Lựa chọn thông số bộ khuếch đại hoạt động

"Giai đoạn đầu vào nói chung là một bộ khuếch đại vi sai mạch bao gồm BJT (lưỡng cực Transistor, thiết bị điều khiển hiện tại), JFET (hiệu ứng trường đường giao nhau Transistor, Vôn thiết bị điều khiển) hoặc mosfet (oxit Semiconductor bóng bán dẫn hiệu ứng trường), chủ yếu sử dụng đối xứng Đặc tính cải thiện tỷ lệ loại bỏ chế độ chung. Hai thiết bị đầu cuối đầu vào của nó tạo thành đầu cuối đầu vào đảo ngược và thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo của toàn bộ mạch; chức năng chính của tầng khuếch đại điện áp là tăng độ lợi điện áp, và nó có thể bao gồm YJ hoặc mạch khuếch đại đa tầng;

"

Giai đoạn đầu vào nói chung là một mạch khuếch đại vi sai bao gồm BJT (bóng bán dẫn lưỡng cực, thiết bị điều khiển dòng điện), JFE (bóng bán dẫn hiệu ứng trường tiếp giáp, thiết bị điều khiển điện áp) hoặc MOSFE (oxit bán dẫn bóng bán dẫn hiệu ứng trường), chủ yếu sử dụng tính chất đối xứng để cải thiện tỷ lệ loại bỏ chế độ chung. Hai đầu vào đầu vào của nó tạo thành đầu cuối đầu vào đảo ngược và đầu cuối đầu vào không đảo của toàn bộ mạch; chức năng chính của tầng khuếch đại điện áp là tăng mức tăng điện áp và nó có thể bao gồm các mạch khuếch đại YJ hoặc nhiều tầng; giai đoạn đầu ra Nó thường bao gồm một bộ theo điện áp hoặc một bộ theo điện áp bổ sung để giảm điện trở đầu ra và cải thiện khả năng tải; mạch thiên vị là để cung cấp dòng điện làm việc phù hợp cho mọi cấp độ. Ngoài ra còn có một số link phụ trợ. Chẳng hạn như mạch chuyển mức, mạch bảo vệ quá tải và mạch bù tần số cao.

Bộ khuếch đại hoạt động (Integrated Operational Amplifier) ​​được viết tắt là bộ khuếch đại hoạt động tích hợp, là mạch khuếch đại ghép trực tiếp nhiều tầng với độ lợi điện áp cao, điện trở đầu vào cao và điện trở đầu ra thấp.

Cấu trúc bên trong của op amp

Tầng đầu vào nói chung là mạch khuếch đại vi sai bao gồm BJT (bóng bán dẫn lưỡng cực, thiết bị điều khiển dòng điện), JFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường tiếp giáp, thiết bị điều khiển điện áp) hoặc MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit), chủ yếu sử dụng đối xứng. Đặc tính cải thiện chung -mode từ chối tỷ lệ. Hai thiết bị đầu cuối đầu vào của nó tạo thành đầu cuối đầu vào đảo ngược và thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo của toàn bộ mạch; chức năng chính của tầng khuếch đại điện áp là tăng độ lợi điện áp, và nó có thể bao gồm YJ hoặc mạch khuếch đại đa tầng; giai đoạn đầu ra Nó thường bao gồm một bộ theo điện áp hoặc một bộ theo điện áp bổ sung để giảm điện trở đầu ra và cải thiện khả năng tải; mạch phân cực là cung cấp dòng điện làm việc phù hợp cho tất cả các cấp. Ngoài ra, còn có một số liên kết phụ trợ. Chẳng hạn như mạch chuyển mức, mạch bảo vệ quá tải và mạch bù tần số cao.

Phân loại Op Amp

01
Theo nguyên tắc làm việc

① Loại khuếch đại điện áp

Thực hiện khuếch đại điện áp, và mạch đầu ra tương đương với nguồn điện áp điều khiển bằng điện áp.

② Loại khuếch đại hiện tại

Nhận ra sự khuếch đại dòng điện, và vòng lặp đầu ra tương đương với nguồn dòng điện được điều khiển bởi dòng điện.

③ Loại khuếch đại điện dẫn

Điện áp đầu vào được chuyển đổi thành dòng điện đầu ra, và vòng lặp đầu ra tương đương với nguồn dòng điện điều khiển bằng điện áp.

