Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Гл.1

Данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах нашего каталога.
2571
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №1 из него. 

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компанииTexas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах нашего каталога. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Начнем со стандартной схемы повторителя.

Буферная схема на ОУ (повторитель)

Исходные данные к расчету представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные к расчету

Вход Выход Частота Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax f Vcc Vee
-10 В 10 В -10 В 10 В 100 кГц 15 В -15 В

Описание схемы

Схема используется для буферизации сигналов (рисунок 1). Она обеспечивает высокий входной и малый выходной импеданс. Как правило, повторитель используется для управления низкоомной нагрузкой, буферизации сигналов аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и источников опорного напряжения (ИОН). Выходное напряжение этой схемы равно входному напряжению.

Схема повторителя на ОУ

Рис. 1. Схема повторителя на ОУ

Примечания:

  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • при работе с малыми сигналами полоса пропускания ОУ определяется шириной полосы единичного усиления;
  • следует учитывать ограничения скорости нарастания выходного сигнала ОУ, чтобы минимизировать вносимые искажения;
  • синфазное напряжение данной схемы равно входному напряжению;
  • емкостная нагрузка на выходе ОУ не должна превышать рекомендуемое значение, указанное в документации;
  • при работе с низкоомной нагрузкой может потребоваться ОУ с большим выходным током;
  • для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Передаточная функция буферной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{o}=V_{i}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Параметры используемого ОУ приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры ОУ, используемого в расчете

LM7332
Vss 2,5…32 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 1,6 мВ
Iq 2 мА
Ib 1 мкА
UGBW 7,5 МГц (±5 В питание)
SR 15,2 В/мкс
Число каналов 2
  • Убедитесь, что усилитель обеспечивает требуемый выходной размах напряжения. При этом учитывайте значения используемых уровней напряжений питания. В первую очередь обратите внимание на приведенное в документации значение размаха выходного напряжения в схеме с оборванной обратной связью. Значение из документации должно быть больше, чем требуемый размах напряжения.
    $$-14\,В\leq V_{o}\leq +14\,В$$
  • выходной диапазон напряжений LM7332 при питании ±15 В оказывается больше, чем требуемый диапазон. Таким образом, условие выполнено;
  • изучите приведенную в документации зависимость выходного напряжения от выходного тока, чтобы гарантировать, что желаемое выходное напряжение может быть достигнуто в заданном диапазоне нагрузок.
  • Проверьте, что входное синфазное напряжение допустимо с учетом выбранных уровней напряжений питания. Диапазон допустимых синфазных напряжений усилителя должен быть шире, чем диапазон напряжений входного сигнала. $$-15.1\,В\leq V_{icm}\leq +15.1\,В$$

    • входной диапазон синфазных напряжений для LM7332 при питании ±15 В оказывается шире, чем требуемый диапазон входного сигнала. Таким образом, условие выполнено.
  • Рассчитайте минимальную скорость нарастания, требуемую для минимизации искажений. $$SR>2\times \pi \times V_{p}\times f=2\times \pi \times 10\,В\times 100\,кГц=6.28\,В/мкс$$
    • скорость нарастания LM7332 составляет 15,2 В/мкс. Таким образом, условие выполнено.
  • Убедитесь, что устройство будет иметь достаточную полосу пропускания. $$f_{signal} < f_{unity}\:(100\,кГц < 7.5\,МГц)$$
    • диапазон частот выходного сигнала меньше полосы пропускания LM7332. Таким образом, условие выполнено.

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) (рис. 2).

Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) (рис.3).

Частотная характеристика буферного повторителя

Рис. 3. Частотная характеристика буферного повторителя

Рекомендации

Рекомендуем ознакомиться с материалами о TIPD128.

Для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте TI Precision Labs.

В качестве альтернативного ОУ может использоваться OPA192, параметры которого представлены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры альтернативного ОУ

OPA192
Vss 4,5…36 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 1 мА
Ib 5 пА
UGBW 10 МГц
SR 20 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Источник: КОМПЭЛ

Журнал: КОМПЭЛ
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPAMPEVM-SOIC
OPAMPEVM-SOIC
Texas Instruments
Арт.: 160396 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in SOIC Packages
OPAMPEVM-SOIC
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-PDIP
OPAMPEVM-PDIP
Texas Instruments
Арт.: 160423 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in PDIP Packages
OPAMPEVM-PDIP
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-SOT23SHDN
OPAMPEVM-SOT23SHDN
Texas Instruments
Арт.: 160424 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual OpAmps with Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23SHDN
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
Texas Instruments
Арт.: 160425 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in MSOP/TSSOP Packages
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
-
Поиск
предложений
LM7332MA/NOPB
LM7332MA/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 328275 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
OP AMP, 21MHZ, 15.2V/uS, SOIC-8
LM7332MA/NOPB
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-SOT23
OPAMPEVM-SOT23
Texas Instruments
Арт.: 387061 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual OpAmps without Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23
-
Поиск
предложений
LM7332MAX/NOPB
LM7332MAX/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1000830 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
IC OP AMP R-R I/O DUAL 30V 8SOIC
LM7332MAX/NOPB
-
Поиск
предложений
LM7332MM/NOPB
LM7332MM/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1000831 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
OP-AMP, DUAL, 21MHZ, 15.2V/US, VSSOP-8
LM7332MM/NOPB
-
Поиск
предложений
LM7332MME/NOPB
LM7332MME/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1000832 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
IC, OP AMP, DUAL, R/R, 30V, 8MSOP, REEL
LM7332MME/NOPB
-
Поиск
предложений
LM7332MMX/NOPB
LM7332MMX/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1000833 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
IC OP AMP R-R I/O DUAL 30V 8MSOP
LM7332MMX/NOPB
-
Поиск
предложений
DIP-ADAPTER-EVM
DIP-ADAPTER-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1111445 ИНФО
Поиск
предложений
Макетная плата  DIP-адаптеров SMD микросхем.
DIP-ADAPTER-EVM
-
Поиск
предложений
AMPQUICKKIT-EVM
AMPQUICKKIT-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1903294 ИНФО
Поиск
предложений
TI Precision Amplifier Quickstart Kit
AMPQUICKKIT-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOIC-EVM
DIYAMP-SOIC-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2301535
Поиск
предложений
DIYAMP-SOIC-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOT23-EVM
DIYAMP-SOT23-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2320760
Поиск
предложений
DIYAMP-SOT23-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SC70-EVM
DIYAMP-SC70-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2549437 ИНФО
Поиск
предложений
Оценочный модуль универсального DIY усилителя.
DIYAMP-SC70-EVM
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()