Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 12

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
735
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №12 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). 

ШИМ-генератор на ОУ

Исходные данные к расчету представлены в таблице 34.

Таблица 34. Исходные данные к расчету

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
-2,0 В 2,0 В 0 В 5 В 5 В 0 В 2,5 В

Описание схемы

Данная схема использует генератор треугольных импульсов и компаратор для формирования ШИМ-сигнала с частотой 500 кГц и коэффициентом заполнения, обратно пропорциональным входному напряжению (рисунок 42). Операционный усилитель (U3) и компаратор (U4) генерируют треугольный сигнал, подаваемый на инвертирующий вход второго компаратора (U2). Входное напряжение схемы поступает на инвертирующий вход усилителя рассогласования (U1) и далее на неинвертирующий вход компаратора (U2). Выходной ШИМ-сигнал формируется при сравнении входного напряжения и треугольного сигнала. Сигнал с выхода U2 используется для обратной связи и подается на вход усилителя рассогласования (U1). Это сделано для улучшения точности и линейности при генерации ШИМ-сигнала.

Схема ШИМ-генератора

Рис. 42. Схема ШИМ-генератора

Рекомендуем обратить внимание:

  • используйте компаратор c выходом типа “push-pull” и минимальным временем задержки;
  • Применяйте ОУ с подходящими значениями скорости нарастания, GBW и диапазона выходных напряжений;
  • частота полюса, создаваемого конденсатором С, должна лежать ниже частоты переключений и значительно выше слышимого звукового диапазона;
  • импеданс источника опорного напряжения должен быть минимальным. Для этой цели может быть использован выход ОУ.

Порядок расчета

  • Выбираем коэффициент усиления для входного сигнала по формуле 1:

$$GAIN=-\frac{R_{4}}{R_{3}}=-1\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Задаем R3 = R4 = 10 кОм.

  • Выбираем сопротивления R1 и R2 для деления опорного напряжения и получения единичного усиления сигнала на неинвертирующем входе (формула 2):

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

R1 = R2 = R3 = R4 = 10 кОм.

Тогда VO_DC = 2,5 В.

  • Амплитуда Vtri должна быть выбрана выше максимальной амплитуды входного напряжения (2,0 В), чтобы избежать коэффициента заполнения ШИМ-сигнала 0% и 100%. Выбираем Vtri = 2,1 В. Амплитуда V1 = 2,5 В (формула 3):

$$V_{tri}\:(амплитуда)=\frac{R_{5}}{R_{6}}\times V_{1}\:(амплитуда)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Задаем R6 = 10 кОм и определяем R5 по формуле 4:

$$R_{5}=\frac{V_{tri}\:(амплитуда)\times R_{6}}{V_{1}\:(амплитуда)}=8.4\:кОм\approx 8.45\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Задаем частоту ШИМ 500 кГц, исходя из формулы 5:

$$f_{t}=\frac{R_{6}}{4\times R_{7}\times R_{5}\times C_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Задаем С3 = 100 пФ и рассчитываем R7 по формуле 6:

$$R_{7}=\frac{R_{6}}{4\times f_{t}\times R_{5}\times C_{3}}=5.92\:кОм\approx 5.90\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем С1 для ограничения полосы пропускания усилителя ниже частоты ШИМ (формула 7):

$$f_{p}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{4}\times C_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

С1 = 100 пФ → fp = 159 кГц

  • Выбираем С2 для фильтрации шума Vref и подставляем в формулу 8:

C2 = 100 нФ (номинал).

$$f_{div}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{1}\parallel R_{2}\times C_{2}}=320\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) изображено на рисунке 43.

Зависимость выходного напряжения усилителя от входного

Рис. 43. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного

Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 44.

Осциллограммы переходных процессов

Рис. 44. Осциллограммы переходных процессов

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 35.

Таблица 35. Параметры ОУ, используемого в расчете

OPA2365
Vss 2,2…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 100 мкВ
Iq 4,6 мА
Ib 2 пА
UGBW 50 МГц
SR 25 В/мкс
Число каналов 2

В качестве альтернативы могут использоваться ОУ, параметры которых представлены в таблице 36

Таблица 36. Параметры альтернативных ОУ

TLV3502 OPA2353
Vss 2,2…5,5 В 2,7…5,5 В
VinCM Rail-to-rail Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail Rail-to-rail
Vos 1 мВ 3 мкВ
Iq 3,2 мА 5,2 мА
Ib 2 пА 0,5 пА
UGBW 44 МГц
SR 22 В/мкс
Число каналов 2 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
  5. Дифференциальный усилитель. Гл. 5
  6. Интегратор. Гл. 6
  7. Дифференциатор. Гл.7
  8. Трансимпедансный усилитель. Гл. 8
  9. Однополярная схема измерения тока. Гл. 9
  10. Биполярная схема измерения тока. Гл. 10
  11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады). Гл. 11

