3.4 TI 高精度实验室 - 输入输出限制 实验

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程是输入输出限制的实验环节

这个实验会包括计算 SPICE 仿真

和实际的测试

这些环节会帮助大家

对输入输出摆幅限制的

课程中的概念加深理解

本次实验的计算过程是手工计算的

但也可以使用 MathCAD

或者 Excel 等等工具

因为实验中的 SPICE 模型

是德州仪器提供的通用的运放 SPICE 模型

所以仿真环节

可以使用任何的 SPICE 仿真器

用 TINA-TI 实现这些仿真是最方便的

TINA 是免费的 SPICE 仿真器

可以从 TI 的网站上下载

TINA 仿真原理图会附在 PPT 中

最后真实的测试

会使用 TI 提供的印刷电路板

如果您有标准的实验设备

可以用示波器 波形发生器

波特仪和 正负 5 伏的电源来进行测试

我们推荐使用国家仪器的虚拟仪器

这套虚拟仪器是一套多功能集成设备

可以通过 USB 或者 wifi 与电脑连接

这台仪器提供电源 信号发生器

示波器和五位半的数字万用表

方便进行精确的测试

本次实验中使用的就是这套仪器

在实验 1 中

我们将探讨在一个基本的电压跟随器

或者单增益缓冲电路中

输入输出摆幅限制会有怎样的影响

首先根据在输入输出摆幅限制课程中

所学到的公式

计算这个电路的输入共模电压范围

和输出电压摆幅

在下一页中给出了计算所需要的参数

这个电路使用的是 OPA140

为了进行计算

需要知道这个运放的输入电压范围

和输出电压摆幅值

这里给出了这些值

在表中填入您的答案

并回答底部所给出的问题

为了方便检验

我们也已在这里给出了答案

下一步是进行 SPICE 仿真

分析观察瞬态输出电压

通过这个我们可以看到给定一个 4.5V Peak

50kHz 的三角波

它的运放的输出如何响应

实验中所使用的 TINA-TI 模型

已经嵌入到课程中

简单的双击便可以打开

点击 Analysis 转到 Transient

进行瞬态分析

设置时间为 0 到 40 微秒

您应该会得到一个类似这样的结果

Vin 是三角波

就像我们之前所预料到的那样

Vout 不会超过 1.5V

原因就在于违背了

OPA140 的输入共模电压限制

在设置 PCB 前

请确保关闭直流电源

在软件中点击直流电源区的

电源键来关闭电源

可以通过观察前面板的 LED

来确认电源是否关闭

另外请确保函数发生器也是关闭的

为了准备测试用的测试板

如图所示的安装电路五的跳针和器件

装上 JMP17 JMP18 JMP20

并在 U7 上装上 OPA140

这一页展示的

是 TI Precision Labs Test Board

德州仪器高精度实验室测试板上

电路五的原理图

您可以使用这个电路

来测试 OPA140 的输入输出电压限制

为了让测试板正常工作

您只可以安装电路五的跳针和器件

不能安装 PCB 上

其它的电路里的跳针和元件

去掉不相关电路上的跳针和器件

并把它们放置在板子底部的存放区

本页介绍的是测试板和仪器的连接关系

用电源线连接仪器的直流电源

和测试板的 J4 连接器

将测试板的 Vin2

连接到仪器的信号发生器通道 FGEN

将 Vin1 连接到仪器的示波器 通道 1

将测试板的输出 Vout1

连接到示波器的通路 2

接下来我们对仪器上电

并将 USB 线缆接到电脑上

电脑会检测到一个虚拟的 CD 驱动盘

您可以直接运行 VirtualBench 的软件

当软件运行起来以后

如下配置软件

设置时间分度为 5us/div

采集方式为自动

打开示波器通道一和二的使能

增益设为 1

直流耦合 2V/div

再打开波形发生器

设置如下

频率 50kHz 幅度九伏峰峰值 零伏偏置

50% 占空比的三角波

将正 25 伏电源设为正 5 伏输出

限流 0.1A

将 -25 伏的电源

设为 -5 伏输出限流 0.1A

点击电源键

打开电源

测试的结果如图所示

比较示波器显示的测试结果

和 TINA-TI 的仿真结果

并使用虚拟仪器和 TINA-TI 中的游标

测量输出电压被钳位的地方

将结果与您的计算值做比较

为了方便检验

我们已经在此处给出了答案

但是每个人的实验结果可能有所不同

这里是一个额外的实验

我们改变了输入信号的频率到 1kHz

并改变时间分度为 200us/div

现在将共模输入电压范围

与之前的 50kHz 的输入信号相比

您可以从测试中得到什么结果呢

正如您所看见的

对于 1kHz 的输入信号

几乎看不见失真或者钳位

这是因为 OPA140 这个运放在低频段

其实是轨至轨的运放

但是到了高频

在距离正电源轨 2V 的共模范围

它的性能开始减弱

