Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Гл. 2

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.
3061
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №2 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.

Инвертирующий усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 4.

Таблица 4. Исходные данные к расчету инвертирующего усилителя

Вход Выход Частота Питание
VIMin VIMax VOMin VOMax f Vcc Vee
-7 В 7 В -14 В 14 В 3 кГц 15 В -15 В

Описание схемы

Предлагаемая схема инвертирует и усиливает входной сигнал VI с коэффициентом усиления -2 В/В (рис. 4). Если входной сигнал поступает от низкоимпедансного источника – то входное сопротивление схемы определяется резистором R1. Синфазное напряжение инвертирующего усилителя определяется напряжением на неинвертирующем входе, который в данном случае подключен к земле.

Схема инвертирующего усилителя на ОУ

Рис. 4. Схема инвертирующего усилителя на ОУ

Рекомендуем обратить внимание:

  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • входное сопротивление определяется резистором R Убедитесь, что номинал R1 значительно больше, чем собственное сопротивление источника сигнала;
  • использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести дополнительные помехи в схему;
  • во избежание проблем с устойчивостью не следует подключать емкостную нагрузку непосредственно к выходу усилителя;
  • малосигнальную полосу пропускания можно определить по коэффициенту усиления шума NG (или неинвертирующему коэффициенту усиления) и произведению коэффициента усиления на полосу пропускания GBP. Дополнительная фильтрация может быть выполнена путем добавления конденсатора параллельно резистору R Этот конденсатор также повышает устойчивость схемы;
  • при работе с большими сигналами полоса пропускания ограничивается скоростью нарастания ОУ. Чтобы минимизировать вносимые искажения, следует изучить график зависимости скорости нарастания от частоты, приведенный в документации;
  • для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Выходное напряжение инвертирующего усилителя определяется по формуле 1:

$$V_{O}=V_{I}\times \left(-\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Задайте значение резистора R1. Соотношение сопротивления резистора R1 и источника входного сигнала определяет ошибку усиления. Полагая, что сопротивление источника мало (например, 100 Ом), для получения погрешности 1% следует выбрать R1 = 10 кОм.
  • Рассчитайте коэффициент усиления схемы. Для этого используйте исходные значения входных и выходных напряжений (формула 2):

$$G=\frac{V_{OMax}}{V_{IMax}}=\frac{14\:В}{-7\:В}= -2\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитайте значение R2 для получения требуемого коэффициента усиления (формула 3):

$$G=-\frac{R_{2}}{R_{1}}\rightarrow R_{2}=-G\times R_{1}=2\times 10\:кОм=20\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитайте ширину полосы пропускания при заданном усилении, чтобы убедиться, что оно соответствует требуемой полосе f = 3 кГц (формула 4):

$$GBP_{TLV170}=1.2\:МГц$$

$$NG=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)=3\frac{В}{В}$$

$$BW=\frac{GBP}{NG}=\frac{1.2\:МГц}{3}=400\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитайте минимальную скорость нарастания, требуемую для минимизации искажений (формула 5):

$$V_{p}=\frac{SR}{2\times \pi \times f}\rightarrow SR>2\times \pi \times f\times V_{p}$$

$$ SR>2\times \pi \times f\times V_{p}=6.28\times 3\:кГц\times 14\:В=0.26\frac{В}{мкс}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$


скорость нарастания TLV170 составляет 0,4 В/мкс. Таким образом, условие выполнено.

  • Чтобы избежать проблем со стабильностью, необходимо убедиться, что нули частотной характеристики, созданные резисторами и входной емкостью, лежат ниже полосы пропускания схемы (формула 6).

$$\frac{1}{2\times \pi \times (C_{CM}+C_{DIFF})\times (R_{2}\parallel R_{1})}>\frac{GBP}{NG}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

После подстановки значений получаем:

$$43.77\:МГц>400\:кГц$$

В данном случае ССМ и CDIFF – синфазная и дифференциальная входные емкости операционного усилителя TLV170 (СCM = CDIFF = 3 пФ). Так как 43,77 МГц > 400 кГц, то требуемое условие выполняется.

