Operasyonel Amplifiers ile Active Voltage Yönetmeliğine Giriş

Operasyonel yükselteçler sayısız hassas elektronik sistemlerin çekirdeğini oluşturur, aktif gerilim düzenleyicilerinde hata yükselticisi olarak hizmet eder. Tıbbi enstrümantasyon, yüksek çözünürlüklü analog dönüştürücüler (ADC), radyo frekansı ön uçları ve laboratuvar ölçüm dişlileri, basit bir üç-tercüklü doğrusal olmayan bir uyarıda, sabit bir uyarıda bulunan sabit bir uyarıda, doğrulayıcıya karşılaştırıldığında tüm yükleyicileri otomatik olarak daha iyi bir kontrol sağlar.

Düzenleme Görevleri için Yönelme Esasları

Bir düzenleyici döngüde, af-amp, çıktı gerilimi (gelişmiş bir geri bildirimle ayarlandığında) hassas bir gerilim referansına kadar yüksek bir hata yükselticisi haline gelir. Daha sonra bir transistör veya MOSFET-toplama hatası seçmek, sadece kazanç ve bant genişliğinin ötesinde birkaç anahtar parametreye dikkat gerektirir.

Düzenleme Op-Amps için kritik parametreler

  • [FONT:0)Açık-loop kazanır (A)OL[D:2)[Dönetici:0) Yüksek DC kazanır, genellikle 100 dB veya daha fazlası, mevcut değişiklikler yüklendiğinde daha büyük gerilim sapmaları için önemlidir.
  • [FONT:0)Input denge ve sürüklenme: Paragraf girişinde bile, geri bildirim kazançlarıyla elde edilen sürümde ortaya çıkıyor.% 0.1 doğruluk için, OPAx188 veya ADA4522 gibi hassas artırılmış doğrulayıcılar için,% 0.1 μV /°C'den daha az yükleniyor.
  • [FONT=0)Power tedarik geri ödeme oranı (PSR): ), Sörfün kendi tedariki doğrudan kontrol döngüsüne kadar bölünmüş durumdaki çiftleri nasıl etkilediğine dair bir uyarıda bulunuyor.
  • [FONT:0]Band genişlik ve yarık oranı: Hata yükselticileri, 0-100 mA'yı nanosaniyelerde döndürürken, en az 10-20 MHz'nin bir araya gelen ve 5 V / μ'nin üzerindeki bir karamlayıcının hızlı bir şekilde yüklenmesini sağlamak için, mevcut geri dönüş aranj-gerileme artışlarını göz önünde bulundurmak için yanıt vermek gerekir.
  • [FONT=0]Output sürücüsü ve hız:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönderin kaynağı değiştir], geçiş noktasının kaynağının yakınında olması gerekir.
  • [FONT=0]Input common-mode aralığı:[Dönetici:[Dönetici:0) Referans gerilimi ve geri bildirim gerilimi, özellikle giriş tedarikinin düşük olduğu zaman. (e.g., OPA340, AD8605) tam ortak mod operasyonu sunar.

LM741 birçok ders kitabında ortaya çıkıyor olsa da, modern tasarımlar genellikle JFET-input veya hassas CMOS op-amps. Good start points TL071 düşük maliyet için, OPA134 düşük gürültü için ve ADA4077'yi hassas uygulama eğrileri için kullanıyor.

Bir Op-Amp-Based Linear Düzenlemesi Mimarisi

Klasik topoloji bir gerilim referansından oluşur, hata yükselticisi olarak arsa, bir dizi transistör ve dirençli bir geri bildirim bölmek. af-amp'in çıktısı, geri bildirim gerilimine eşit tutmak için iletimyi kontrol eder.R1/R2), R1'in üst direnç ve R2'nin geri dönüş geri dönüş geri dönüş direncinin düşüklüğüdür.

Dizi Pass Topology and Pass Element Selection

Olumlu düzenleyiciler için, bir NPN bipolar transistör veya N-channel MOSFET, çıktının üzerinde sadece birkaç yüz milisli geçiş yapar ve transistörlerin mevcut kazançları düzenler (Q[D:0) Düşük-Dönlüm gerilimin (LDO) veya kapı eşliği üzerindeki geçişin tam olarak yüzde 10'u azaltır.[değiştir | kaynağı değiştir]

Step-by-Step Design Prosedürü

1. Bir Stable Ger referansı seçin

Referans, düzenleyicinin nihai doğruluğu ve sıcaklık istikrarı düzenler. LM40 (2.5 V, ±0.1%) veya REF02 (5 V) gibi bir dizi referans, referansın altından aşağıya doğru yol açan referanslar için, MAX6126 veya LTC6655 gibi bir grup referansı, referansın çıktısını ve kapasitif yükleri kullanarak olumsuz yönde kullanma yeteneğinden haberdar olun.