在实验 2 中

我们将会看到输入输出限制

在一个反向放大器电路中的影响

首先根据在输入输出摆幅限制课程中

所学到的公式

计算这个反向放大电路的

输入共模电压范围和输出电压摆幅

在下一页中给出了计算所需要的参数

本电路使用的是 OPA277

为了进行计算

需要知道这个运放的输入电压范围

和输出电压摆幅值

这里给出了这些值

在表中填入您的答案

并回答底部所给出的问题

为了方便检验

我们也已经在此处给出了答案

和之前一样进行 SPICE 的仿真分析

但是这回我们使用的是

OPA277 的反向放大电路

实验中所用到的 TINA-TI 模型

已经嵌入到这个课程中

简单的双击便可以打开

点击 Analysis 转到 Transient

进行瞬态分析

设置时间为零毫秒到两毫秒

输入信号是一个 120mV Peak

1kHz 的三角波

您应该会得到一个类似这样的结果

Vin 是三角波

就如我们之前所预料到的那样

Vout 的正负端都被钳位了

原因就在于输出电压摆幅的限制

在设置 PCB 前请确保关闭直流电源

在软件中点击直流电源区的电源键

来关闭电源

可以通过观察前面板的 LED

来确认电源是否关闭

另外请确保函数发生器也是关闭的

为了准备测试用的测试板

请如图所示的安装电路二的跳针和器件

装上 JMP6 JMP7 JMP8

并在 U2 上装上 OPA277

本页展示的是

TI Precision Labs Test Board

德州仪器高精度实验室测试板上

电路二的原理图

您可以使用这个电路

来测试 OPA277 的输入输出电压限制

为了让测试板正常工作

您只可以安装电路二的跳针和器件

不能安装 PCB 上其它电路里的跳针和元件

去掉不相关电路上的跳针和器件

并把它们放置在板子底部的存放区

这里的接线和实验一的接线是一样的

不用做任何的修改

虚拟仪器的设置和实验一也很相似

做如下的修改即可

我们设置通道一的纵向幅度为 100mV/div

设置通道二的为 1V/div

设置示波器的输出波形为幅度 0.22V Peak 值

零伏偏置 50% 占空比的三角波

频率为 1kHz

比较示波器显示的测试结果

和 TINA 的仿真结果

两者的输出波形应该看起来很相似

在波形的上半部分

应该都有明显的钳位现象

而对于波形的下半部

您所使用的放大器

可能出现也可能不出现钳位现象

以上就是本次实验课程的内容

非常感谢您的观看

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程是输入输出限制的实验环节

这个实验会包括计算 SPICE 仿真

和实际的测试

这些环节会帮助大家

对输入输出摆幅限制的

课程中的概念加深理解

本次实验的计算过程是手工计算的

但也可以使用 MathCAD

或者 Excel 等等工具

因为实验中的 SPICE 模型

是德州仪器提供的通用的运放 SPICE 模型

所以仿真环节

可以使用任何的 SPICE 仿真器

用 TINA-TI 实现这些仿真是最方便的

TINA 是免费的 SPICE 仿真器

可以从 TI 的网站上下载

TINA 仿真原理图会附在 PPT 中

最后真实的测试

会使用 TI 提供的印刷电路板

如果您有标准的实验设备

可以用示波器 波形发生器

波特仪和 正负 5 伏的电源来进行测试

我们推荐使用国家仪器的虚拟仪器

这套虚拟仪器是一套多功能集成设备

可以通过 USB 或者 wifi 与电脑连接

这台仪器提供电源 信号发生器

示波器和五位半的数字万用表

方便进行精确的测试

本次实验中使用的就是这套仪器

在实验 1 中

我们将探讨在一个基本的电压跟随器

或者单增益缓冲电路中

输入输出摆幅限制会有怎样的影响

首先根据在输入输出摆幅限制课程中

所学到的公式

计算这个电路的输入共模电压范围

和输出电压摆幅

在下一页中给出了计算所需要的参数

这个电路使用的是 OPA140

为了进行计算

需要知道这个运放的输入电压范围

和输出电压摆幅值

这里给出了这些值

在表中填入您的答案

并回答底部所给出的问题

为了方便检验

我们也已在这里给出了答案

下一步是进行 SPICE 仿真

分析观察瞬态输出电压

通过这个我们可以看到给定一个 4.5V Peak

50kHz 的三角波

它的运放的输出如何响应

实验中所使用的 TINA-TI 模型

已经嵌入到课程中

简单的双击便可以打开

点击 Analysis 转到 Transient

进行瞬态分析

设置时间为 0 到 40 微秒

您应该会得到一个类似这样的结果

Vin 是三角波

就像我们之前所预料到的那样

Vout 不会超过 1.5V

原因就在于违背了

OPA140 的输入共模电压限制

在设置 PCB 前

请确保关闭直流电源

在软件中点击直流电源区的

电源键来关闭电源

