วิธีการใช้ op-amp อย่างเหมาะสม?

นับตั้งแต่การโพสต์ที่นี่ฉันไม่เคยสูญเสียการใช้ op-amps มาก่อนได้ยินสิ่งใหม่ที่ฉันไม่เคยได้ยินมาก่อน (Vom, Vcm ฯลฯ ) ฉันมักจะคิดว่าแอมป์แอมป์เพียงแค่เสียบมันและมันจะทำงานทุกครั้ง ... ผิดมาก

ฉันมีคำถามสองสามข้อที่จะได้รับการชื่นชมมากที่สุดถ้าใครในพวกคุณสามารถตอบคำถามได้ก่อนที่ฉันจะถามพวกเขาใช่ฉันได้ค้นหาช่วงเวลา 2 ชั่วโมงที่ผ่านมาในฟอรัมนี้สำหรับคำถามก่อนหน้านี้ที่ถูกถาม ยังสับสนเล็กน้อย แต่ก็มีบางสิ่งที่ชัดเจนขึ้น

เพื่อให้สิ่งต่าง ๆ คงที่ฉันจะใช้ OP AMP นี้ตลอดทั้งตัวอย่างนี้ MCP601

VCM: ช่วงเข้าโหมดสามัญ

นี่คือสิ่งที่ฉันเข้าใจ - เป็นช่วงที่ MCP601 สามารถรับได้อย่างมีความสุขโดยไม่มีอะไรผิดพลาดหากใครจะไปหรือภายใต้ช่วงเหล่านี้ op คุณจะเห็นข้อผิดพลาดที่ไม่คาดคิด

ตัวอย่าง: อินพุต = สัญญาณเสียง (1.2V pk-pk) VDD = 4.8V VSS = GND

VCM - ขีด จำกัด บน = 4.8-1.2 = 3.6

VCM - ขีด จำกัด ล่าง = 0-0.3 = -0.3

VCM - $V_{CM_{PP}}$ = 3.6 - (- 0.3) = 3.9V

$V_{IN}$ - วงจรบวกของอินพุต = 600mV + (VDD / 2) = 3

$V_{IN}$ - วงจรเชิงลบของอินพุต = -600mV + (VDD / 2) = 1.8

$V_{IN}$ = 1.2Vpk-pk

ความหมายของอินพุต Vpk-pk เหมาะสมหรือไม่

VOM: แรงดันเอาต์พุตสวิง

นี่คือสิ่งที่ฉันเข้าใจ - ช่วงที่ MCP601 สามารถส่งออกก่อนตัดได้

ตัวอย่าง: อินพุต = สัญญาณเสียง (1.2V pk-pk) VDD = 4.8V VSS = GND GAIN = 3.2

อินพุตอคติ = VDD / 2 RL = 5k

VOM - ขีด จำกัด ด้านบน = 0 + 100mV = 100mV

VOM - ขีด จำกัด ล่าง = 4.8-100mV = 4.7V

VOM - $V_{OM_{PP}}$ = 4.7-100mV = 4.6V

$V_o$ - วัฏจักรบวกของอินพุต = (3.2 * 600mV) + (VDD / 2) = 4.32V

$V_o$ - วงจรเชิงลบของอินพุต = (3.2 * -600mV) + (VDD / 2) = 0.48V

$V_o$ - $V_{o_{PP}}$ = (4.32-0.48) = 3.84V (ก่อนที่จะแยกแคปออก)

นี่คือวิธีที่ฉันเข้าใจในการคำนวณทั้งสองอย่าง $V_{CM}$ และ $V_{OM}$. สำหรับฉัน OP-AMP นี้ไม่ควรมีปัญหากับ Vin เช่นเดียวกับการขยาย Vin อย่างมีความสุข แต่สิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้นเมื่อมันคลิปที่ 2.84Vpp สิ่งนี้ไม่สมเหตุสมผลสำหรับฉันจากการคำนวณข้างต้น VCM ควรเป็นที่พอใจเช่นเดียวกับ VOM เนื่องจาก VOM มี Vpp 4.6V ซึ่งเป็น Vo ของฉันอย่างดีเยี่ยม 3.84Vpp และ VDD ของฉันเป็น 4.8V มันควรขยายเป็น 3.84Vpp โดยไม่มีปัญหา?

หากใครสามารถแสดงให้ฉันเห็นวิธีการคำนวณ VCM และ VOM ที่น่าทึ่งจริง ๆ ฉันเชื่อว่าวิธีนี้ขาดอะไรบางอย่างไปหรือฉันไม่เข้าใจตรรกะพื้นฐานบางอย่าง ฉันต้องการได้รับความสามารถในการทำความเข้าใจข้อ จำกัด อินพุตและเอาต์พุตด้วยวิธีนี้

การกำหนดค่านี้ใช้งานได้หากฉันเพิ่ม VDD เป็น ~ 6.1V หากใครสามารถอธิบายได้ว่าทำไมผ่านการคำนวณ VCM และ VOM ฉันอาจเชื่อมโยงทั้งสองและอาจจะทำให้สับสนได้

