Op-amps thực tế- Tài nguyên TINA và TINACloud

Op-amps thực tế

Op-amps thực tế gần đúng của họ lý tưởng đối tác nhưng khác nhau ở một số khía cạnh quan trọng. Điều quan trọng là người thiết kế mạch phải hiểu được sự khác biệt giữa op-amps thực tế và op-amps lý tưởng, vì những khác biệt này có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của mạch.

Mục tiêu của chúng tôi là phát triển một mô hình chi tiết của op-amp thực tế - một mô hình có tính đến các đặc điểm quan trọng nhất của thiết bị không lý tưởng. Chúng tôi bắt đầu bằng cách xác định các thông số được sử dụng để mô tả op-amps thực tế. Các thông số này được chỉ định trong danh sách trên bảng dữ liệu do nhà sản xuất op-amp cung cấp.

Bảng 1 liệt kê các giá trị tham số cho ba op-amps cụ thể, một trong ba giá trị là μA741. Chúng tôi sử dụng các bộ khuếch đại hoạt động μA741 trong nhiều ví dụ và các vấn đề cuối chương vì các lý do sau: (1) chúng đã được chế tạo bởi nhiều nhà sản xuất IC, (2) chúng được tìm thấy với số lượng lớn trong ngành công nghiệp điện tử và ( 3) chúng là các op-amp được bù nội bộ có mục đích chung và các thuộc tính của chúng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các mục đích so sánh khi làm việc với các loại op-amp khác. Vì các tham số khác nhau được định nghĩa trong các phần sau, nên tham chiếu đến Bảng 9.1 để tìm các giá trị tiêu biểu.

Op-amps thực tế, bộ khuếch đại hoạt động

Bảng 1 - Giá trị tham số cho op-amps

Sự khác biệt đáng kể nhất giữa op-amps lý tưởng và thực tế là ở mức tăng điện áp. Op-amp lý tưởng có mức tăng điện áp đạt tới vô hạn. Op-amp thực tế có mức tăng điện áp hữu hạn giảm khi tần số tăng (chúng ta khám phá chi tiết này trong chương tiếp theo).

Tăng điện áp vòng lặp 5.1 (G)

Độ tăng điện áp vòng hở của op-amp là tỷ lệ thay đổi điện áp đầu ra so với thay đổi điện áp đầu vào mà không có phản hồi. Độ lợi điện áp là một đại lượng không thứ nguyên. Ký hiệu G được sử dụng để biểu thị mức tăng điện áp vòng hở. Op-amps có mức tăng điện áp cao cho các đầu vào tần số thấp. Đặc tả op-amp liệt kê mức tăng điện áp tính bằng volt trên mili giây hoặc tính bằng decibel (dB) [được định nghĩa là 20log₁₀(v_ra/v_in)].

Mô hình Op-amp được sửa đổi 5.2

Hình 14 cho thấy một phiên bản sửa đổi của mô hình op-amp được lý tưởng hóa. Chúng tôi đã thay đổi mô hình lý tưởng hóa bằng cách thêm điện trở đầu vào (R_i), điện trở đầu ra (R_o) và kháng chế độ chung (R_cm).

Hình 14 - Mô hình op-amp được sửa đổi

Các giá trị tiêu biểu của các tham số này (đối với op-amp 741) là

Bây giờ chúng tôi xem xét mạch của Hình 15 để kiểm tra hiệu suất op-amp. Các đầu vào đảo ngược và không đảo ngược của op-amp được điều khiển bởi các nguồn có điện trở nối tiếp. Đầu ra của op-amp được đưa trở lại đầu vào thông qua một điện trở, R_F.

Các nguồn điều khiển hai đầu vào được ký hiệu v_A và v₁và các điện trở loạt liên quan là R_A và R₁. Nếu mạch đầu vào phức tạp hơn, các điện trở này có thể được coi là tương đương Thevenin của mạch đó.

