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.

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.

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).

Рис. 6. Частотная характеристика инвертора
Моделирование переходных процессов
Как и ожидалось, выходной сигнал инвертирован относительно входного, и имеет удвоенное значение амплитуды (рис. 7).

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: