại quy trình tương tự cho R2. Đặt giá trị Kết thúc là 20k.
Sau khi hoàn tất thiết lập Tối ưu hóa, chọn Tối ưu hóa / Tối ưu hóa AC (Chuyển) từ menu Phân tích.
Hộp thoại sau sẽ xuất hiện:
Chấp nhận cài đặt mặc định bằng cách nhấn OK.
Sau khi tính toán ngắn, tối ưu được tìm thấy và các tham số thành phần thay đổi xuất hiện:
Cuối cùng kiểm tra kết quả với mô phỏng mạch chạy Chạy Phân tích AC / Đặc tính truyền AC.
Như được hiển thị trên sơ đồ, các giá trị đích (Đạt 6db, tần số cắt ra 900Hz) đã đạt được.
Sử dụng Công cụ thiết kế mạch trong TINA và TINACloud
Một phương pháp khác của phương pháp thiết kế mạch trong TINA và TINAcloud đang sử dụng công cụ được thiết kế sẵn là Circuit Designer có tên đơn giản là Công cụ thiết kế.
Công cụ thiết kế hoạt động với các phương trình thiết kế của mạch của bạn để đảm bảo rằng các đầu vào được chỉ định dẫn đến đáp ứng đầu ra được chỉ định. Công cụ yêu cầu bạn một tuyên bố về đầu vào và đầu ra và mối quan hệ giữa các giá trị thành phần. Công cụ này cung cấp cho bạn một công cụ giải pháp mà bạn có thể sử dụng để giải quyết lặp đi lặp lại và chính xác cho các tình huống khác nhau. Các giá trị thành phần được tính toán sẽ tự động được đặt đúng vị trí trong sơ đồ và bạn có thể kiểm tra kết quả bằng mô phỏng.
Hãy thiết kế khuếch đại AC của cùng một mạch bằng công cụ Circuit Designer của chúng tôi.
Mở mạch từ thư mục Công cụ thiết kế của TINACloud. Màn hình sau sẽ xuất hiện.
Bây giờ hãy chạy Phân tích AC / Đặc tính chuyển AC.
Sơ đồ sau sẽ xuất hiện:
Bây giờ, hãy thiết kế lại mạch để đạt được sự thống nhất (0dB)
Gọi Thiết kế lại Mạch này từ menu Công cụ
Hộp thoại sau sẽ xuất hiện.
Đặt Gain thành -1 (0 dB) và nhấn nút Run.
Các giá trị thành phần mới được tính toán sẽ ngay lập tức xuất hiện trong trình chỉnh sửa sơ đồ, được vẽ bằng màu đỏ.
Nhấn nút Chấp nhận.
Những thay đổi sẽ được hoàn thiện. Chạy lại Phân tích AC / Đặc tính truyền AC để kiểm tra mạch được thiết kế lại.
———————————————————————————————————————————————————— —-
1Kỹ thuật này đã được Phil Vrbancic, một sinh viên tại Đại học bang California, Long Beach nghĩ ra và trình bày trong một bài báo gửi đến Cuộc thi giải thưởng của Vùng VI.