6。 運算放大器電路設計
電流– 6.運算放大器電路的設計
上一個 - 5。 組合的反相和非反相輸入
運算放大器電路的設計
一旦給出了運放系統的配置，我們就可以 分析 該系統根據輸入確定輸出。 我們使用前面討論的程序（在本章中）執行此分析。
如果你現在希望 設計 一個結合了反相和非反相輸入的電路，問題更加複雜。 在設計問題中，給出了所需的線性方程，並且必須設計運算放大器電路。 夏季運算放大器的所需輸出可表示為輸入的線性組合，
（30）
哪裡 X1, X2 ...Xn 是非反相輸入的理想增益 Ya, Yb ...Ym 是反相輸入的理想增益。 使用圖（30）的電路實現等式（14）。
圖14-多輸入夏天
該電路是圖（13）電路的略微修改版本（反相和非反相輸入）.
圖13-反相和非反相輸入
我們所做的唯一改變是在運算放大器輸入和地之間包含電阻。 接地可視為通過相應電阻連接的零伏額外輸入（Ry 對於反相輸入和 Rx 對於非反相輸入）。 添加這些電阻使我們能夠靈活地滿足除公式（30）之外的任何要求。 例如，可以指定輸入電阻。 通過讓它們的值變為無窮大，可以去除這些附加電阻中的任何一個或兩個。
上一節中的公式（29）顯示了電阻的值， Ra, Rb，...Rm 和 R1, R2，...Rn 與各個輸入電壓相關的期望增益成反比。 換句話說，如果在特定輸入端子處需要大增益，那麼該端子處的電阻很小。
當運算放大器的開環增益時， G如果是大的，輸出電壓可以根據連接到運算放大器的電阻寫入，如公式（29）所示。 公式（31）重複此表達式，略微簡化，並將電阻器添加到地。
（31）
我們定義兩個等效電阻如下：
（32）
應用
使用TINACloud分析以下電路以確定V出 點擊下面的鏈接，在輸入電壓方面。
TINACloud的多輸入夏季電路仿真
我們看到輸出電壓是輸入的線性組合，其中每個輸入除以其相關電阻並乘以另一個電阻。 倍增阻力是 RF 用於反轉輸入和 Req 用於非反相輸入。
這個問題的未知數是 N + M +3（即未知電阻值）。 因此，我們需要發展 N + M +3方程式以解決這些未知數。 我們可以製定 n + m個 通過匹配等式（30）中的給定係數來計算這些等式。 也就是說，我們簡單地從方程（30），（31）和（32）開發方程組，如下所示：
（33）
由於我們還有三個未知數，因此我們可以靈活地滿足另外三個約束條件。 典型的附加約束包括輸入電阻考慮因素和電阻器的合理值（例如，您不希望必須使用精密電阻器 R1 等於10-4 歐姆！）。
雖然使用理想運算放大器的設計不需要，但我們將使用對非理想運算放大器非常重要的設計約束。 對於非反相運算放大器，從反相輸入回顧的戴維寧電阻通常等於從非反相輸入回溯的電阻。 對於圖（14）中所示的配置，此約束可表示如下：
（34）
最後的平等來自於定義 RA 來自等式（32）。 將此結果代入公式（31）會產生約束，
（35）
（36）
將此結果代入公式（33）得到簡單的方程組，
（37）
公式（34）和公式（37）的組合為我們提供了設計電路所需的信息。 我們選擇一個值 RF 然後使用公式（37）求解各種輸入電阻。 如果電阻值不在實際範圍內，我們返回並改變反饋電阻的值。 一旦我們求解輸入電阻，我們就可以使用公式（34）來強制從兩個運算放大器輸入回看電阻。 我們選擇的值 Rx 和 Ry 迫使這種平等。 公式（34）和（37）包含了設計的基本信息，但一個重要的考慮因素是在運算放大器輸入和地之間是否應包括電阻器（Rx 和 Ry）。 解決方案可能需要迭代才能獲得有意義的值（即，您可以執行一次解決方案並得出負電阻值）。 因此，我們提出了一個簡化計算量的數值程序[1]
公式（34）可以重寫如下：
（38）
將方程（37）代入方程（38），我們得到，
（39）
回想一下，我們的目標是根據電阻值求解 Xi 和 Yj. 我們將求和項定義如下：
（40）
然後我們可以重寫方程（39），如下所示：
（41）
這是我們設計程序的起點。 回想起那個 Rx 和 Ry 分別是接地與同相和反相輸入之間的電阻。 反饋電阻表示為 RF 和一個新名詞， Z，被定義為
（42）
表（1） - 沉默放大器設計
我們可以消除其中一個或兩個電阻， Rx 和 Ry，來自圖（14）的電路。 也就是說，這些電阻器中的任何一個或兩個都可以設置為無窮大（即，開路）。 這產生了三種設計可能性。 根據所需的輸出與輸入相關的乘數因子，其中一種情況將產生適當的設計。 結果總結在表（1）中。
採用TINA和TINACloud的電路設計
TINA和TINACloud提供了多種工具，用於運算放大器和電路設計。
優化
TINA的優化模式可以自動確定未知的電路參數，以便網絡可以產生預定義的目標輸出值（最小值或最大值）。 優化不僅在電路設計中有用，而且在教學中構造示例和問題也很有用。 請注意，該工具不僅適用於理想的運算放大器和線性電路，而且還適用於具有實際非線性和其他器件模型的任何非線性電路。
考慮具有實際運算放大器OPA350的反相放大器電路。