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

แผ่นข้อมูลอันดับที่สองของคุณอยู่ในรูป mV ไม่ใช่โวลต์และช่วงเอาต์พุตจะสัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้า ด้วยอุปทาน 4.8V และโหลด 5K (ถึง 0V) ช่วงเอาต์พุตเชิงเส้นคือ 0.1 ถึง 4.7V หากคุณไบอัสอินพุตและเอาต์พุตที่ 2.4V คุณจะได้รับ 4.6Vp-p เอาท์พุท op-amp ไม่สามารถเกิน (หรือตอบสนอง) แรงดันไฟฟ้าของอุปทาน

หากอินพุตมีความเอนเอียงที่ 2.4V ช่วงอินพุตของคุณคือ -0.3 ถึง 3.6V ดังนั้นคุณสามารถจัดการกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตเท่านั้นที่ 2.4Vp-p = (3.6-2.4V) * 2 ตามช่วงอินพุตอย่างไรก็ตามคุณยังต้อง ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าการส่งออกไม่อิ่มตัว

วงจรของคุณได้รับ +3.2 ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะต้องอยู่ในช่วง +/- 0.71875V หรือ 1.4375Vp-p ซึ่งจะให้ผลเต็มช่วงเอาต์พุตดังนั้นช่วงอินพุตจึงไม่ จำกัด

คุณสามารถใช้ op-amp ใด ๆ ก็ได้บนแหล่งจ่ายไฟเดียวหากคุณมีแรงดันไฟฟ้าเพียงพอและทำให้คุณมีอคติอินพุตภายในช่วงการทำงานและให้คุณคำนึงถึงช่วงเอาต์พุตที่มี

โดยทั่วไปสำหรับวงจรพลังงานต่ำคุณต้องการใช้ตัวต้านทานค่าที่สูงกว่าที่คุณแสดง คุณกำลังโหลดเอาต์พุตด้วย 5K || (2.2K + 1K) ซึ่งต่ำกว่า 5K แน่นอนดังนั้นการสวิงเอาต์พุตจึงไม่รับประกัน โดยปกติคุณสามารถไปที่สูงขึ้นอย่างน้อย 10 เท่าสำหรับตัวต้านทานข้อเสนอแนะอาจจะมากขึ้น หากคุณสามารถเพิ่มภาระเป็น 25K หรือ 100K และเพิ่มตัวต้านทานป้อนกลับได้ 100: 1 จะดีกว่า คุณอาจต้องเพิ่มตัวเก็บประจุขนาดเล็กใน R3 เพื่อให้มั่นใจว่ามีความเสถียรถ้าคุณใช้ตัวต้านทานสูงมาก

ฉันเชื่อว่าฉันหาปริศนา

การทำโปรเจคเช่นนี้และการใช้ op-amps จนถึงระดับนี้เช่นการค้นหาลักษณะที่คุณมักจะไม่มองหาจากมหาวิทยาลัยเช่นกระแสไบแอสอินพุต , Vom , Vcmเป็นต้น

การพยายามที่จะบิดเบือนคำเหล่านี้ทั้งหมดทำให้ฉันสับสนและเขียนทับสิ่งพื้นฐานที่ฉันรู้เกี่ยวกับ op-amps

เมื่อฉันถูกนำครั้งแรก $V_{OM}$ และ $V_{CM}$ ด้วยเหตุผลบางอย่างฉันทำให้ตัวเองเชื่อราวกับว่า $V_{in}$ และ $V_{out}$ ไม่ได้ละเมิด $V_{OM}$ และ $V_{CM}$ดังนั้นการตัดไม่ควรมีอยู่ นี่มันผิดทั้งหมด

สิ่งที่ฉันไม่ได้คำนึงถึงคือแรงดันไฟฟ้าตกที่ op-amp มีอยู่ภายในเนื่องจากเป็นสถาปัตยกรรมของ op-amp

ความหมายว่า op-amp ไม่สามารถไปกับ rail-to-rail เว้นแต่จะสมบูรณ์แบบ (ไม่มีแรงดันตกภายใน)

สำหรับปัญหาข้างต้นเป็นแอมป์จ่ายไฟแบบไม่แปลงกลับแหล่งจ่ายไฟเดี่ยวซึ่งหมายความว่าต้องใช้อคติในการแกว่ง "เชิงลบ"

สำหรับการอ้างอิง:

ดังนั้นมันจึง4.576V - 2.288V - 0V

$V_{DD_{pp}}$ = 4.576V $V_{DD_{p}}$ = 2.288V

จากการทดลองพบว่าแรงดันไฟฟ้าตกของเครื่องขยายเสียงอยู่ที่ประมาณ1.616Vpp

เราจะทำ 2 สถานการณ์กรณีที่

input_1 = 860mVpp

Input_2 = 1.14Vpp

กำไร = 3.2

อินพุต 1: 860mVpp

VCM:

-0.3 < $V_{IN}$ <3.376

Vin:

1.858 < $V_{IN}$ <2.718

Vin อยู่ในช่วง Vcm

VOM:

