弥补运放一次性设计中轨对轨性能的不足

文章作者:阿尔弗雷多·冈萨雷斯·卡尔文

使用四川运算放大器可以帮助补偿运算放大器单次设计中缺乏轨道转向轨道性能。

为了感知动物移动,我想创建一个简单的红外传感器,当动物通过时,将触发一个单一的脉冲以产生相当长的脉冲。此外,虽然动物仍然在传感器前面,但我希望脉冲保持设定。我最初打算使用一个555定时器配置为单稳态,但我没有任何躺在周围,我需要这个设计尽快。我只需要一个电源(一个9V电池)和一些运算放大器,但我不想这样做用它们作为比较器。我开始思考如何用便宜的运放一次性创造一个轨到轨的系统,并想到了这个想法。

图1显示了电路的理想化版本。

轨到轨道单次的电路设计 图1此电路使用Ideal Op AMPS将创建一个运行轨到轨的单次脉冲。

工作原理很简单。按下按钮PB1,该PB1对应于检测动物的IR传感器,通过短的时间常数向VCC充电电容器C至VCC。释放按钮允许电容器通过R. OP-AMP U1缓冲器放电该指数放电和U1的输出电压进入非反相施密电压,具有VCC / 2的电压参考。虽然电容器电压超过¾VCC(如果按下按钮,所以在按下按钮时会快速达到,因为R1 * C的时间常数非常短),U2的输出转到VCC。由于U2的滞后,仅当电容器电压放电到¼VCC时,输出电压才会进入地面。输出脉冲持续时间是:

t = ln(4)rc≈1.38rc秒(1)

请注意,时间与电源电压无关。

模拟理想电路

是时候通过模拟来尝试设计了。假设我们想要一个大约10秒的脉冲宽度。使用公式1,如果我们选择C = 50μF,那么R应该是144k ω,所以如果我们使用5%的电阻,实际R = 150k ω。在这些值下,T = 10.40 sec.,如图2。我们使用理想运算放大器,用时变值R1模拟按钮的激活,得到的结果显示在图3

电路设计具有真实的元件值 图2我们可以使用真实组件值和理想的运算放大器模拟电路。

电路仿真图 图3图2中设计的模拟,假设理想的运放,显示了我们期望的行为。

仿真显示电路正如使用理想的运算放大器所预期的行为,因此下一步是使用真正的运算放大器模拟它,例如LM358,它没有轨到轨能力,如图所示图4。鉴于其他组件保持不变,我们期望相同的结果,但这不是模拟结果所说的。

电路设计使用真实运算放大器 图4图2使用实际运放的设计也应该显示出我们所期望的行为。

使用无轨对轨能力的运放,产生的脉冲持续时间不等于T≈1.38RC (图5)。这是为什么呢?因为U2的输出不能达到VCC, U2的非反相输入也从比VCC低的电压开始。但是将施密特触发器设置到地所需的阈值电压仍然设置为VCC/2,这现在大于预期输出电压的一半。所以,电路会提前触发。

使用LM358运放的电路仿真图 图5使用LM358运算放大器的模拟,而不是理想的,产生了不同的结果。

我们如何解决这个问题?首先,我考虑在U2的反相输入中使用修剪器来正确设置触发阈值。我们可以测量U2的最大输出电压,然后将反相输入调整为0.5VOU2MAX.。这是一个简单的方法,并且工作得很好(您将在测试部分看到)。然而,这种方法不是“防弹的”,它不会对不同的供电电压工作;你必须为不同的供电电压修剪电路。

用你独特的设计震惊工程界:设计理念提交指南

但是,如果您有一个像Quad OP-AMP IC一样LM324(是四分之一的LM358),或者在最坏的情况下,您已经使用的类型的另一个运算放大器为U1和U2,您可以使用所示的配置图6

电路设计使用Quad运算放大器 图6重新配置设计以使用Quad运算放大器(例如LM324),可以帮助补偿缺乏轨到铁路的性能。

让我们使用r =100kΩ和c =47μF来测试它,因此t = 6.51秒。我们得到了所示的结果图7。我们看到在不同的电源电压下,脉冲宽度约为6.60秒。这已经足够接近我们想要的了,所以让我们来看看真实的世界。

电路仿真显示脉冲宽度与电源电压无关 图7模拟图6的配置示出了与电源电压无关的一致脉冲宽度。

真实世界检测

用整理器合并构建图4的电路(图8)测试性能给出了结果图9。在微调LM358在9V的输入后,我们可以看到电路工作良好。然而,不同的微调是必要的每个电源电压。

使用LM358和微调器的测试电路照片 数字8图4电路的测试版本使用了一个LM358和一个微调器。

使用LM358和100 K修剪器时的测试结果图 图9使用LM358和100k微调器(C = 47 μF, R = 100k, R1= 100, T = 6.51秒)时的测试结果表明,实际电路工作正常。

实现图6的电路允许我们测试设计是否会产生目标脉冲宽度,尽管缺乏轨到轨道性能(图10)。输出脉冲的预期值为6.51秒。(图11)。实际脉冲测量为6.767秒,考虑到元件的公差,这已经足够接近了。

使用LM324测试电路的照片 图10在图6的设计中使用一个LM324允许单稳态电路输出容差脉冲。

显示输出脉冲宽度的电路仿真图 图11使用一个LM324的电路测试(C =47μF,r = 100k,R1 = 100,T = 6.51秒)显示了预期的输出脉冲宽度。

实施这种方法时有几个因素需要考虑。首先,最好选择相当大的(即使是泄漏的)电容器,而不是R的大电阻器。如果电阻器R太大,则C的固有并联电阻与R平行,组合将小于两者中较小,所以电路将基于C的寄生电阻而不是在R上排出时间常数。

/ wp-content/uploads/sites/3/2021/03/contenteetimes-images-edn-design-ideas-di-button.png 第二,选择时间常数τ = R1C相对于按钮的脉冲宽度(或任何你使用的按钮)要小。对于机械按钮,我会使用10毫秒;对于运动传感器,10毫秒也很好。(如果动物能以10毫秒以上的速度通过传感器,我就会印象深刻。)

最后,注意运算放大器的切换率,如果可能的话,选择轨对轨运算放大器以保持可靠的时序。

如果你想知道电路背后的所有数学知识,以便调整不同的参数,这个文档包括数学解释,因此您可以尝试新配置。

本文最初发表于edn.

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