Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Гл. 22

Продолжаем публикацию очередной главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». В главе 22 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.
1984
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №22 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). 

Неинвертирующий усилитель со смещением инвертирующего входа

Исходные данные к расчету представлены в таблице 65.

Таблица 65. Исходные данные к расчету неивертирующего усилителя

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
2 В 5 В 0,05 В 4,95 В 5 В 0 В 2,5 В

Разбор схемы

Схема этого усилителя используется для преобразования входного сигнала 2…5 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В, что представлено на рисунке 75. Она может использоваться для того чтобы масштабировать и смещать сигнал датчика для последующей его оцифровки на АЦП.

Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Рис. 75. Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Обращаем ваше внимание:

  • задействуйте операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений, который изображен на схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • диапазон синфазных напряжений должен соответствовать диапазону входных напряжений;
  • источник опорного напряжения Vref должен иметь низкий импеданс;
  • входное сопротивление схемы представляет собой сумму сопротивлений R3 и R4;
  • стабильность достигается за счет использования в цепи обратной связи резисторов номиналом менее 100 кОм. Применение высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе и повысит уровень собственных шумов схемы;
  • коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного операционного усилителя определяет частоту среза;
  • для большей фильтрации добавьте конденсатор параллельно резистору R, он также повысит устойчивость схемы.

Параметры схемы

  • Значение выходного напряжения определяется по формуле 1:

$$V_{o}=V_{i}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Вычислим коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{4.95\:В-0.05\:В}{5\:В-2\:В}=1.633\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Подставим значения сопротивления резисторов R1 и R4. Пусть R1 = R4 = 1 кОм.

Учитывая, что:

$$G_{Input}=\left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right),$$

получаем (формула 3):

$$1.633\frac{В}{В}=\left(\frac{1\:кОм}{R_{3}+1\:кОм} \right)\times \left(\frac{1\:кОм+R_{2}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Решая уравнение (формула 3) относительно R3, получаем формулу 4:

$$R_{3}=\frac{1\:кОм\times 1\:кОм+(1\:кОм\times R_{2})}{1.633\frac{В}{В}\times R_{2}}-1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Определим точку на передаточной функции в линейном диапазоне ОУ для задания необходимого смещения на выходе, например, используя минимальное входное или выходное напряжение (формула 5):

$$V_{oMin}=V_{iMin}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

  • Подставляем известные значения в формулу 5 для R3. Определяем R2:

R2 = 777,2 Ом ≈ 777 Ом.

  • Определяем R3 по формуле 4, подставляя найденное значение R2, и рассчитываем значение R3 = 400,49 Ом ≈ 402 Ом.

Моделирование

Рисунок 76 иллюстрирует передаточную характеристику схемы.

Передаточная характеристика схемы

Рис. 76. Передаточная характеристика схемы

Рисунок 77 иллюстрирует малосигнальный AC-анализ (моделирование в режиме переменных токов).

Частотная характеристика схемы

Рис. 77. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Ознакомьтесь с обучающим видео «TI Precision Lab Videos on Input and Output Limitations» для получения более подробной информации.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 66.

Таблица 66. Параметры ОУ, используемого в расчете

TSV912
Vss 2,5…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,3 мВ
Iq 550 мкА
Ib 1 пА
UGBW 8 МГц
SR 4,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 67.

Таблица 67. Параметры альтернативного ОУ

OPA191
Vss 4,5…36 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 140 мкА/канал
Ib 5 пА
UGBW 2,5 МГц
SR 5,5 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
OPA191ID
OPA191ID
Texas Instruments
Арт.: 2090681 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1209 шт. от 1 шт. от 303,43
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT 8SOIC
OPA191ID от 1 шт. от 303,43
1209 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA191IDR
OPA191IDR
Texas Instruments
Арт.: 2090682 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1364 шт. от 1 шт. от 269,13
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT 8SOIC
OPA191IDR от 1 шт. от 269,13
1364 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA191IDGKR
OPA191IDGKR
Texas Instruments
Арт.: 2120330 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1364 шт. от 1 шт. от 269,13
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT 8VSSOP
OPA191IDGKR от 1 шт. от 269,13
1364 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA191IDGKT
OPA191IDGKT
Texas Instruments
Арт.: 2120331 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1259 шт. от 1 шт. от 291,56
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 2.5MHZ, 5.5V/US, VSSOP-8
OPA191IDGKT от 1 шт. от 291,56
1259 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
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
TSV912AIDR
TSV912AIDR
Texas Instruments
Арт.: 2572974 ИНФО PDF AN
Доступно: 5511 шт. от 17 шт. от 66,61
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 8MHZ, 4.5V/US, SOIC-8
TSV912AIDR от 17 шт. от 66,61
5511 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TSV912AIDSGR
TSV912AIDSGR
Texas Instruments
Арт.: 2611732 ИНФО PDF AN
Доступно: 6334 шт. от 18 шт. от 57,96
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 2 CIRCUIT 8WSON
TSV912AIDSGR от 18 шт. от 57,96
6334 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TSV912AIDSGT
TSV912AIDSGT
Texas Instruments
Арт.: 2611733 ИНФО PDF AN
Доступно: 6010 шт. от 19 шт. от 61,08
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, DUAL, 8MHZ, 4.5V/US, WSON-8
TSV912AIDSGT от 19 шт. от 61,08
6010 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TSV912AIDGKR
TSV912AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 2734694 ИНФО PDF AN
Доступно: 6334 шт. от 18 шт. от 57,96
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 2 CIRCUIT 8VSSOP
TSV912AIDGKR от 18 шт. от 57,96
6334 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TSV912AIDGKT
TSV912AIDGKT
Texas Instruments
Арт.: 2734695 ИНФО PDF AN
Доступно: 6010 шт. от 19 шт. от 61,08
Выбрать
условия
поставки
8-MHZ, RRIO GENERAL PURPOSE CMOS OP AMP
TSV912AIDGKT от 19 шт. от 61,08
6010 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TSV912AIDT
TSV912AIDT
STMicroelectronics
Арт.: 452028 ИНФО PDF AN
Доступно: 2930 шт. от 1 шт. от 125,26
Выбрать
условия
поставки
Операционный усилитель - [SOIC-8-3.9]; Тип ОУ: Стандартный; Особенность: Rail-to-Rail; Каналы: 2; Uпит: 2.5...5.5 В; Iпотр: 820 мкА; Прог. Кусил.: Нет
TSV912AIDT от 1 шт. от 125,26
2930 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TSV912IST
TSV912IST
STMicroelectronics
Арт.: 452032 ИНФО PDF AN
Доступно: 3436 шт. от 1 шт. от 106,84
Выбрать
условия
поставки
Операционный усилитель - [uSOP-8]; Тип ОУ: Стандартный; Особенность: Rail-to-Rail; Каналы: 2; Uпит: 2.5...5.5 В; Iпотр: 820 мкА; Прог. Кусил.: Нет
TSV912IST от 1 шт. от 106,84
3436 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TSV912IQ2T
TSV912IQ2T
STMicroelectronics
Арт.: 1049396 ИНФО PDF AN
Доступно: 3214 шт. от 1 шт. от 114,21
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 8MHZ, 4.5V/US, DFN-8
TSV912IQ2T от 1 шт. от 114,21
3214 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()