-15.424 < $V_{OUT}$ <15

0.912 < $V_{OUT}$ <3.664

Vo อยู่ในช่วง Vcm

คุณคาดว่าสัญญาณของคุณจะทำงานตามที่คุณคาดการณ์ไว้

อินพุต _2: 1.14Vpp

VCM:

-0.3 < $V_{IN}$ <3.376

Vin:

1.658 < $V_{IN}$ <2.798

Vin อยู่ในช่วง Vcm

VOM:

-15.424 < $V_{OUT}$ <15

0.404 < $V_{OUT}$ <4.052

Vo อยู่ในช่วง Vcm

คุณคาดหวังว่าสัญญาณของคุณจะทำงานตามที่คุณคาดการณ์ไว้ แต่มันไม่ได้เป็น

ในออสซิลโลสโคปของฉันมันคลิปที่ 2.96Vpp แต่เราคาดว่าผลลัพธ์จะเป็น 1.14Vpp * 3.2 = 3.648Vpp? สิ่งที่เกิดขึ้นคือแรงดันตกของ op-amp

ดังกล่าวข้างต้นแรงดันไฟฟ้าตกของ op-amp คือ ~ 1.616Vpp ดังนั้นทำคณิตศาสตร์ในนิทาน

VDD -Vod = 4.576 - 1.616 = 2.96Vpp !! สิ่งนี้บอกเราว่า op-amp ของเราสามารถขับไปถึงได้อย่างไร ซึ่งทั้งหมดนี้สมเหตุสมผลแล้ว

โดยพื้นฐานแล้วสิ่งที่ op-amp พูดว่า rail - to - rail หมายความว่าอย่างน้อยสิ่งที่ฉันเห็นคือ Vin และ Vout ของคุณจะไม่ละเมิด op-amps VOM และ VCM

นี่คือเหตุผลที่เมื่อฉันเพิ่ม VDD ~ 6.1V มันทำงานได้เพราะแอมป์สหกรณ์สามารถขับไปจนถึงเอาต์พุตที่คาดหวังไว้ที่ 3.648Vpp ดังต่อไปนี้:

Vdd - Vod = 6.1 - 1.616 = 4.484 เนื่องจากขีด จำกัด ใหม่ของ op-amp คือตอนนี้ 4.484Vpp และตั้งแต่ 3.648Vpp <4.484Vpp คุณสามารถเห็นมันบนเอาท์พุท

Vpk-pk = 3.6 - (- - 0.3) = 3.9V
ความหมายของอินพุต Vpk-pk เหมาะสมหรือไม่

อาจ จุดกึ่งกลางของช่วง CM ไม่ใช่ Vdd / 2 ที่นี่ แต่ 3.9 / 2 = 1.95V นี่จะอนุญาตให้สัญญาณอินพุตสูงถึง 3.9Vpp . อย่างไรก็ตามสิ่งที่คุณได้รับจะส่งผลออกมา

เอาท์พุทยังคงอยู่ในช่วงเชิงเส้นถ้าเอาท์พุทไม่ได้ถูกตัด มันถูกกำหนดสำหรับการตัดแบบสมมาตร @ 100mV จากรางจ่ายทั้งสองขึ้นอยู่กับโหลด> 5k เชื่อมต่อกับ VL = 2.5V นี่เป็นเพราะแอมป์รถไฟแบบรางต่อ CMOS มีความต้านทานที่ตัดตามลำดับ 250 โอห์มสำหรับทั้งไดรเวอร์ Nch หรือ Pch หากโหลดไปที่ Vss = 0 แสดงว่ามีการดรอปเอาท์น้อยกว่า Vss แต่มีการดรอปเอาท์ต่ำกว่า Vdd เนื่องจากขณะนี้มีสองเท่าของกระแสเมื่อเปรียบเทียบกับ spec ด้วย VL@2.5V

Vin {pp} * Av = 1.2 * 2.4 = 3.84Vpp จะพอดีในช่วงเอาต์พุตเชิงเส้นเมื่อการอ้างอิงอินพุตและความแตกต่างเป็นเรื่องธรรมดา (ค่าต่างศูนย์) ใกล้ช่วงกลางของช่วง CM (จำใกล้ 2V สำหรับการจัดหาของคุณ) นอกจากนี้ยังใช้งานได้สำหรับ Vdd / 2 = Vcm อคติในตัวอย่างนี้

คำแนะนำ: ใช้ค่า R min ที่ 25k สำหรับผลป้อนกลับและโหลดรวมกัน

ความต้านทานเอาต์พุตของ Op Amps ทั้งหมดจะลดลงเมื่อได้รับผลตอบรับเชิงลบ แต่การคลิปผลลัพธ์ทำให้สูญเสียความคิดเห็นเชิงลบทั้งหมด เนื่องจาก FET เพิ่มขึ้นใน RdsOn เมื่อ Vgs ลดลงซึ่งนี่คือ Vdd เป็นที่ทราบกันว่าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้านล่าง 5V เช่นเดียวกับโลจิกตระกูล CD4000 ต่อ 1kOhm และสูงกว่าที่ Vdd min