④ Loại bộ khuếch đại kháng lẫn nhau

Dòng điện đầu vào được chuyển đổi thành điện áp đầu ra, và vòng lặp đầu ra tương đương với nguồn điện áp điều khiển bằng dòng điện.

02
Theo hiệu suất

① Loại điện trở cao

Đặc điểm là trở kháng đầu vào chế độ vi sai rất cao, dòng phân cực đầu vào rất nhỏ, nói chung là rid> (109 ~ 1012) W, IIB là vài đến hàng chục PA. Nó phù hợp để đo mạch khuếch đại, mạch tạo tín hiệu, mạch giữ mẫu.

② Loại tốc độ cao

Nó được đặc trưng bởi băng thông đạt được thống nhất và tỷ lệ chuyển đổi cao SR. Thích hợp cho bộ chuyển đổi A / D, D / A, mạch vòng khóa pha và mạch khuếch đại video.

③ Loại JD cao

Nó được đặc trưng bởi điện áp bù thấp, độ lệch nhiệt độ thấp, tiếng ồn thấp và độ lợi cao. Thích hợp để đo chính xác các tín hiệu yếu, chẳng hạn như các thiết bị có độ chính xác cao.

④ Loại tiêu thụ điện năng thấp

Nó được đặc trưng bởi mức tiêu thụ điện năng tĩnh thấp và điện áp hoạt động thấp. Nó phù hợp cho viễn thám và đo từ xa các dụng cụ cầm tay, không gian công nghệ, công nghiệp và quân sự.

⑤ Mục đích chung

Đặc điểm là giá thành rẻ, đáp ứng các yêu cầu về chỉ số hoạt động nói chung. Thích hợp cho tín hiệu tần số thấp, xử lý tín hiệu đơn giản.

Chỉ số tham số op amp

01
Chỉ báo DC

① Điện áp bù đầu vào VIO và độ lệch nhiệt độ αVIO

Khi điện áp ở đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động tích hợp bằng 10, điện áp bù được áp dụng giữa hai đầu vào. Tính đối xứng của mạch bên trong càng tốt, điện áp bù đầu vào càng nhỏ và hiệu suất của amp op càng tốt; Độ lệch nhiệt độ αVIO là tỷ số giữa sự thay đổi điện áp bù đầu vào với sự thay đổi nhiệt độ. Nói chung, độ lệch nhiệt độ của amp op nằm trong khoảng -20 ~ 1μV / ℃. Độ lệch nhiệt độ của amp op chính xác nhỏ hơn XNUMXμV / ℃.

② Dòng phân cực đầu vào IIB

Khi điện áp DC đầu ra của amp op bằng 80, giá trị trung bình của dòng phân cực của hai cực đầu vào của nó, thường là IIB càng nhỏ thì IIO càng nhỏ. Liên quan đến quá trình sản xuất, bóng bán dẫn lưỡng cực thường là 500 đến 1 nA, và bóng bán dẫn hiệu ứng trường thường là XNUMX nA.

③ Dòng bù đầu vào IIO và độ lệch nhiệt độ dVIO

Khi điện áp DC đầu ra của amp op bằng 20, sự khác biệt giữa dòng phân cực của hai cực đầu vào của nó. Tính đối xứng của mạch bên trong càng tốt thì dòng bù đầu vào càng nhỏ. Các bóng bán dẫn lưỡng cực thường là 200 ~ 1nA, và bóng bán dẫn hiệu ứng trường thường nhỏ hơn XNUMXnA; Độ lệch nhiệt độ dòng điện đầu vào (TCIOS) Thông số này đại diện cho dòng điện bù đầu vào được tạo ra khi nhiệt độ thay đổi Lượng thay đổi. TCIOS thường được biểu thị bằng đơn vị pA /? C.

④ Độ lợi chế độ vi sai vòng mở Aod

Hệ số khuếch đại của amp op tích hợp không có phản hồi bên ngoài được gọi là độ lợi chế độ vi sai vòng hở và số decibel là 20 lg | Aod | Giá trị amp op chung là 80 ~ 120dB.

⑤ Tỷ lệ từ chối chế độ chung KCMR

Khi bộ khuếch đại hoạt động làm việc trong vùng tuyến tính, tỷ số giữa độ lợi chế độ vi sai và độ lợi chế độ chung là 20 lg KCMR.