Hình 15 - Mạch Op-amp

5.3 Điện áp bù đầu vào (V_io)

Khi điện áp đầu vào của một op-amp lý tưởng bằng 0, điện áp đầu ra cũng bằng không. Điều này không đúng với một op-amp thực tế. Các điện áp bù đầu vào, V_io, được định nghĩa là điện áp đầu vào vi sai cần thiết để làm cho điện áp đầu ra bằng không. V_io là 0 cho op-amp lý tưởng. Một giá trị tiêu biểu của V_io đối với op-amp 741 là 2 mV. Giá trị khác không của V_io là không mong muốn vì op-amp khuếch đại bất kỳ phần bù đầu vào nào, do đó gây ra đầu ra lớn hơn dc lỗi.

Kỹ thuật sau đây có thể được sử dụng để đo điện áp bù đầu vào. Thay vì thay đổi điện áp đầu vào để buộc đầu ra về 0, đầu vào được đặt bằng 0, như trong Hình 16, và điện áp đầu ra được đo.

Hình 16 - Kỹ thuật đo Vio

Điện áp đầu ra do điện áp đầu vào bằng 0 được gọi là đầu ra điện áp bù dc. Điện áp bù đầu vào thu được bằng cách chia đại lượng này cho mức tăng vòng hở của op-amp.

Các hiệu ứng của điện áp bù đầu vào có thể được tích hợp vào mô hình op-amp như trong Hình 17.

Ngoài việc bao gồm điện áp bù đầu vào, mô hình op-amp lý tưởng đã được sửa đổi thêm với việc bổ sung bốn điện trở. R_o là kháng đầu ra. Các kháng đầu vào của op-amp, R_i, được đo giữa các thiết bị đầu cuối đảo ngược và không đảo. Mô hình cũng chứa một điện trở kết nối hai đầu vào với mặt đất.

Đây là những điện trở chế độ chungvà mỗi cái bằng với 2R_cm. Nếu các đầu vào được kết nối với nhau như trong Hình 16, hai điện trở này song song và điện trở Thevenin kết hợp với mặt đất là R_cm. Nếu op-amp là lý tưởng, R_i và R_cm tiếp cận vô cực (tức là mạch hở) và R_o bằng không (nghĩa là ngắn mạch).

Hình 17 - Điện áp bù đầu vào

Cấu hình bên ngoài được hiển thị trong Hình 18 (a) có thể được sử dụng để phủ nhận các ảnh hưởng của điện áp bù. Một điện áp thay đổi được áp dụng cho thiết bị đầu cuối đảo ngược. Lựa chọn đúng của điện áp này hủy bỏ bù đầu vào. Tương tự, hình 18 (b) minh họa mạch cân bằng này được áp dụng cho đầu vào không đảo.

Hình 18 - Cân bằng điện áp bù

ỨNG DỤNG

Bạn có thể kiểm tra Cân bằng điện áp bù đầu vào của mạch 18 (a) bằng cách mô phỏng trực tuyến với Bộ mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

Mô phỏng mạch cân bằng điện áp đầu vào (a) với TINACloud

Mô phỏng mạch cân bằng điện áp đầu vào (a) với TINACloud

ỨNG DỤNG

Bạn có thể kiểm tra Cân bằng bù đầu vào của mạch 18 (b) bằng cách mô phỏng trực tuyến với Trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới:

Mô phỏng mạch cân bằng điện áp đầu vào (b) với TINACloud

Mô phỏng mạch cân bằng bù đầu vào (b) với TINACloud

5.4 Xu hướng đầu vào hiện tại (I_Bias)

Mặc dù các đầu vào op-amp lý tưởng không có dòng điện, nhưng các op-amp thực tế cho phép một số dòng điện thiên vị đi vào từng đầu vào đầu vào. I_Bias là dc hiện tại vào bóng bán dẫn đầu vào và một giá trị tiêu biểu là 2 A. Khi trở kháng nguồn thấp, I_Bias ít ảnh hưởng vì nó gây ra sự thay đổi tương đối nhỏ trong điện áp đầu vào. Tuy nhiên, với các mạch lái xe có trở kháng cao, một dòng điện nhỏ có thể dẫn đến điện áp lớn.

