Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Гл. 5

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.
1520
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №5 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.

Дифференциальный усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 13.

Таблица 13. Исходные данные к расчету

Вход 1 (Vi2-Vi1) Выход CMRR мин. Питание
VidiffMin VidiffMax VoMin VoMax дБ Vcc Vee Vref
-1,25 В 1,25 В -2,5 В 2,5 В 50 2,75 В -2,75 В 0 В

Описание схемы

Выходной сигнал схемы определяется разницей между входными сигналами Vi1 и Vi2 (рисунок 16). Источники сигналов, как правило, должны иметь низкий импеданс, так как входной импеданс схемы определяется резисторами R1 и R2. Дифференциальные усилители обычно используются для усиления разницы напряжений входных сигналов и исключения синфазной составляющей. Синфазное напряжение дифференциального усилителя равно общему напряжению, приложенному к обоим входам. Эффективность подавления синфазной составляющей характеризуется коэффициентом ослабления синфазного напряжения, или КОСС (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR). КОСС дифференциального усилителя определяется точностью используемых резисторов.

Схема дифференциального усилителя на ОУ

Рис. 16. Схема дифференциального 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). Синфазное напряжение на входах ОУ не должно превышать допустимых значений;
  • входное сопротивление схемы определяется сопротивлением входных резисторов. Их значение должно быть гораздо больше, чем сопротивление источников выходных сигналов;
  • использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести дополнительные помехи в схему;
  • не следует подключать емкостную нагрузку непосредственно к выходу усилителя во избежание проблем с устойчивостью;
  • 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 конденсаторов параллельно резисторам R3 и R4. Эти конденсаторы также повышают 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.

Порядок расчета

Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется по формуле 1:

$$V_{O}=V_{I1}\times \left(-\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{I2}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{2}+R_{4}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\times \left(\frac{R_{2}}{R_{2}+R_{4}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Если R1 = R2 и R3 = R4, то формула для VO значительно упрощается (формула 2):

$$V_{O}=\left(V_{I2}-V_{I1} \right)\times \left(\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем значения сопротивлений R1 и R2. Выбор необходимо делать с учетом импеданса источников входных сигналов, так как это влияет на величину коэффициента шумового усиления. Пусть R1 = R2 = 10 кОм.
  • Рассчитываем коэффициент усиления (формула 3):

$$\mid G_{VI1}\mid =\frac{V_{OMax}-V_{OMin}}{V_{IdiffMax}-V_{IdiffMin}}=\frac{2.5\:В-(-2.5\:В)}{1.25\:В-(-1.25\:В)}=2\frac{В}{В}=6.02\:дБ\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем сопротивления резисторов R3 и R4 (формула 4):

$$G=2\frac{В}{В}=\frac{R_{3}}{R_{1}}\rightarrow R_{3}=R_{4}=2\times R_{1}=20\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем допустимую погрешность резисторов для достижения минимального значения коэффициента подавления синфазного сигнала CCMR. Для минимального CMRR (худший случай) α = 4. Однако для типового значения CMRR α = 0,33 (формула 5).

$$CMRR_{дБ}\cong 20\log_{10} \left(\frac{1+G}{\alpha \times \varepsilon} \right)$$

$$ \varepsilon =\frac{1+G}{\alpha \times 10^{\frac{CMRR_{дБ}}{20}}}=\frac{1+2}{4 \times 10^{\frac{50}{20}}}=0.24\%\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$


Таким образом следует использовать резисторы с погрешностью 0,1%.

  • Для наглядности в таблице 14 представлены расчетные значения погрешностей резисторов и значений CMRR для G = 1 и G = 2. Как видно, при увеличении коэффициента усиления CMRR также возрастает.

Таблица 14. Расчет CMRR и допустимых погрешностей резисторов

Погрешность CMRR, дБ
G = 1 мин. G = 1 тип. G = 2 мин. G = 2 тип.
0,01% = 0,0001 74 95,6 77,5 99,2
0,1% = 0,001 54 75,6 57,5 79,2
0,5% = 0,005 40 61,6 43,5 65,2
1% = 0,01 34 55,6 37,5 59,2
5% = 0,05 20 41,6 23,5 45,2

Моделирование схемы

На рисунке 17 изображено моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ).

Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Vidiff

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Vidiff

Результаты моделирования CMRR показаны на рисунке 18.

Частотная зависимость CMRR

Рис. 18. Частотная зависимость CMRR

Рекомендации

Для получения дополнительной информации о параметрах ОУ следует обратиться к TI Precision Labs.

Для получения дополнительной информации о CMRR дифференциальных усилителей следует обратиться к Overlooking the obvious: the input impedance of a difference amplifier.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 15.

Таблица 15. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV6001
Vss, В 1,8…5,5
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos, мкВ 750
Iq, мкА 75
Ib, пА 1
UGBW, МГц 1
SR, В/мкс 0,5
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 16.

Таблица 16. Параметры альтернативного ОУ

OPA320
Vss, В 1,8…5,5
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos, мкВ 40
Iq, мА 1,5
Ib, пА 0,2
UGBW, МГц 20
SR, В/мкс 10
Число каналов 1, 2

Список ранее опубликованных глав:

  1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Гл.1
  2. Инвертирующий усилитель. Гл.2
  3. Неинвертирующий усилитель. Гл.3
  4. Инвертирующий сумматор. Гл. 4

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
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
OPA320AIDBVR
OPA320AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 856686 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Precision, 20MHz, 0.9pA Ib, RRIO, CMOS Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA320AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA320AIDBVT
OPA320AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 856687 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, CMOS, 20MHZ, 5SOT23, FULL REEL
OPA320AIDBVT
-
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
OPA320SAIDBVT
OPA320SAIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 1204055 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC, OP-AMP, SINGLE, 20MHZ, SOT-23-6
OPA320SAIDBVT
-
Поиск
предложений
AMPQUICKKIT-EVM
AMPQUICKKIT-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1903294 ИНФО
Поиск
предложений
TI Precision Amplifier Quickstart Kit
AMPQUICKKIT-EVM
-
Поиск
предложений
TLV6001IDBVR
TLV6001IDBVR
Texas Instruments
Арт.: 2172169 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
1-MHz, Low-Power Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems 5-SOT-23 -40 to 125
TLV6001IDBVR
-
Поиск
предложений
TLV6001IDCKR
TLV6001IDCKR
Texas Instruments
Арт.: 2172171 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
1-MHz, Low-Power Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems 5-SC70 -40 to 125
TLV6001IDCKR
-
Поиск
предложений
TLV6001RIDBVR
TLV6001RIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 2263303 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
1-MHz, Low-Power Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems 5-SOT-23 -40 to 125
TLV6001RIDBVR
-
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

  • ()