2. Pas Elementini seçin ve Karakterize edin

Örneğin, 5 V girişinden 3 A load çağrılarını düşük R)[Düzücüler için 3,9|Döneticiler için) [Döneticiler için) [Döneticiler için) [Döneticiler arası bir giriş için) veya daha fazla spertmeler (Dönetici) veya s.

3. Düşük Gürültü ve İstikrar Ağı için Geri Dönüşüm Ağı tasarlayın

Geri bildirim itirazları R1 ve R2, gürültü ve güç tüketimini dengelemek için 1 kULL ve 10 kULL arasında eşdeğer bir şekilde karşılıksızlığa sahip olur. Yüksek değerler gürültü seçme ve susceptability to input, the output. Place a small feed-loador (10-100 nF) across R1 to improve geçici yanıt sağlayarak geçici bir tepkiyi artırmak için, bu kapasitor ayrıca, girişte sıfıra da enjekte eder, yükseltici faz marjını kullanın.

4. Implement Frekans Açıklama

Discrete düzenleyiciler osilasyona eğilimlidir, çünkü geçiş transistör ek aşama değişimi getirir (tipik olarak 100 ° ile sabitlenir) Bir kuvvetle kontrol edilir ve tüm yük koşulları altında doğrulanabilir.

5. Dekoupling ve Çıktı Filtreleme Ekle

Kompatör çıktısına (μF'ye 100 μF'ye kadar düşük çözünürlükte) geçici veya alüminyum polimerler yükleri yük devretme işlemine ek olarak, 1 μF ve 1 μF'ye giriş ve çıkış sırasında yüksek frekanslı yüksek frekanslılar, altüstteki uygulamalar için, 100 μF'ye kadar bir dizi direnç veya alüminyum polimeri veya 10.000'den sonra devre dışı bırakılabilir.

Gelişmiş Tasarım

Gürültü Hassas Yükler için Gürültü Azaltı Teknikleri

Analog devre genellikle 5 μVrms altında bir gürültü zemin gerektirir. Anahtar teknikler şunları içerir:

  • 10 nV/POSHz altındaki gerilim gürültü yoğunlukla bir af-amp seçin (örneğin, OPA211, AD8676). Aşırı düşük gürültü için, ayrı JFET giriş aşamalarını düşünün, ancak düzen kritik hale gelir.
  • Band-limit, R1'deki besleme kapasitesi ile geri bildirim döngüsü; bu yüksek frekanslı kazanç sağlar ve af-amp'ın kendi gürültülerini azaltır.
  • Referans çıktısı ve af-amp girişi arasında pasif bir RC düşük geçit filtresi ekleyin (örneğin, 16 Hz köşesi için 1 kULL + 10 μF) referans IC'den genişleyen gürültüyü bastırmak için.
  • Metal film direnişçileri (% 1 veya daha iyi) aşırı gürültüyü azaltmak ve Johnson gürültülerini sınırlandırmak için 100 kULL'nin altında değerleri tutmak.
  • Yüksek eksenli düğümler kısa tutun ve onları zemin dökmeleriyle koruyun. Tek bir bağlantı noktası ile ana zemine özel bir bağlantı noktası kullanın.

Transient Response Optimizasyonu

Yük akımı bir şekilde değiştiğinde, çıktı gerilimi kesintiye veya döngü doğruları iyileştirmeye kadar aşırı yukarı düşer.

  • Yüksek oranda bir af-amp kullanın ve yeterli miktarda bant genişliği (örneğin, ADA4898-2 ile 1380 V /μs) kullanın.
  • Af-amp çıkışı ve geçiş elemanı arasında mevcut bir tampon ekleyin - basit bir yayter takip cihazı büyük kapı kapasitesinden gelen af-ampı izole edebilir ve izole edebilir.
  • Çıktı kapasitesi artırın, ancak kapasitör ESR için izlemek, telafi edilemezse istikrarsızlığa neden olabilecek bir sıfır ekledi. Düşük-ESR seramik kapasitörler (X5R veya X7R) kullanın ve 10 mULL'nin altındaki toplam ESR'yi tut.
  • R1'deki beslemeli fertilite ayrıca hata sinyali için yüksek frekanslı bir yol sağlayarak geçici yanıta yardımcı olur.

Korumalı Devre

Temel op-amp düzenleyicileri mevcut limit ve termal kapanmadan yoksundur. Sağlam tasarımlar için:

  • Mevcut algılayıcı, geçiş elemanı ile seride 0.1 ULL direnç ile. Bir kompatörü veya küçük bir transistör, af-amp'ın aşırı giriş sırasında yüksek girişi üst üste, katlama veya sabit-şimdilik limitini kaldırabilir.
  • Katback akımı limiti, mevcut limiti çıktı gerilim damlaları olarak azaltarak kısa devre dışı bırakmaktadır.
  • Bir Schottky diyot girdiye girişten geri dönüş bittiğinde veya yük malzemeleri geri yüklemeden sonra geri dönmeyi önler.
  • Bir komisatör kullanarak ısı koruma, transistörün ısısinkına monte edildi; thermistor'un çıkışı, ek bir kompatory ile, düzenleyiciyi kapatabilir veya güvenli bir sıcaklık üzerinde mevcut azaltılabilir.

