6。 运算放大器电路设计
电流– 6.运算放大器电路的设计
上一个 - 5。 组合的反相和非反相输入
运算放大器电路的设计
一旦给出了运放系统的配置，我们就可以 分析 该系统根据输入确定输出。 我们使用前面讨论的程序（在本章中）执行此分析。
如果你现在希望 设计 一个结合了反相和非反相输入的电路，问题更加复杂。 在设计问题中，给出了所需的线性方程，并且必须设计运算放大器电路。 夏季运算放大器的所需输出可表示为输入的线性组合，
(30)
哪里 X1, X2 ...Xn 是非反相输入的理想增益 Ya, Yb ...Ym 是反相输入的理想增益。 使用图（30）的电路实现等式（14）。
图14-多输入夏天
该电路是图（13）电路的略微修改版本（反相和非反相输入）.
图13-反相和非反相输入
我们所做的唯一改变是在运算放大器输入和地之间包含电阻。 接地可视为通过相应电阻连接的零伏额外输入（Ry 对于反相输入和 Rx 对于非反相输入）。 添加这些电阻使我们能够灵活地满足除公式（30）之外的任何要求。 例如，可以指定输入电阻。 通过让它们的值变为无穷大，可以去除这些附加电阻中的任何一个或两个。
上一节中的公式（29）显示了电阻的值， Ra, Rb，...Rm 和 R1, R2，...Rn 与各个输入电压相关的期望增益成反比。 换句话说，如果在特定输入端子处需要大增益，那么该端子处的电阻很小。
当运算放大器的开环增益时， G如果是大的，输出电压可以根据连接到运算放大器的电阻写入，如公式（29）所示。 公式（31）重复此表达式，略微简化，并将电阻器添加到地。
(31)
我们定义两个等效电阻如下：
(32)
申请须知
使用TINACloud分析以下电路以确定V输出 点击下面的链接，在输入电压方面。
TINACloud的多输入夏季电路仿真
我们看到输出电压是输入的线性组合，其中每个输入除以其相关电阻并乘以另一个电阻。 倍增阻力是 RF 用于反转输入和 Req 用于非反相输入。
这个问题的未知数是 N + M +3（即未知电阻值）。 因此，我们需要发展 N + M +3方程式以解决这些未知数。 我们可以制定 n + m个 通过匹配等式（30）中的给定系数来计算这些等式。 也就是说，我们简单地从方程（30），（31）和（32）开发方程组，如下所示：
(33)
由于我们还有三个未知数，因此我们可以灵活地满足另外三个约束条件。 典型的附加约束包括输入电阻考虑因素和电阻器的合理值（例如，您不希望必须使用精密电阻器 R1 等于10-4 欧姆！）。
虽然使用理想运算放大器的设计不需要，但我们将使用对非理想运算放大器非常重要的设计约束。 对于非反相运算放大器，从反相输入回顾的戴维宁电阻通常等于从非反相输入回溯的电阻。 对于图（14）中所示的配置，此约束可表示如下：
(34)
最后的平等来自于定义 RA 来自等式（32）。 将此结果代入公式（31）会产生约束，
(35)
(36)
将此结果代入公式（33）得到简单的方程组，
(37)
公式（34）和公式（37）的组合为我们提供了设计电路所需的信息。 我们选择一个值 RF 然后使用公式（37）求解各种输入电阻。 如果电阻值不在实际范围内，我们返回并改变反馈电阻的值。 一旦我们求解输入电阻，我们就可以使用公式（34）来强制从两个运算放大器输入回看电阻。 我们选择的值 Rx 和 Ry 迫使这种平等。 公式（34）和（37）包含了设计的基本信息，但一个重要的考虑因素是在运算放大器输入和地之间是否应包括电阻（Rx 和 Ry）。 解决方案可能需要迭代才能获得有意义的值（即，您可以执行一次解决方案并得出负电阻值）。 因此，我们提出了一个简化计算量的数值程序[1]
公式（34）可以重写如下：
(38)
将方程（37）代入方程（38），我们得到，
(39)
回想一下，我们的目标是根据电阻值求解 Xi 和 Yj. 我们将求和项定义如下：
(40)
然后我们可以重写方程（39），如下所示：
(41)
这是我们设计程序的起点。 回想起那个 Rx 和 Ry 分别是接地与同相和反相输入之间的电阻。 反馈电阻表示为 RF 和一个新名词， Z，被定义为
(42)
表（1） - 沉默放大器设计
我们可以消除其中一个或两个电阻， Rx 和 Ry，来自图（14）的电路。 也就是说，这些电阻器中的任何一个或两个都可以设置为无穷大（即，开路）。 这产生了三种设计可能性。 根据所需的输出与输入相关的乘数因子，其中一种情况将产生适当的设计。 结果总结在表（1）中。
采用TINA和TINACloud的电路设计
TINA和TINACloud提供了多种工具，用于运算放大器和电路设计。
优化
TINA的优化模式可以自动确定未知的电路参数，以便网络可以产生预定义的目标输出值（最小值或最大值）。 优化不仅在电路设计中有用，而且在教学中构造示例和问题也很有用。 请注意，该工具不仅适用于理想的运算放大器和线性电路，而且还适用于具有实际非线性和其他器件模型的任何非线性电路。
考虑具有实际运算放大器OPA350的反相放大器电路。
