 |
تقویت کننده عملیاتی با بار خازنی
معرفی
تقویت کننده عملیاتی (op-amp) یک تقویت کننده ولتاژ دیفرانسیل با طیف گسترده ای از کاربردها در الکترونیک آنالوگ است. این مثال نشان می دهد که چگونه می توان یک تقویت کننده عملیاتی متصل به یک حلقه فیدبک و یک بار خازنی را مدل کرد و پاسخ گام گذرای کل سیستم را محاسبه کرد. مدل اولیه op-amp مورد استفاده در اینجا به عنوان یک زیرمدار خطی معادل در رابط مدار الکتریکی در COMSOL Multiphysics پیاده سازی شده است. دومی تا حدی بر اساس قالب SPICE است که در ابتدا در دانشگاه برکلی توسعه یافته بود ( مراجعه 1 ).
تعریف مدل
مدار فرعی op-amp با خطوط زیر در لیست شبکه SPICE توضیح داده شده است:
.SUBCKT OPAMP pn از gnd
RIN pn 100000.0
EGAIN 1 gnd pn 100000.0
RP 1 2 1591549.4309189531
CP 2 gnd 1.0E-9
EBUFFER 3 gnd 2 gnd 1.0
ROUT 3 از 100.0
.ENDS OPAMP
مراحل مختلف عبارتند از:
• | ورودی با امپدانس بالا: RIN . |
• | تقویت کننده دیفرانسیل با بهره بالا: EGAIN . |
• | فیلتر پایین گذر تک قطبی: RP و CP . |
• | یک بافر خروجی با بهره واحد: EBUFFER و ROUT . |
سپس نمونه مدار فرعی op-amp در مدار اصلی قرار می گیرد:
VIN 1 0 DC 0.5
XOPAMP 1 2 3 0 OPAMP
R1 2 0 470.0
R2 2 3 4700.0
CLOAD 3 0 1.0E-8
در اینجا منبع ولتاژ ثابت در 0.5 V نشان داده شده است در حالی که در مدل یک مرحله ولتاژ 0.5 V در t = 0 اعمال می شود. یک حلقه فیدبک مقاومتی از طریق مقاومت های R1 و R2 ارائه می شود و خروجی تقویت کننده از طریق زمین به زمین خاتمه می یابد. یک بار خازنی CLOAD .
نتایج و بحث
مدل برای 10 میکروثانیه با خروجی داده هر 0.05 میکروثانیه شبیه‌سازی شده است . دینامیک داخلی op-amp با شبکه فیدبک در تعامل است و باعث زنگ زدن در سیگنال خروجی می شود.
شکل 1: ولتاژ خروجی آپ امپ به عنوان تابعی از زمان.
ارجاع
1. صفحه اصلی SPICE، http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE .
مسیر کتابخانه برنامه: ACDC_Module/Electromagnetics_and_Circuits/opamp_capacitive_load
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  0D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، AC/DC>Electrical Circuit (cir) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
با تعریف پارامترهای مورد استفاده در مدل شروع کنید.
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
OPAMP_RIN | 100 [کوهم] | 1E5 اوه | مقاومت ورودی Op-amp |
OPAMP_GAIN | 1 و 5 | 1E5 | بهره عملیات تقویت کننده |
CLOAD | 10[nF] | 1E-8 F | بار خازنی |
R1 | 470 [اهم] | 470 Ω | مقاومت بازخورد 1 |
R2 | 4700 [اهم] | 4700 Ω | مقاومت بازخورد 2 |
OPAMP_P | 100[Hz] | 100 هرتز | فرکانس قطب عملیات آمپر |
OPAMP_ROUT | 100 [اهم] | 100 اهم | مقاومت خروجی Op-amp |
تعاریف
یک تابع مرحله و یک متغیر که مرحله ولتاژ مورد استفاده برای درایو مدل را تعریف می کند اضافه کنید.
مرحله 1 (مرحله 1)
در نوار ابزار Home ، روی Functions کلیک کنید و Local>Step را انتخاب کنید .
Functions کلیک کنید و Local>Step را انتخاب کنید .متغیرهای 1
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  متغیرها کلیک کنید و متغیرهای محلی را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
VIN | .5[V]*step1((t-.05[us])/1[us]) | V | ولتاژ ورودی |
مدار الکتریکی (دایره)
حالا مدار را تعریف کنید. با تعریف مدار فرعی برای op-amp شروع کنید.