Источник: КОМПЭЛ

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA2353EA/250
OPA2353EA/250
Texas Instruments
Арт.: 22363 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, DUAL CMOS RRI/O, SMD, 2353; Amplifiers, No. of:2; Op Amp Type:High Speed; Gain, Bandwidth -3dB:44MHz; Slew Rate:22; Voltage, Supply Min:2.7V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:MSOP; Pins, No.…
OPA2353EA/250
-
Поиск
предложений
TLV3501AID
TLV3501AID
Texas Instruments
Арт.: 169753 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Voltage Comparators; No. of Comparators:1; Comparator Type:High Speed; Response Time:4.5ns; Output Type:CMOS Compatible - Push-Pull; Supply Current:3.2mA; Supply Voltage Min:2.7V; Supply Voltage Max:5.5V; Termination Type:SMD
TLV3501AID
-
Поиск
предложений
TLV3501AIDBVT
TLV3501AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 177832 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Voltage Comparators; No. of Comparators:1; Comparator Type:High Speed; Response Time:4.5ns; Output Type:CMOS Compatible - Push-Pull; Supply Current:3.2mA; Supply Voltage Min:2.7V; Supply Voltage Max:5.5V; Termination Type:SMD
TLV3501AIDBVT
-
Поиск
предложений
TLV3502AID
TLV3502AID
Texas Instruments
Арт.: 249798 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC, HIGH SPEED COMPARATOR; Comparators, No. of:2; Comparator Type:High Speed; Time, Response:4.5ns; Output Type:CMOS Compatible - Push-Pull; Current, Supply:3.2mA; Voltage, Supply Min:2.7V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOIC; Pins, No.…
TLV3502AID
-
Поиск
предложений
OPA2365AID
OPA2365AID
Texas Instruments
Арт.: 250240 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:2; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:50MHz; Slew Rate:25V/чs; Supply Voltage Min:2.2V; Supply Voltage Max:5.5V; No. of Pins:8
OPA2365AID
-
Поиск
предложений
TLV3502AIDCNT
TLV3502AIDCNT
Texas Instruments
Арт.: 262008 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC, HIGH SPEED COMPARATOR; Comparators, No. of:2; Comparator Type:High Speed; Time, Response:4.5ns; Output Type:CMOS Compatible - Push-Pull; Current, Supply:3.2mA; Voltage, Supply Min:2.7V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOT-23; Pins, No.…
TLV3502AIDCNT
-
Поиск
предложений
TLV3502AIDG4
TLV3502AIDG4
Texas Instruments
Арт.: 279527 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
COMPARATOR RL-RL, SMD, SOIC8, 3502; Comparators, No. of:2; Comparator Type:High Speed; Time, Response:4.5ns; Output Type:CMOS Compatible - Push-Pull; Current, Supply:3.2mA; Voltage, Supply Min:2.7V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOIC; Pins, No.…
TLV3502AIDG4
-
Поиск
предложений
OPA2353EA/2K5
OPA2353EA/2K5
Texas Instruments
Арт.: 385990 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 44MHZ DUAL 8MSOP
OPA2353EA/2K5
-
Поиск
предложений
OPA2353EA/2K5G4
OPA2353EA/2K5G4
Texas Instruments
Арт.: 385991 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 44MHZ DUAL 8MSOP
OPA2353EA/2K5G4
-
Поиск
предложений
OPA2365AIDG4
OPA2365AIDG4
Texas Instruments
Арт.: 386026 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
2.2V, 50MHz, Low-Noise Single-Supply Rail-to-Rail Operational Amplifiers 8-SOIC -40 to 125
OPA2365AIDG4
-
Поиск
предложений
OPA2365AIDR
OPA2365AIDR
Texas Instruments
Арт.: 386027 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
2.2V, 50MHz, Low-Noise Single-Supply Rail-to-Rail Operational Amplifiers 8-SOIC -40 to 125
OPA2365AIDR
-
Поиск
предложений
TLV3501AIDBVRG4
TLV3501AIDBVRG4
Texas Instruments
Арт.: 418389 PDF AN RD
Поиск
предложений
4.5ns Rail-to-Rail, High Speed Comparator in Microsized Packages 6-SOT-23 -40 to 125
TLV3501AIDBVRG4
-
Поиск
предложений
TLV3502AIDCNR
TLV3502AIDCNR
Texas Instruments
Арт.: 418394 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
4.5ns Rail-to-Rail Comparator 8-SOT-23 -40 to 125
TLV3502AIDCNR
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()