Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Гл. 21

Продолжаем публикацию очередной главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». В главе 21 пойдет речь о cхеме инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах нашего каталога.
3565
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №21 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). 

Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Исходные данные для расчета представлены в таблице 62.

Таблица 62. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
-5 В -1 В 0,05 В 3,3 В 5 В 0 В 5 В

Описание схемы

Область применения данной схемы -преобразование входного отрицательного сигнала -5…-1 В в положительный сигнал 3,3…0,05 В (рисунок 72). Она используется для преобразования отрицательного сигнала датчика в положительный сигнал для последующей оцифровки с помощью АЦП с однополярным входом.

Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Рис. 72. Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Рекомендуем обратить внимание:

  • применяйте операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений. Этот диапазон определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • диапазон синфазных напряжений должен начинаться с 0 В (или быть ниже 0 В);
  • импеданс источника опорного напряжения Vref должен быть низким;
  • входное сопротивление схемы должно быть тождественно сопротивлению R2;
  • для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи номиналом менее 100 кОм. Использование высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе и приведет к увеличению уровня собственных шумов схемы;
  • частота среза схемы зависит от произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного ОУ. Дополнительная фильтрация может быть обеспечена посредством добавления конденсатора параллельно резистору R. Этот конденсатор также улучшает устойчивость схемы.

Алгоритм расчета 

  • Выходное напряжение определяется формулой 1:

$$V_{o}=-V_{i}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{3.3\:В-0.05\:В}{-1\:В-(-5\:В)}=0.8125\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Определим сопротивления резисторов R1 и R2. Пусть R1 = 845 Ом, тогда (формула 3):

$$R_{2}=\frac{R_{1}}{G_{Input}}=\frac{845\:Ом}{0.8125\frac{В}{В}}=1.04\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем усиление опорного напряжения (формула 4), необходимого для смещения входного сигнала, учитывая, что:

$$G_{ref}=\frac{R_{1}}{R_{3}};\:V_{oMin}=-V_{iMin}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Получаем (формула 5):

$$G_{ref}=\frac{R_{1}}{R_{3}}=\frac{V_{oMin}+V_{iMin}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}}{V_{ref}}=0.1525\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

  • Вычисляем R3 по формуле 6:

$$R_{3}=\frac{R_{1}}{G_{ref}}=\frac{845\:Ом}{0.1525\frac{В}{В}}=5.54\:кОм\approx 5.56\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы представлена на рисунке 73.

Передаточная характеристика схемы

Рис. 73. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) приведено на рисунке 74.

Частотная характеристика схемы

Рис. 74. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 63.

Таблица 63. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9062
Vss 1,8…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,3 мВ
Iq 538 мкА
Ib 0,5 пА
UGBW 10 МГц
SR 6,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве второго варианта  можно применить ОУ, параметры которого представлены в таблице 64.

Таблица 64. Параметры альтернативного ОУ

OPA197
Vss 4,5…36 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 25 мкВ
Iq 1 мА
Ib 5 пА
UGBW 10 МГц
SR 20 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Список ранее опубликованных глав:

