Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 7

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
2056
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №7 из неё. 

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.

Дифференциатор

Исходные данные к расчету представлены в таблице 20.

Таблица 20. Исходные данные к расчету

Вход Выход Питание
fMin f0dB VOMin VOMax Vcc Vee Vref
100 Гц 5 кГц 0,1 В 4,9 В 5 В 0 В 2,5 В

Описание схемы

Схема дифференциатора выполняет дифференцирование входного сигнала в частотном диапазоне, определяемом постоянной времени и шириной полосы пропускания ОУ (рисунок 24). Входной сигнал подается на инвертирующий вход, поэтому выходной сигнал имеет обратную полярность. Идеальная схема дифференциатора является принципиально нестабильной и требует дополнительного входного резистора, конденсатора в цепи обратной связи или и того, и другого одновременно. Компоненты, обеспечивающие стабильность схемы, приводят к ограничению рабочего частотного диапазона.

Схема дифференциатора

Рис. 24. Схема дифференциатора

Рекомендуем обратить внимание:

  • чтобы использовать конденсатор С1 меньшей емкости, следует выбирать резистор R2 с большим номиналом;
  • для фильтрации ВЧ-шумов можно подключить дополнительный конденсатор параллельно с резистором R. При этом конденсатор уменьшит диапазон рабочих частот в 3,5 раза (половина декады) по сравнению с полосой пропускания ОУ;
  • регулируемый источник опорного напряжения может быть подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя. Это позволит схеме работать с однополярным питанием. Опорное напряжение может быть получено с помощью делителя напряжения;
  • для уменьшения искажений следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL).

Порядок расчета

Выходное напряжение схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=-R_{2}\times C_{1}\times \frac{dV_{IN}(t)}{dt}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем стандартное большое значение R2 = 499 кОм.
  • Нижняя частота дифференциатора должна быть в три с половиной раза меньше (половина декады) заданной рабочей частоты fmin (формула 2):

$$C_{1}\geq \frac{3.5}{2\pi \times R_{2}\times f_{MIN}}=\frac{3.5}{6.28 \times 499\:кОм\times 100\:Гц}=11.1\:нФ\approx15\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

(значение из стандартного ряда номиналов)

  • Верхняя частота дифференциатора должна быть в три с половиной раза больше (половина декады) заданной рабочей частоты fmax (формула 3).

$$R_{1}\leq \frac{1}{3.5\times 2\pi \times C_{1}\times f_{MAX}}=\frac{1}{3.5\times 6.28 \times 15\:нФ \times 2.5\:кГц}=1.2\:кОм\approx 1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

(значение из стандартного ряда номиналов).

  • Рассчитываем полосу пропускания ОУ для обеспечения стабильности схемы по формуле 4:

$$GBP>\frac{R_{1}+R_{2}}{2\pi \times R_{1}^2\times C_{1}}=\frac {1\:кОм+499\:кОм}{6.28 \times 1\:кОм^2\times 15\:нФ}=5.3\:МГц\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Полоса TLV9061 составляет 10 МГц, таким образом, условие выполнено.

  • Если параллельно с R2 подключить конденсатор CF, то частота среза может быть рассчитана по формуле 5:

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{2}\times C_{F}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем сопротивления резисторов R3 и R4, учитывая заданное значение опорного напряжения 2,5 В (формула 6):

$$R_{3}=\frac{V_{CC}-V_{REF}}{V_{REF}}\times R_{4}=\frac{5\:В-2.5\:В}{2.5\:В}\times R_{4}=R_{4}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Тогда R3 = R4 = 100 кОм (значение из стандартного ряда номиналов).

Моделирование схемы

Моделирование в режиме переменных токов

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 25.

Частотная характеристика схемы

Рис. 25. Частотная характеристика схемы

Моделирование переходных процессов

При подаче на вход синусоиды частотой 2,5 кГц на выходе наблюдается синусоида частотой 2,5 кГц, смещенная на 90°, или косинусоида (рисунок 26).

Дифференцирование синусоиды

Рис. 26. Дифференцирование синусоиды

 

При подаче на вход прямоугольного сигнала частотой 2,5 кГц на выходе наблюдается импульсный сигнал частотой 2,5 кГц (рисунок 27).

Интегрирование прямоугольного сигнала

Рис. 27. Интегрирование прямоугольного сигнала

При подаче на вход треугольного сигнала частотой 100 Гц на выходе наблюдается прямоугольный сигнал частотой 100 Гц (рисунок 28).

Интегрирование треугольного сигнала

Рис. 28. Интегрирование треугольного сигнала

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 21.

Таблица 21. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9061
Vss 1,8…5,5 В
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,3 мВ
Iq 0,538 мА
Ib 0,5 пА
UGBW 10 МГц
SR 6,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 22.

Таблица 22. Параметры альтернативного ОУ

OPA374
Vss 2,3…5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 1 мВ
Iq 0,585 мА
Ib 0,5 пА
UGBW 6,5 МГц
SR 0,4 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

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
  5. Дифференциальный усилитель. Гл. 5
  6. Интегратор. Гл. 6

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
OPA374AIDBVTG4
OPA374AIDBVTG4
Texas Instruments
Арт.: 334423 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Single 6.5MHz, 585uA, rail-to-rail I/O CMOS operational amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA374AIDBVTG4
-
Поиск
предложений
OPA374AID
OPA374AID
Texas Instruments
Арт.: 386518 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
6.5MHz, 585uA, Rail-to-Rail I/O CMOS Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA374AID
-
Поиск
предложений
OPA374AIDBVR
OPA374AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 386519 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 6.5MHZ SOT23-6
OPA374AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA374AIDBVRG4
OPA374AIDBVRG4
Texas Instruments
Арт.: 386520 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 6.5MHZ SOT23-6
OPA374AIDBVRG4
-
Поиск
предложений
OPA374AIDR
OPA374AIDR
Texas Instruments
Арт.: 386522 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 6.5MHZ SGL 8SOIC
OPA374AIDR
-
Поиск
предложений
OPA374AIDRG4
OPA374AIDRG4
Texas Instruments
Арт.: 386523 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 6.5MHZ SGL 8SOIC
OPA374AIDRG4
-
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
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
TLV9061IDBVR
TLV9061IDBVR
Texas Instruments
Арт.: 3094345 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC CMOS 1 CIRCUIT SOT23-5
TLV9061IDBVR
-
Поиск
предложений
TLV9061SIDBVR
TLV9061SIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 3154902 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC CMOS 1 CIRCUIT SOT23-6
TLV9061SIDBVR
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()