Dòng điện thiên vị có thể được mô hình hóa thành hai mức chìm hiện tại, như trong Hình 19.

Hình 19 - Cân bằng điện áp bù

Các giá trị của các bồn này không phụ thuộc vào trở kháng nguồn. Các xu hướng hiện tại được định nghĩa là giá trị trung bình của hai bồn hiện tại. Như vậy

(40)

Sự khác biệt giữa hai giá trị chìm được gọi là đầu vào bù hiện tại, I_iovà được đưa ra bởi

(41)

Cả dòng điện phân cực đầu vào và dòng bù đầu vào đều phụ thuộc vào nhiệt độ. Các hệ số nhiệt độ hiện tại đầu vào được định nghĩa là tỷ lệ thay đổi của dòng điện thiên vị so với thay đổi nhiệt độ. Một giá trị tiêu biểu là 10 nA /^oC. đầu vào bù hệ số nhiệt độ hiện tại được định nghĩa là tỷ lệ của sự thay đổi cường độ của dòng điện bù với sự thay đổi nhiệt độ. Giá trị tiêu biểu là -2nA /^oC.

Hình 20 - Mô hình hiện tại thiên vị đầu vào

Các dòng phân cực đầu vào được tích hợp vào mô hình op-amp của Hình 20, trong đó chúng tôi giả sử rằng dòng bù đầu vào là không đáng kể.

Đó là,

Hình 21 (a) - Mạch điện

Chúng tôi phân tích mô hình này để tìm điện áp đầu ra gây ra bởi dòng điện phân cực đầu vào.

Hình 21 (a) cho thấy một mạch op-amp trong đó các đầu vào đảo ngược và không đảo ngược được kết nối với mặt đất thông qua các điện trở.

Mạch được thay thế bằng tương đương của nó trong Hình 21 (b), trong đó chúng ta đã bỏ qua V_io. Chúng tôi tiếp tục đơn giản hóa mạch trong Hình 21 (c) bằng cách bỏ qua R_o và R_tải. Đó là, chúng tôi giả định R_F >> R_o và R_tải >> R_o. Yêu cầu tải đầu ra thường đảm bảo rằng các bất đẳng thức được đáp ứng.

Mạch được đơn giản hóa hơn nữa trong Hình 21 (d) trong đó sự kết hợp chuỗi của nguồn điện áp phụ thuộc và điện trở được thay thế bằng sự kết hợp song song của nguồn và điện trở phụ thuộc.

Cuối cùng, chúng tôi kết hợp các điện trở và thay đổi cả hai nguồn hiện tại trở lại nguồn điện áp để có được tương đương đơn giản hóa của Hình 21 (e).

Hình 21 (b) và (c) - Hiệu ứng sai lệch đầu vào

Chúng tôi sử dụng một phương trình vòng lặp để tìm điện áp đầu ra.

(43)

Ở đâu

(44)

Điện trở chế độ chung, R_cm, nằm trong phạm vi vài trăm megohms cho hầu hết các op-amps. vì thế

(45)

Nếu chúng ta tiếp tục giả định rằng G_o là lớn, phương trình (43) trở thành phương trình.

(46)

Hình 21 (d) và (e) - Hiệu ứng sai lệch đầu vào

Lưu ý rằng nếu giá trị của R₁ được chọn bằng, sau đó điện áp đầu ra bằng không. Chúng tôi kết luận từ phân tích này rằng dc kháng từ V₊ mặt đất nên bằng dc kháng từ V_– xuống đất Chúng tôi sử dụng cái này cân bằng thiên vị ràng buộc nhiều lần trong thiết kế của chúng tôi. Điều quan trọng là cả hai thiết bị đầu cuối đảo ngược và không đảo ngược đều có một dc đường dẫn đến mặt đất để giảm ảnh hưởng của dòng điện thiên vị đầu vào.