⑥ Tỷ lệ từ chối cung cấp điện

Tỷ lệ giữa điện áp bù đầu vào của op amp với sự thay đổi của điện áp nguồn khi op amp làm việc trong vùng tuyến tính.

⑦ Điện áp đầu vào chế độ chung ZD UIcmax

Tín hiệu chế độ chung ZD được phép đầu vào trong điều kiện khuếch đại bình thường của tín hiệu chế độ vi sai thường được xác định khi tỷ số loại bỏ chế độ chung giảm xuống 6dB? Điện áp đầu vào chế độ chung tương ứng được sử dụng làm điện áp đầu vào chế độ chung ZD.

⑧ Điện áp đầu vào chế độ vi sai ZD UIdmax

Hai cực đầu vào của amp op được phép thêm điện áp đầu vào ZD. Khi chênh lệch điện áp đầu vào cho phép giữa hai cực đầu vào của amp op vượt quá điện áp đầu vào của chế độ vi sai ZD, điểm nối PN bên trong sẽ bị hỏng và gây ra hư hỏng cho giai đoạn đầu vào của amp op.

02
Các chỉ số giao tiếp?

① Băng thông vòng mở fH

Băng thông vòng hở fH là tần số tín hiệu làm giảm độ lợi Aod chế độ vi sai vòng hở DC đi 3dB (0.707 độ lợi DC). Giá trị thực là GBW = Gain * f.

② Băng thông tăng ích cơ hội fc

Cho biết tần số mà hệ số khuếch đại điện áp chế độ vi sai Aod giảm xuống 0dB (Độ lợi chế độ vi sai vòng hở DC Aod = 1). Nói chung là khoảng 1MHz.

③ Tỷ lệ chuyển đổi (còn được gọi là tỷ lệ xoay vòng) SR

SR là giá trị ZD của sự thay đổi điện áp đầu ra trên một đơn vị thời gian dưới tác động của tín hiệu lớn, đồng thời cho biết khả năng thích ứng của bộ khuếch đại hoạt động với những thay đổi đột ngột của tín hiệu. Biên độ tín hiệu càng lớn và tần số càng cao thì tốc độ quay SR càng lớn. Giá trị thực là 2 * π * f * Vin * Gain.

④ Trở kháng đầu vào chế độ chung

Tham số này đại diện cho tỷ số của dải điện áp chế độ chung đầu vào với sự biến thiên của dòng điện phân cực trong phạm vi này khi bộ khuếch đại hoạt động làm việc trong vùng tuyến tính. Ở tần số thấp, nó xuất hiện dưới dạng điện trở chế độ chung, với giá trị điển hình trên 108 ohms.

⑤ Trở kháng đầu vào chế độ vi sai (còn gọi là trở kháng đầu vào) rid

Tham số này đại diện cho tỷ lệ giữa sự thay đổi của điện áp đầu vào với sự thay đổi tương ứng của dòng điện đầu vào. Sự thay đổi của hiệu điện thế gây ra sự thay đổi của dòng điện. Trở kháng đầu vào chế độ vi sai càng lớn thì dòng điện cầu tín hiệu càng nhỏ.

⑥ Trở kháng đầu ra

Tham số này đề cập đến trở kháng tín hiệu nhỏ tương đương bên trong của đầu cuối đầu ra khi bộ khuếch đại hoạt động đang làm việc trong vùng tuyến tính.

⑦ Băng thông công suất đầy đủ BW

Trong tải định mức, độ lợi vòng kín của amp op là 1 lần (độ lợi chế độ vi sai vòng hở DC Aod = 1) và tín hiệu hình sin biên độ không đổi được đưa vào đầu vào của amp op, sao cho biên độ của op amp là ZD. Tần suất của. Băng thông công suất đầy đủ = tỷ lệ chuyển đổi / 2πVop (Vop là biên độ đầu ra đỉnh của amp op).

⑧ Tiêu thụ điện năng tĩnh

Cho biết mức tiêu thụ điện của amp op trong điều kiện không có tín hiệu. Khi điện áp nguồn là 15V, công suất tiêu thụ tĩnh của bóng bán dẫn lưỡng cực nói chung là 50-100mW, và bóng bán dẫn hiệu ứng trường nói chung là 1mW.