可以通过观察前面板的 LED

来确认电源是否关闭

另外请确保函数发生器也是关闭的

为了准备测试用的测试板

如图所示的安装电路五的跳针和器件

装上 JMP17 JMP18 JMP20

并在 U7 上装上 OPA140

这一页展示的

是 TI Precision Labs Test Board

德州仪器高精度实验室测试板上

电路五的原理图

您可以使用这个电路

来测试 OPA140 的输入输出电压限制

为了让测试板正常工作

您只可以安装电路五的跳针和器件

不能安装 PCB 上

其它的电路里的跳针和元件

去掉不相关电路上的跳针和器件

并把它们放置在板子底部的存放区

本页介绍的是测试板和仪器的连接关系

用电源线连接仪器的直流电源

和测试板的 J4 连接器

将测试板的 Vin2

连接到仪器的信号发生器通道 FGEN

将 Vin1 连接到仪器的示波器 通道 1

将测试板的输出 Vout1

连接到示波器的通路 2

接下来我们对仪器上电

并将 USB 线缆接到电脑上

电脑会检测到一个虚拟的 CD 驱动盘

您可以直接运行 VirtualBench 的软件

当软件运行起来以后

如下配置软件

设置时间分度为 5us/div

采集方式为自动

打开示波器通道一和二的使能

增益设为 1

直流耦合 2V/div

再打开波形发生器

设置如下

频率 50kHz 幅度九伏峰峰值 零伏偏置

50% 占空比的三角波

将正 25 伏电源设为正 5 伏输出

限流 0.1A

将 -25 伏的电源

设为 -5 伏输出限流 0.1A

点击电源键

打开电源

测试的结果如图所示

比较示波器显示的测试结果

和 TINA-TI 的仿真结果

并使用虚拟仪器和 TINA-TI 中的游标

测量输出电压被钳位的地方

将结果与您的计算值做比较

为了方便检验

我们已经在此处给出了答案

但是每个人的实验结果可能有所不同

这里是一个额外的实验

我们改变了输入信号的频率到 1kHz

并改变时间分度为 200us/div

现在将共模输入电压范围

与之前的 50kHz 的输入信号相比

您可以从测试中得到什么结果呢

正如您所看见的

对于 1kHz 的输入信号

几乎看不见失真或者钳位

这是因为 OPA140 这个运放在低频段

其实是轨至轨的运放

但是到了高频

在距离正电源轨 2V 的共模范围

它的性能开始减弱

在实验 2 中

我们将会看到输入输出限制

在一个反向放大器电路中的影响

首先根据在输入输出摆幅限制课程中

所学到的公式

计算这个反向放大电路的

输入共模电压范围和输出电压摆幅

在下一页中给出了计算所需要的参数

本电路使用的是 OPA277

为了进行计算

需要知道这个运放的输入电压范围

和输出电压摆幅值

这里给出了这些值

在表中填入您的答案

并回答底部所给出的问题

为了方便检验

我们也已经在此处给出了答案

和之前一样进行 SPICE 的仿真分析

但是这回我们使用的是

OPA277 的反向放大电路

实验中所用到的 TINA-TI 模型

已经嵌入到这个课程中

简单的双击便可以打开

点击 Analysis 转到 Transient

进行瞬态分析

设置时间为零毫秒到两毫秒

输入信号是一个 120mV Peak

1kHz 的三角波

您应该会得到一个类似这样的结果

Vin 是三角波

就如我们之前所预料到的那样

Vout 的正负端都被钳位了

原因就在于输出电压摆幅的限制

在设置 PCB 前请确保关闭直流电源

在软件中点击直流电源区的电源键

来关闭电源

可以通过观察前面板的 LED

来确认电源是否关闭

另外请确保函数发生器也是关闭的

为了准备测试用的测试板

请如图所示的安装电路二的跳针和器件

装上 JMP6 JMP7 JMP8

并在 U2 上装上 OPA277

本页展示的是

TI Precision Labs Test Board

德州仪器高精度实验室测试板上

电路二的原理图

您可以使用这个电路

来测试 OPA277 的输入输出电压限制

为了让测试板正常工作

您只可以安装电路二的跳针和器件

不能安装 PCB 上其它电路里的跳针和元件

去掉不相关电路上的跳针和器件

并把它们放置在板子底部的存放区

这里的接线和实验一的接线是一样的

不用做任何的修改

虚拟仪器的设置和实验一也很相似

做如下的修改即可

我们设置通道一的纵向幅度为 100mV/div

设置通道二的为 1V/div

设置示波器的输出波形为幅度 0.22V Peak 值

零伏偏置 50% 占空比的三角波

频率为 1kHz

比较示波器显示的测试结果

和 TINA 的仿真结果

两者的输出波形应该看起来很相似

在波形的上半部分

应该都有明显的钳位现象

而对于波形的下半部

您所使用的放大器

可能出现也可能不出现钳位现象

以上就是本次实验课程的内容

非常感谢您的观看