通過該電路的默認設置，電路的輸出電壓為2.5
您可以通過按TINACloud中的DC按鈕輕鬆檢查此項。
應用
使用TINACloud在線電路仿真器分析以下電路以確定V出 點擊下面的鏈接，在輸入電壓方面。
使用TINACloud進行OPA350電路仿真
如果為了準備這個，我們應該選擇目標Out = 3V和要確定的電路參數（優化對象）Vref。 對於這個對象，我們還應該定義一個有助於搜索但也代表約束的區域。
要在TINACloud中選擇和設置優化目標，請單擊Vout Voltage引腳並將優化目標設置為是
然後單擊同一行中的...按鈕並將值設置為3。
在每個對話框中按確定完成設置。
現在，選擇並設置Vref優化對象。
單擊Vref，然後單擊同一行中的...按鈕
在頂部的列表中選擇Optimization Object，然後設置Optimization / Object複選框。
在兩個對話框中按確定。
如果優化設置成功，您將在Out處看到一個>>符號，在Vref處看到一個<<符號，如下所示。
現在從Analysis菜單中選擇Optimization，然後在Optimization對話框中按RUN。
完成優化後，找到的Vref，最佳值將顯示在DC優化對話框中
您可以在線研究設置並運行優化，並使用以下鏈接通過Circuit Simulation進行檢查。
從Analysis菜單運行Optimization，然後按DC按鈕，在優化電路（3V）中查看結果
請注意，此時在TINACloud中僅包含一個簡單的DC優化。 TINA的離線版本中包含更多優化功能。
交流優化
使用離線版TINA，您還可以優化和重新設計交流電路。
從中打開MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC低通電路 示例\ TINA的Texas Instruments \ Filters_FilterPro文件夾，如下所示。
運行AC分析/ AC傳輸特性。
將出現以下圖表：
該電路具有單位（0dB）增益和1.45kHz截止頻率。
現在讓我們使用AC優化和重新設計電路 將低頻增益設置為6dB，將截止頻率設置為900Hz。
備註 通常，優化工具僅適用於更改。 如果是過濾器，您可能需要使用過濾器設計工具。 我們稍後會討論這個話題。
現在使用優化，增益和截止頻率是優化目標。
單擊工具欄上或“分析”菜單上的“選擇優化目標”圖標“選擇優化目標”
光標將變為圖標： 
。 單擊帶有新光標符號的Vout Voltage引腳。
將出現以下對話框：
單擊AC目標功能按鈕。 將出現以下對話框：
選中Low Pass複選框並將Target cut-off frequency設置為 900。 現在選中最大復選框，並將目標設置為 6.
接下來，選擇要更改的電路參數以達到優化目標。
點擊 
符號或“分析”菜單上的“選擇控制對象”行。
光標將變為上面的符號。 用這個新光標單擊C1電容。 將出現以下對話框：
按下選擇按鈕。 將出現以下對話框：
程序自動設置將搜索Optimum值的範圍（約束）。 結束20n的值，如上所示。
現在，對R2重複相同的過程。 將“結束”值設置為20k。
完成優化設置後，從Analysis菜單中選擇優化/ AC優化（傳輸）。
將出現以下對話框：
按“確定”接受默認設置。
經過簡短計算後，找到最佳值並顯示更改的組件參數：
最後通過運行AC分析/ AC傳輸特性的電路仿真檢查結果。
如圖所示，已達到目標值（增益6db，截止頻率900Hz）。
使用TINA和TINACloud中的Circuit Designer工具
在TINA和TINAcloud中設計電路的另一種方法是使用簡單的設計工具構建的電路設計器工具。
設計工具與電路的設計公式一起使用，以確保指定的輸入產生指定的輸出響應。 該工具需要您輸入和輸出聲明以及組件值之間的關係。 該工具為您提供了一個解決方案引擎，您可以使用該引擎重複且準確地解決各種情況。 計算出的組件值將自動設置在原理圖中，您可以通過模擬檢查結果。
讓我們使用Circuit Designer工具設計同一電路的AC放大。
從TINACloud的Design Tool文件夾中打開電路。 將出現以下屏幕。
現在讓我們運行AC分析/ AC傳輸特性。
將出現以下圖表：
現在讓我們重新設計電路以獲得單位增益（0dB）
從“工具”菜單中調用“重新設計此電路”
將出現以下對話框。
將增益設置為-1（0 dB），然後按“運行”按鈕。
計算出的新組件值將立即顯示在原理圖編輯器中，以紅色繪製。
按“接受”按鈕。
更改將最終確定。 再次運行AC分析/ AC傳輸特性以檢查重新設計的電路。
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1這項技術是由加州州立大學長灘分校的學生Phil Vrbancic設計的，並在提交給IEEE Region VI Prize Paper Contest的論文中提出。