⑨ Thời gian thành lập

Trong tải định mức, độ lợi vòng kín của bộ khuếch đại op là 1 lần (độ lợi chế độ vi sai vòng hở DC Aod = 1), tín hiệu bước lớn được đưa vào đầu vào của bộ khuếch đại op để tăng đầu ra của op amp từ 0 đến Thời gian cần thiết cho một giá trị nhất định.

⑩ Mật độ tiếng ồn điện áp đầu vào (eN), mật độ tiếng ồn dòng điện đầu vào (iN)

Thành phần tiếng ồn.

Ý tưởng tính toán op-amp

Ngắn ảo và ngắt ảo là những điểm cơ bản của phân tích op amps. (Giới thiệu phản hồi tiêu cực)

01
ngắn

Ngắn ảo ám chỉ rằng trong những trường hợp lý tưởng, điện thế của hai thiết bị đầu cuối đầu vào là bằng nhau, như thể hai đầu cuối đầu vào được nối tắt cùng nhau, nhưng trên thực tế chúng không bị nối tắt, được gọi là "đoản mạch ảo". Điều kiện cần thiết đối với short ảo là op amp đưa ra phản hồi tiêu cực sâu. Trong ứng dụng tuyến tính của bộ khuếch đại hoạt động tích hợp, có thể coi gần đúng rằng khi uN-uP = 0, uN = uP, nghĩa là, các đầu nối đầu vào đảo ngược và không đảo ngược tương đương với ngắn mạch, vì vậy nó được gọi là đoản mạch sai, hay gọi tắt là "đoản mạch ảo".

02
Sai

Ngắt ảo có nghĩa là trong điều kiện lý tưởng, dòng điện đi vào đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động tích hợp bằng không. Điều này là do điện trở đầu vào của một amp op lý tưởng là vô hạn, giống như một mạch hở giữa hai cực đầu vào của amp op. Nhưng trên thực tế, không có mạch hở nào được gọi là "ngắt kết nối ảo". Khi dòng điện đầu vào của hai cực đầu vào bằng 0, tức là iN = iP = XNUMX, có thể coi các cực đầu vào đảo ngược và không đảo tương đương với ngắt kết nối, được gọi là ngắt kết nối sai, hoặc “ngắt kết nối ảo Gọi tắt là ”.

Các biện pháp bảo vệ Op Amp

Bảo vệ an toàn của bộ khuếch đại hoạt động tích hợp có ba khía cạnh: bảo vệ nguồn điện, bảo vệ đầu vào và bảo vệ đầu ra.

01
Bảo vệ nguồn điện

Các lỗi thường gặp của bộ nguồn là đấu nối ngược cực của bộ nguồn và nhảy điện áp. Bảo vệ kết nối ngược nguồn và bảo vệ đột biến điện áp nguồn cung cấp.

02
Bảo vệ đầu vào

Nếu điện áp chế độ vi sai đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động tích hợp quá cao hoặc điện áp chế độ chung đầu vào quá cao (vượt quá phạm vi thông số giới hạn của bộ khuếch đại hoạt động tích hợp), bộ khuếch đại hoạt động tích hợp cũng sẽ bị hỏng.

03
Bảo vệ đầu ra

Khi bộ khuếch đại hoạt động tích hợp bị quá tải hoặc đầu nối đầu ra bị đoản mạch, nếu không có mạch bảo vệ, bộ khuếch đại hoạt động sẽ bị hỏng. Một số bộ khuếch đại op tích hợp có tích hợp bảo vệ hạn chế dòng điện hoặc bảo vệ ngắn mạch.

Sáu quy tắc quân sự đối với bộ khuếch đại hoạt động

Là một thiết bị tương tự chung của Z, các bộ khuếch đại hoạt động được sử dụng rộng rãi trong việc chuyển đổi và điều hòa tín hiệu, lấy mẫu ADC phía trước, các mạch cung cấp điện và các trường hợp khác. Mạch ngoại vi của op amp tuy đơn giản nhưng vẫn có nhiều điểm cần chú ý trong quá trình sử dụng.