OPAMP
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electrical Circuit (cir) کلیک راست کرده و Subcircuit Definition را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تعریف مدار فرعی ، OPAMP را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Node Connections را پیدا کنید .  روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی افزودن کلیک کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام گره ها |
پ |
n |
بیرون |
gnd |
مقاومت RIN
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  Resistor کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Resistor ، Resistor RIN را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، RIN را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | پ |
n | n |
5 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن R ، OPAMP_RIN را تایپ کنید . |
منبع ولتاژ کنترل شده با ولتاژ EGAIN
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی منبع ولتاژ  کنترل شده با ولتاژ کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات منبع ولتاژ کنترل‌شده با ولتاژ ، منبع ولتاژ کنترل‌شده با ولتاژ EGAIN را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، EGAIN را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 1 |
n | gnd |
اندازه گیری (+) | پ |
اندازه گرفتن (-) | n |
5 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت نوشتار Gain ، OPAMP_GAIN را تایپ کنید . |
مقاومت RP
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  Resistor کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقاومت ، Resistor RP را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، RP را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 1 |
n | 2 |
5 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن R ، 1/(2*pi*OPAMP_P*1[nF]) را تایپ کنید . |
CP خازن
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  خازن کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خازن ، Capacitor CP را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، CP را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 2 |
n | gnd |
5 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن C ، 1[nF] را تایپ کنید . |
EBUFFER منبع ولتاژ کنترل شده با ولتاژ
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی منبع ولتاژ  کنترل شده با ولتاژ کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات منبع ولتاژ کنترل‌شده با ولتاژ ، EBUFFER منبع ولتاژ کنترل‌شده با ولتاژ را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید. |
3 | در قسمت متن نام ، EBUFFER را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 3 |
n | gnd |
اندازه گیری (+) | 2 |
اندازه گرفتن (-) | gnd |
مقاومت ROUT
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  Resistor کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقاومت ، Resistor ROUT را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، ROUT را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 3 |
n | بیرون |
5 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن R ، OPAMP_ROUT را تایپ کنید . |
منبع ولتاژ VIN
به اضافه کردن مدار اصلی ادامه دهید، با اضافه کردن منبع ولتاژ شروع کنید.
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی منبع  ولتاژ کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات منبع ولتاژ ، منبع ولتاژ VIN را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، VIN را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 1 |
n | 0 |
5 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن v src ، VIN را تایپ کنید . |
نمونه زیر مدار XOPAMP
نمونه مدار فرعی را برای opamp اضافه کنید.
1 | در نوار ابزار Electrical Circuit ، روی  Subcircuit Instance کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمونه زیر مدار ، در قسمت نوشتار برچسب ، نمونه زیر مدار XOPAMP را تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، XOPAMP را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . از لیست پیوند نام مدار فرعی ، OPAMP (sub1) را انتخاب کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام گره های محلی | نام گره ها |
پ | 1 |
n | 2 |
بیرون | 3 |
gnd | 0 |
مقاومت 1 (R1)
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  Resistor کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقاومت ، بخش Node Connections را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 2 |
n | 0 |
4 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن R ، R1 را تایپ کنید . |
مقاومت 2 (R2)
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  Resistor کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقاومت ، بخش Node Connections را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 2 |
n | 3 |
4 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن R ، R2 را تایپ کنید . |
CLOAD خازن
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  خازن کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خازن ، Capacitor CLOAD را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | در قسمت متن نام ، CLOAD را تایپ کنید . |
4 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 3 |
n | 0 |
5 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن C ، CLOAD را تایپ کنید . |
ولت متر 1 (vm1)
برای مشاهده ولتاژ خروجی یک ولت متر اضافه می شود.
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  ولت متر کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات ولت متر ، بخش اتصالات گره را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 3 |
n | 0 |
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی Range کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Range ، 0.05[us] را در قسمت متنی Step تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن توقف ، 10[us] را تایپ کنید . |
6 | روی Replace کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
گروه طرح پروب 1
ولتاژ خروجی به صورت نمودار پروب ظاهر می شود.
ریشه
در نهایت یک تصویر کوچک مدل اضافه کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، روی گره ریشه کلیک کنید. |
2 | در پنجره تنظیمات گره ریشه ، بخش Presentation را پیدا کنید . |
3 | زیربخش Thumbnail را پیدا کنید . روی Set from Graphics Window کلیک کنید . |