Xu hướng đầu vào Hiện tại, op-amp thực tế, bộ khuếch đại hoạt động

Hình 22 - Cấu hình cho Ví dụ 1

Ví dụ 1

Tìm điện áp đầu ra cho các cấu hình của Hình 22 trong đó I_B = 80 nA = 8 10^-8 A.
Giải pháp: Chúng tôi sử dụng dạng phương trình đơn giản (46) để tìm điện áp đầu ra cho mạch của Hình 22 (a).

Đối với mạch của Hình 22 (b), chúng ta thu được

ỨNG DỤNG

Ngoài ra, bạn có thể thực hiện các tính toán này với trình mô phỏng mạch TINACloud, sử dụng công cụ Phiên dịch của nó bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

Đầu vào Mô phỏng mạch mô hình hóa hiện tại với TINACloud

Đầu vào Mô phỏng mạch mô hình hóa hiện tại với TINACloud

5.5 Từ chối chế độ chung

Op-amp thường được sử dụng để khuếch đại sự khác biệt giữa hai điện áp đầu vào. Do đó, nó hoạt động trong chế độ vi sai. Một điện áp không đổi được thêm vào mỗi đầu vào trong số hai đầu vào này không được ảnh hưởng đến sự khác biệt và do đó không được chuyển sang đầu ra. Trong trường hợp thực tế, hằng số này hoặc giá trị trung bình của các đầu vào làm ảnh hưởng đến điện áp đầu ra. Nếu chúng ta chỉ xem xét các phần bằng nhau của hai đầu vào, chúng ta đang xem xét cái được gọi là chế độ thông thường.

Hình 23 - Chế độ chung

Chúng ta hãy giả sử rằng hai thiết bị đầu cuối đầu vào của một op-amp thực tế được kết nối với nhau và sau đó đến một điện áp nguồn chung. Điều này được minh họa trong hình 23. Điện áp đầu ra sẽ bằng không trong trường hợp lý tưởng. Trong trường hợp thực tế, đầu ra này khác không. Tỷ lệ của điện áp đầu ra khác không so với điện áp đầu vào được áp dụng là tăng điện áp chế độ chung, G_cm. Các tỷ lệ từ chối chế độ chung (CMRR) được định nghĩa là tỷ lệ của dc tăng vòng lặp mở, G_o, để đạt được chế độ chung. Như vậy

(47)

Các giá trị tiêu biểu của dải CMRR từ 80 đến 100 dB. Mong muốn có CMRR càng cao càng tốt.

5.6 Tỷ lệ từ chối cung cấp điện

Tỷ lệ loại bỏ nguồn cung cấp là thước đo khả năng của op-amp bỏ qua những thay đổi trong điện áp nguồn. Nếu giai đoạn đầu ra của một hệ thống rút ra một lượng dòng điện thay đổi, điện áp cung cấp có thể thay đổi. Sự thay đổi gây ra tải này trong điện áp cung cấp sau đó có thể gây ra những thay đổi trong hoạt động của các bộ khuếch đại khác có chung nguồn cung. Điều này được gọi là nói chuyện chéo, và nó có thể dẫn đến sự bất ổn.

Sản phẩm Tỷ lệ từ chối cung cấp điện (PSRR) là tỷ lệ của sự thay đổi trong v_ra đến sự thay đổi tổng của điện áp cung cấp điện. Ví dụ, nếu nguồn cung cấp tích cực và tiêu cực thay đổi từ ± 5 V đến ± 5.5 V, tổng thay đổi là 11 - 10 = 1 V. PSRR thường được quy định bằng microvolt trên volt hoặc đôi khi tính bằng decibel. Op-amps điển hình có PSRR khoảng 30 μV / V.