Döngüsel Stability Analysis: A Practical Approach

Stability, ayrık düzenleyici tasarımın en zorlu yönüdür. Aşama marjı, tüm yük ve sıcaklık koşulları altında 45°'yi geçmeli; bir kare yüklemesi ve yükleme kapasitesinin mevcut olan bir kutup oluşturur; bir MOSFET, bir çift transistöre göre daha düşük bir gecikmeye yol açmalıdır; geçici bir yük testi doğrulayın: bir kare-yoğun yüküne uygulanır.

Pratik Uygulama ve Test

Uygulamanın kısa, çok yüksek çözünürlüklü yollarla bağlantı kurmalı bir şekilde yapılması gerekir.Rektör zemini, geri bildirim zemini ve çıkış kapasitesinin tek bir noktada buluşmasını sağlayın.Mevcut bir yük ile güç kullanın (örneğin, bir oscilloskop ile çıkış yolu ile bir alt üst düzeye kadar) bir ölçüm hattını kullanarak daha iyi bir şekilde kontrol etmek için bir yükleme işlemi yapın.

Tüm Linear Düzenlemelerine Karşı Op-Amp Düzenlemeleri Karşılaştırmak

Monolithic LDOs, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte, daha düşük çözünürlükte bir iç tazminatı seçin ve otomatik olarak tümleşik bir şekilde yüklemeye olanak sağlar.Bu esnek uygulama için doğrulayıcılar için doğrulanmış bir uygulama için doğrulayıcılar gerekir.

Gerçek Dünya Uygulama: Düşük-Noise ±5 V Supply for a Photodiode Amplifier

Bir fotodiode transimpedans amplitüdünün kullanılarak elde edilen bir spektroskop sistemi düşünün.[0] Bir μF RC V tedariki, hata yükselticisi olarak, bir P-log MOSFET (IRLML6401), negatif bir raydan elde edilen bir V testi ile yapılır.

Ortak Pitfalls ve Çözümleri

  • [FONT:0)Oscillation:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0) veya 1-10 TEL direnç kartı / taban marjı ile seriye eklenir.
  • [FONT:0)Poor yüksek frekanslı yük düzenleme: Af-amp, daha hızlı bir cihaz veya küçük bir seramik kapasitör (10 μF) doğrudan yerel enerji rezervuar olarak yüklenebilir.
  • [FONT=0)Output gerilimi sıcaklıkla sürüklenir:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)Dönderlik gerilimi sıcaklıkla sürüklenir:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) Genellikle referans veya af-amp dengeleme sürüklenme sürüklenir. Düşük-drift bileşenleri seçin ve onları geçiş transistör gibi ısı kaynaklarından uzak tut.
  • [FONT:0)Başlangıç:[Dönetici:[Dönetici:0) Yavaş yavaş yavaş yavaş bir şekilde geri dönüş cihazı ile seride küçük bir direnişçiyi ekleyin. yumuşak başlangıç kapasiteli (örneğin, zemine referanstan) veya bir fikre karşı bir fikre sahip bir fikre sahip bir fikre sahip bir siyonel.
  • [FONT:0)Ground gürültü darbesi:[Dönetici:[Dönder: 1) Referans zemininden ayrı yüksek akım geri dönüş yolları kullanın ve geri bildirim bölmek için zemini doğrudan yazdırın zeminine bağlanır.
  • [FONT=0)Reference istikrarsızlık kapasiteli yük ile:[Dönetici: 1 ) Bazı referanslar birkaç nanofaraddan daha fazla sürüş yaparken. 10-50 {{ serisi referans ve af-amp girişi arasında direnir.
  • [FONT:0)Op-amp ortak-mode aralığı ihlal:) Referans gerilimi olumlu demiryolunun yakınında ve af-amp demiryolu-to-ray girişini desteklemezse, hata yükselteçi doğrusal olmayan bir giriştir.
  • [FONT:0]Mevcut sınırdışı olmadan, kısa bir çıkış, geçiş elemanını yok edebilir.Kategori güncel limit veya bir PP füzyonu ekleyin.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Operasyonel yükseltici tabanlı aktif gerilim düzenleyicisi, hassas, düşük gürültünün ve hızlı geçici yanıtın gerekli olduğu hassas ekipman için üstün performans sunar.Referans, hata yükselteçi, element ve geri bildirim ağı - tedarikin her yönü üzerinde tam kontrol edin.Bu disiplin kontrol döngüsü dinamikleri ve gürültü yönetimine derin bir anlayış sağlarken, birçok analog tasarım zorlukunuzu gerçekleştirmek için kullanılabilir.Dekanlık seçimi, tazminat teknikleri ve pratik test yöntemleri ile burada belirtilen, maçlar veya tüm özellikleri doğrulayabilir veya özel IC'lerin performansını aşabilirsiniz.