Источник: КОМПЭЛ

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPAMPEVM-SOIC
OPAMPEVM-SOIC
Texas Instruments
Арт.: 160396 ИНФО
Доступно: 308 шт. от 2 шт. от 499,59
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in SOIC Packages
OPAMPEVM-SOIC от 2 шт. от 499,59
308 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-PDIP
OPAMPEVM-PDIP
Texas Instruments
Арт.: 160423 ИНФО
Доступно: 158 шт. от 2 шт. от 499,59
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in PDIP Packages
OPAMPEVM-PDIP от 2 шт. от 499,59
158 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-SOT23SHDN
OPAMPEVM-SOT23SHDN
Texas Instruments
Арт.: 160424 ИНФО
Доступно: 72 шт. от 2 шт. от 499,59
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual OpAmps with Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23SHDN от 2 шт. от 499,59
72 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
Texas Instruments
Арт.: 160425 ИНФО
Доступно: 72 шт. от 2 шт. от 499,59
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in MSOP/TSSOP Packages
OPAMPEVM-MSOPTSSOP от 2 шт. от 499,59
72 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DEM-OPA-SO-1A
DEM-OPA-SO-1A
Texas Instruments
Арт.: 269936 ИНФО PDF
Доступно: 702 шт. от 2 шт. от 499,59
Выбрать
условия
поставки
DEM-OPA-SO-1A Unpopulated PCB Compatible w/High Speed Wide Bandwidth Op Amps in 8-lead SOIC (D) Pkg
DEM-OPA-SO-1A от 2 шт. от 499,59
702 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DEM-OPA-SO-1B
DEM-OPA-SO-1B
Texas Instruments
Арт.: 269937 ИНФО PDF
Доступно: 238 шт. от 2 шт. от 499,59
Выбрать
условия
поставки
Single op-amp SO-8 (Non-Inverting) generic evaulation module
DEM-OPA-SO-1B от 2 шт. от 499,59
238 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-SOT23
OPAMPEVM-SOT23
Texas Instruments
Арт.: 387061 ИНФО
Доступно: 734 шт. от 2 шт. от 499,59
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual OpAmps without Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23 от 2 шт. от 499,59
734 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DIP-ADAPTER-EVM
DIP-ADAPTER-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1111445 ИНФО
Доступно: 374 шт. 616,00
Макетная плата  DIP-адаптеров SMD микросхем.
DIP-ADAPTER-EVM 616,00 от 3 шт. 616,00 от 11 шт. 616,00 от 22 шт. 616,00
18 шт.
(на складе)
356 шт.
(под заказ)
AMPQUICKKIT-EVM
AMPQUICKKIT-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1903294 ИНФО
Доступно: 126 шт. от 1 шт. от 2897,63
Выбрать
условия
поставки
TI Precision Amplifier Quickstart Kit
AMPQUICKKIT-EVM от 1 шт. от 2897,63
126 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA197ID
OPA197ID
Texas Instruments
Арт.: 2096245 ИНФО PDF AN
Доступно: 2124 шт. от 1 шт. от 172,83
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT 8SOIC
OPA197ID от 1 шт. от 172,83
2124 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA197IDBVR
OPA197IDBVR
Texas Instruments
Арт.: 2103385 ИНФО PDF AN
Доступно: 2553 шт. от 1 шт. от 143,80
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT SOT23-5
OPA197IDBVR от 1 шт. от 143,80
2553 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA197IDGKR
OPA197IDGKR
Texas Instruments
Арт.: 2103387 ИНФО PDF AN
Доступно: 2553 шт. от 1 шт. от 143,80
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 10MHZ, 20V/US, VSSOP-8
OPA197IDGKR от 1 шт. от 143,80
2553 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA197IDGKT
OPA197IDGKT
Texas Instruments
Арт.: 2103388 ИНФО PDF AN
Доступно: 2226 шт. от 1 шт. от 164,92
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT 8VSSOP
OPA197IDGKT от 1 шт. от 164,92
2226 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SOIC-EVM
DIYAMP-SOIC-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2301535 ИНФО
Доступно: 159 шт. от 1 шт. от 1998,36
Выбрать
условия
поставки
Универсальная PCB  для усилителей TI в корпусах SOIC.
DIYAMP-SOIC-EVM от 1 шт. от 1998,36
159 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SOT23-EVM
DIYAMP-SOT23-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2320760
Доступно: 183 шт. от 1 шт. от 1998,36
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SOT23-EVM от 1 шт. от 1998,36
183 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9062IDR
TLV9062IDR
Texas Instruments
Арт.: 2320852 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 5175 шт. от 15 шт. от 70,94
Выбрать
условия
поставки
10-MHz, Low-Noise, RRIO, CMOS Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems 8-SOIC -40 to 125
TLV9062IDR от 15 шт. от 70,94
5175 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9062IDSGR
TLV9062IDSGR
Texas Instruments
Арт.: 2537479 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 4128 шт. от 12 шт. от 88,93
Выбрать
условия
поставки
10-MHz, Low-Noise, RRIO, CMOS Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems 8-SOIC -40 to 125
TLV9062IDSGR от 12 шт. от 88,93
4128 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SC70-EVM
DIYAMP-SC70-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2549437 ИНФО
Доступно: 55 шт. от 1 шт. от 1998,36
Выбрать
условия
поставки
Оценочный модуль универсального DIY усилителя.
DIYAMP-SC70-EVM от 1 шт. от 1998,36
55 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9062IDGKR
TLV9062IDGKR
Texas Instruments
Арт.: 2734673 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 5175 шт. от 15 шт. от 70,94
Выбрать
условия
поставки
10-MHz, Low-Noise, RRIO, CMOS Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems 8-SOIC -40 to 125
TLV9062IDGKR от 15 шт. от 70,94
5175 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9062IDGKT
TLV9062IDGKT
Texas Instruments
Арт.: 2734674 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 4480 шт. от 13 шт. от 81,94
Выбрать
условия
поставки
10-MHz, Low-Noise, RRIO, CMOS Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems 8-SOIC -40 to 125
TLV9062IDGKT от 13 шт. от 81,94
4480 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9062IPWR
TLV9062IPWR
Texas Instruments
Арт.: 2736425 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 5175 шт. от 15 шт. от 70,94
Выбрать
условия
поставки
10-MHZ, RRIO, CMOS OPERATIONAL AMPLIFIER
TLV9062IPWR от 15 шт. от 70,94
5175 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9062SIDGSR
TLV9062SIDGSR
Texas Instruments
Арт.: 3167463 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 5484 шт. от 15 шт. от 66,94
Выбрать
условия
поставки
IC CMOS 2 CIRCUIT 10VSSOP
TLV9062SIDGSR от 15 шт. от 66,94
5484 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()