通过该电路的默认设置，电路的输出电压为2.5
您可以通过按TINACloud中的DC按钮轻松检查此项。
申请须知
使用TINACloud在线电路仿真器分析以下电路以确定V输出 点击下面的链接，在输入电压方面。
使用TINACloud进行OPA350电路仿真
如果为了准备这个，我们应该选择目标Out = 3V和要确定的电路参数（优化对象）Vref。 对于这个对象，我们还应该定义一个有助于搜索但也代表约束的区域。
要在TINACloud中选择和设置优化目标，请单击Vout Voltage引脚并将优化目标设置为是
接下来，单击同一行中的“ - ”按钮，将“值”设置为“3”。
在每个对话框中按确定完成设置。
现在，选择并设置Vref优化对象。
单击Vref，然后单击同一行中的“ - ”按钮
在顶部的列表中选择Optimization Object，然后设置Optimization / Object复选框。
在两个对话框中按确定。
如果优化设置成功，您将在Out看到一个>>符号，在Vref看到一个<<符号，如下所示。
现在从Analysis菜单中选择Optimization，然后在Optimization对话框中按RUN。
完成优化后，找到的Vref，最佳值将显示在DC优化对话框中
您可以在线研究设置并运行优化，并使用以下链接通过Circuit Simulation进行检查。
从Analysis菜单运行Optimization，然后按DC按钮，在优化电路（3V）中查看结果
请注意，此时在TINACloud中仅包含一个简单的DC优化。 TINA的离线版本中包含更多优化功能。
交流优化
使用离线版TINA，您还可以优化和重新设计交流电路。
从中打开MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC低通电路 示例\ TINA的Texas Instruments \ Filters_FilterPro文件夹，如下所示。
运行AC分析/ AC传输特性。
将出现以下图表：
该电路具有单位（0dB）增益和1.45kHz截止频率。
现在让我们使用AC优化和重新设计电路 将低频增益设置为6dB，将截止频率设置为900Hz。
备注 通常，优化工具仅适用于更改。 如果是过滤器，您可能需要使用过滤器设计工具。 我们稍后会讨论这个话题。
现在使用优化，增益和截止频率是优化目标。
单击工具栏上或“分析”菜单上的“选择优化目标”图标“选择优化目标”
光标将变为图标： 
。 单击带有新光标符号的Vout Voltage引脚。
将出现以下对话框：
单击AC目标功能按钮。 将出现以下对话框：
选中Low Pass复选框并将Target cut-off frequency设置为 900。 现在选中最大复选框，并将目标设置为 6.
接下来，选择要更改的电路参数以达到优化目标。
点击 
符号或“分析”菜单上的“选择控制对象”行。
光标将变为上面的符号。 用这个新光标单击C1电容。 将出现以下对话框：
按下选择按钮。 将出现以下对话框：
程序自动设置将搜索Optimum值的范围（约束）。 结束20n的值，如上所示。
现在，对R2重复相同的过程。 将“结束”值设置为20k。
完成优化设置后，从Analysis菜单中选择优化/ AC优化（传输）。
将出现以下对话框：
按“确定”接受默认设置。
经过简短计算后，找到最佳值并显示更改的组件参数：
最后通过运行AC分析/ AC传输特性的电路仿真检查结果。
如图所示，已达到目标值（增益6db，截止频率900Hz）。
使用TINA和TINACloud中的Circuit Designer工具
在TINA和TINAcloud中设计电路的另一种方法是使用简单的设计工具构建的电路设计器工具。
设计工具与电路的设计公式一起使用，以确保指定的输入产生指定的输出响应。 该工具需要您输入和输出声明以及组件值之间的关系。 该工具为您提供了一个解决方案引擎，您可以使用该引擎重复且准确地解决各种情况。 计算出的组件值将自动设置在原理图中，您可以通过模拟检查结果。
让我们使用Circuit Designer工具设计同一电路的AC放大。
从TINACloud的Design Tool文件夹中打开电路。 将出现以下屏幕。
现在让我们运行AC分析/ AC传输特性。
将出现以下图表：
现在让我们重新设计电路以获得单位增益（0dB）
从“工具”菜单中调用“重新设计此电路”
将出现以下对话框。
将增益设置为-1（0 dB），然后按“运行”按钮。
计算出的新组件值将立即显示在原理图编辑器中，以红色绘制。
按“接受”按钮。
更改将最终确定。 再次运行AC分析/ AC传输特性以检查重新设计的电路。
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1这项技术是由加州州立大学长滩分校的学生Phil Vrbancic设计的，并在提交给IEEE Region VI Prize Paper Contest的论文中提出。