01
Chú ý xem điện áp đầu vào có vượt quá giới hạn hay không

Lấy thiết bị ADI làm ví dụ, các đặc tính điện đầu vào trong bảng dữ liệu ADI có thể thấy trong điều kiện điện áp nguồn là 15V, dải điện áp đầu vào là 13.5V, nếu điện áp đầu vào vượt quá dải này thì op amp sẽ không hoạt động bình thường, Có một số tình huống không mong muốn. Có một số amp op được dán nhãn không phải là dải điện áp đầu vào mà là dải điện áp đầu vào chế độ chung. Ví dụ, TLC2272 của TI có phạm vi đầu vào chế độ chung là 0-3.5V trong điều kiện nguồn cung cấp duy nhất là 5V. Trên thực tế, phạm vi đầu vào chế độ chung là 0-3.5V khi amp op hoạt động bình thường. Điện áp đầu vào của thiết bị đầu cuối và thiết bị đầu cuối đảo ngược về cơ bản là giống nhau (ngắn ảo và ngắt ảo), do đó “dải điện áp đầu vào” và “dải điện áp đầu vào chế độ chung” có cùng ý nghĩa.

02
Không kết nối Tụ trực tiếp đến đầu ra của amp op

Trong mạch khuếch đại tín hiệu DC, đôi khi để giảm nhiễu, việc tách tụ được kết nối trực tiếp với đầu ra của op amp. Mặc dù tín hiệu DC được khuếch đại nhưng làm như vậy rất không an toàn. Khi có tín hiệu bước vào hoặc tại thời điểm bật nguồn, dòng điện đầu ra của op amp sẽ tương đối lớn và tụ điện sẽ thay đổi đặc tính pha của vòng lặp, khiến mạch tự dao động, điều này chúng ta không muốn nhìn.

Tụ điện tách đúng phải tạo thành mạch RC, nghĩa là Điện trở được kết nối nối tiếp ở đầu ra của amp op, và sau đó tụ điện tách được kết nối song song. Làm như vậy có thể làm giảm đáng kể dòng điện đầu ra tức thời của amp op, và sẽ không ảnh hưởng đến đặc tính pha của vòng lặp, có thể tránh dao động.

03
Không mắc song song các tụ điện trong vòng hồi tiếp của mạch khuếch đại

Nó cũng là một mạch để khuếch đại tín hiệu DC. Để tách rời, tụ điện được kết nối vô tình với vòng phản hồi, và pha của tín hiệu phản hồi thay đổi, và nó rất dễ dao động. Do đó trong mạch khuếch đại vòng hồi tiếp không thể mắc thêm mạch nào ảnh hưởng đến pha của tín hiệu. Điều này kéo dài đến mạch cung cấp điện được điều chỉnh, và tụ điện được kết nối với chân phản hồi là sai. Để giảm gợn sóng, tụ điện có thể được kết nối song song với điện trở phản hồi để tăng hiệu ứng phản hồi âm của gợn sóng một cách thích hợp và triệt tiêu gợn sóng đầu ra.

04
Chú ý đến dao động đầu ra của amp op

Không có op amp nào có thể là op amp lý tưởng và điện áp đầu ra không thể đạt đến điện áp nguồn. Nói chung, op amps dựa trên MOS là op amps từ đường sắt đến đường sắt. Trong điều kiện không tải, đầu ra có thể đạt điện áp cấp nguồn, nhưng đầu ra sẽ mất một lượng nhất định. Tải càng lớn thì sản lượng càng giảm.

05
Chú ý đến bố cục của vòng phản hồi

Các thành phần của vòng phản hồi phải gần với amp op, và các dấu vết PCB phải càng ngắn càng tốt, đồng thời, tránh các nguồn gây nhiễu như tín hiệu kỹ thuật số và bộ dao động tinh thể. Nếu bố trí vòng phản hồi không hợp lý sẽ dễ sinh nhiễu, nghiêm trọng sẽ gây ra hiện tượng tự dao động.

06
Chú ý đến việc lọc nguồn điện

Không thể bỏ qua việc lọc bộ nguồn của op amp, và chất lượng của bộ nguồn ảnh hưởng trực tiếp đến đầu ra. Đặc biệt đối với op amp tốc độ cao, gợn sóng của nguồn điện ảnh hưởng rất lớn đến đầu ra của op amp và nó sẽ tự dao động nếu không đúng. Do đó, một bộ lọc op amp tốt là thêm một tụ điện tách 0.1uF và một tụ điện tantali hàng chục uF bên cạnh chân nguồn của amp op hoặc kết nối một Cuộn cảm hoặc chuỗi hạt từ tính, hiệu quả sẽ tốt hơn.