Để giảm thay đổi điện áp cung cấp, nguồn điện cho mỗi nhóm op-amps phải là tách rời (tức là bị cô lập) từ những người thuộc các nhóm khác. Điều này giới hạn sự tương tác với một nhóm op-amps duy nhất. Trong thực tế, mỗi thẻ mạch in phải có các đường cung cấp được bỏ qua xuống đất thông qua tụ điện tantalum 0.1-orF hoặc 1-F. Điều này đảm bảo rằng các biến thể tải sẽ không cung cấp đáng kể thông qua việc cung cấp cho các thẻ khác.

5.7 Kháng đầu ra

Là bước đầu tiên trong việc xác định điện trở đầu ra, R_ra, chúng tôi tìm thấy Thevenin tương đương với phần của mạch op-amp được hiển thị trong hộp được đặt trong các đường đứt nét trong Hình 24. Lưu ý rằng chúng ta đang bỏ qua dòng điện và điện áp bù trong phân tích này.

(24)

Vì mạch không chứa nguồn độc lập, điện áp tương đương Thevenin bằng không, do đó mạch tương đương với một điện trở đơn. Giá trị của điện trở không thể được tìm thấy bằng cách sử dụng kết hợp điện trở. Để tìm điện trở tương đương, giả sử rằng một nguồn điện áp, v, được áp dụng cho các dây dẫn đầu ra. Sau đó, chúng tôi tính toán kết quả hiện tại, ivà lấy tỷ lệ v/i. Điều này mang lại sức đề kháng Thevenin.

Hình 25 (phần a) - Các mạch tương đương Thevenin

Hình 25 (phần b)

Hình 25 (a) minh họa nguồn điện áp ứng dụng. Mạch được đơn giản hóa để hiển thị trong Hình 25 (b).

Mạch có thể được giảm hơn nữa để được hiển thị trong Hình 25 (c), trong đó chúng tôi xác định hai điện trở mới như sau:

(48)

Chúng tôi đưa ra giả định rằng R '_A << (R '₁ + R_i) Và R_i >> R '₁. Mạch đơn giản hóa của kết quả Hình 25 (d).

Điện áp vi sai đầu vào, v_d, được tìm thấy từ mạch đơn giản hóa này bằng cách sử dụng tỷ lệ chia điện áp.

(49)

Để tìm điện trở đầu ra, chúng ta bắt đầu bằng cách viết phương trình vòng lặp đầu ra.

(50)

Hình 25 (phần c và d) - Các mạch tương đương Thevenin bị khử

Điện trở đầu ra sau đó được đưa ra bởi phương trình (51).

(51)

Trong hầu hết các trường hợp, R_cm quá lớn R '_A»R_A và R₁'»R₁. Phương trình (51) có thể được đơn giản hóa bằng cách sử dụng mức tăng điện áp tần số 0, G_o. Kết quả là phương trình (52).

(52)

ỨNG DỤNG

Bạn có thể tính trở kháng đầu ra của mạch 25 (a) với mô phỏng mạch bằng cách sử dụng Trình mô phỏng mạch TINACloud bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

Trở kháng đầu ra của Mô phỏng mạch Opamp với TINACloud

Trở kháng đầu ra của Mô phỏng mạch Opamp với TINACloud

Ví dụ 2

Tìm trở kháng đầu ra của bộ đệm đạt được sự thống nhất như trong hình 26.

Hình 26 - Bộ đệm đạt được sự thống nhất

Giải pháp: Khi mạch của Hình 26 được so sánh với mạch phản hồi của Hình 24, chúng tôi thấy rằng

Vì vậy,

Phương trình (51) không thể được sử dụng, vì chúng tôi không chắc chắn rằng các bất đẳng thức dẫn đến đơn giản hóa Hình 25 (c) được áp dụng trong trường hợp này. Đó là, đơn giản hóa đòi hỏi rằng