Моделирование схемы

Результат моделирования в режиме постоянных токов (DC-анализ) в виде графика изображен на рис. 5.

Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ)

Полоса пропускания схемы зависит от шумового усиления, равного 3 В/В. Ослабление сигнала – 3 дБ, при номинальном усилении 6 дБ – достигается в точке 3 дБ (рисунок 6). Результаты моделирования примерно соответствуют результату, полученному в ходе расчетов (400 кГц).

Частотная характеристика инвертора

Рис. 6. Частотная характеристика инвертора

Моделирование переходных процессов

Как и ожидалось, выходной сигнал инвертирован относительно входного, и имеет удвоенное значение амплитуды (рис. 7).

Моделирование переходных процессов

Рис. 7. Моделирование переходных процессов

Рекомендации

Параметры ОУ, используемые в расчете, приведены в таблице 5.

Таблица 5. Параметры ОУ, используемые в расчете

TLV170
Vss ±18 В (36 В)
VinCM (Vee – 0,1 В)…(Vcc – 2 В)
Vout Rail-to-rail
Vos 0,5 мВ
Iq 125 мкА
Ib 10 пА
UGBW 1,2 МГц
SR 0,4 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного ОУ может использоваться LM358, параметры которого представлены в таблице 6.

Таблица 6. Параметры альтернативного ОУ LM358

LMV358
Vss 2,7…5,5 В
VinCM (Vee – 0,2 В)…(Vcc – 0,8 В)
Vout Rail-to-rail
Vos 1,7 мВ
Iq 210 мкА
Ib 15 нА
UGBW 1 МГц
SR 1 В/мкс
Число каналов 1 (LMV321), 2 (LMV358), 4 (LMV324)

Список всех опубликованных глав:

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

Источник: 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
LMV321IDCKR
LMV321IDCKR
Texas Instruments
Арт.: 261297 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 22 шт. 22,20
OP-AMP, SINGLE, 5SC70; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:Low Voltage; Gain, Bandwidth -3dB:1MHz; Slew Rate:1V/чs; Voltage, Supply Min:2.7V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:5-SOP; Pins, No.…
LMV321IDCKR 22,20
22 шт.
(на складе)
LMV321IDBVRG4
LMV321IDBVRG4
Texas Instruments
Арт.: 383691 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 1MHZ SGL SOT23-5
LMV321IDBVRG4
-
Поиск
предложений
LMV321IDBVT
LMV321IDBVT
Texas Instruments
Арт.: 383693 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Single Low-Voltage Rail-to-Rail Output Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
LMV321IDBVT
-
Поиск
предложений
LMV321IDBVTE4
LMV321IDBVTE4
Texas Instruments
Арт.: 383694 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Single Low-Voltage Rail-to-Rail Output Operational Amplifier – see LMV321A for upgraded version 5-SOT-23 -40 to 125
LMV321IDBVTE4
-
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
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 PDF
Поиск
предложений
TI Precision Amplifier Quickstart Kit
AMPQUICKKIT-EVM
-
Поиск
предложений
TLV170IDBVR
TLV170IDBVR
Texas Instruments
Арт.: 2265799 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT SOT23-5
TLV170IDBVR
-
Поиск
предложений
TLV170IDBVT
TLV170IDBVT
Texas Instruments
Арт.: 2265800 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
OP-AMP, 1.2MHZ, 0.4V/US, SOT-23-5
TLV170IDBVT
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOIC-EVM
DIYAMP-SOIC-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2301535 ИНФО
Поиск
предложений
Универсальная PCB  для усилителей TI в корпусах SOIC.
DIYAMP-SOIC-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOT23-EVM
DIYAMP-SOT23-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2320760 ИНФО
Поиск
предложений
DIYAMP EVALUATION MODULE, SOT-23-5
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

  • ()