Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Глава 24

Продолжаем публикацию очередной главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». В главе 24 пойдет речь о cхеме инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего 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
1578
В избранное

На сайте нашего партнера Компэл опубликованы главы из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники». Представляем вашему вниманию главу №24 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

Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Исходные данные для расчета представлены в таблице 71.

Таблица 71. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
-1 В 2 В 0,05 В 4,95 В 5 В 0 В 1,259 В

Описание схемы

Данная схема инвертирующего усилителя со входным смещением используется для преобразования входного сигнала -1…2 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рисунок 81). Схема может применяться для масштабирования и смещения сигнала датчика с целью дальнейшей оцифровки при помощи АЦП.

Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Рис. 81. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Рекомендуем взять на заметку:

  • следует использовать операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений. Он определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • синфазное напряжение усилителя равно напряжению смещения;
  • источник опорного напряжения Vref может быть образован резистивным делителем;
  • входное сопротивление схемы тождественно сопротивлению R2;
  • для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи с номиналом менее 100 кОм. Использование высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе, но вызовет повышение уровня собственных шумов схемы;
  • частота среза схемы зависит от произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного ОУ;
  • дополнительную фильтрацию можно осуществить посредством добавления параллельно резистору R конденсатора, который тоже способствует повышению устойчивости схемы.

Порядок расчета

  • Выходное напряжение определяется по формуле 1:

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

  • Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{4.95\:В-0.05\:В}{2\:В-(-1\:В)}=1.633\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Выберем сопротивление резистора R2 = 6,81 кОм.
  • Рассчитаем R1 по формуле 3:

$$G_{Input}=\frac{-R_{1}}{R_{2}},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

$$R_{1}=G_{Input};\:R_{2}=1.633\frac{В}{В}\times 6.81\:кОм=11.12\:кОм\approx 11.1\:(номинал).$$

  • Рассчитаем Vref по формуле 1, например, используя максимальное входное и минимальное выходное напряжение:

$$V_{ref}=\frac{V_{oMin}+V_{iMax}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}}{\left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}} \right)}=\frac{0.05\:В+2\:В \times \frac{11.1\:кОм}{6.81\:кОм}}{\left(1+\frac{11.1\:кОм}{6.81\:кОм} \right)}=1.259\:В$$

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы показана на рисунке 82.

Передаточная характеристика схемы

Рис. 82. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 83.

Частотная характеристика схемы

Рис. 83. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 72.

Таблица 72. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9001
Vss 1,8…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,4 мВ
Iq 60 мкА
Ib 5 пА
UGBW 1 МГц
SR 2 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 73.

Таблица 73. Параметры альтернативного ОУ

OPA376
Vss 2,2…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 760 мкА
Ib 0,2 пА
UGBW 5,5 МГц
SR 2 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Список ранее опубликованных глав:

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA376AIDBVT
OPA376AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 272024 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2068 шт. 70,00
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:5.5MHz; Slew Rate:2V/чs; Supply Voltage Min:2.2V; Supply Voltage Max:5.5V; No. of Pins:5
OPA376AIDBVT 70,00
63 шт.
(на складе)
2005 шт.
(под заказ)
OPA376AIDCKT
OPA376AIDCKT
Texas Instruments
Арт.: 299130 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2114 шт. 70,00
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:5.5MHz; Slew Rate:2V/чs; Supply Voltage Min:2.2V; Supply Voltage Max:5.5V; No. of Pins:5
OPA376AIDCKT 70,00
136 шт.
(на складе)
1978 шт.
(под заказ)
OPA376AID
OPA376AID
Texas Instruments
Арт.: 386524 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1944 шт. 73,00
Precision, Low Noise, Low Iq Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA376AID 73,00
1 шт.
(на складе)
1943 шт.
(под заказ)
OPA376AIDBVRG4
OPA376AIDBVRG4
Texas Instruments
Арт.: 386526 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2336 шт. от 1 шт. от 160,57
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 5.5MHZ SGL SOT23-5
OPA376AIDBVRG4 от 1 шт. от 160,57
2336 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA376AIDG4
OPA376AIDG4
Texas Instruments
Арт.: 386531 ИНФО PDF AN RD OBS
Доступно: 150 шт. от 114 шт. от 59,48
Выбрать
условия
поставки
Precision, Low Noise, Low Iq Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA376AIDG4 от 114 шт. от 59,48
150 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA376AIDRG4
OPA376AIDRG4
Texas Instruments
Арт.: 386533 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1424 шт. от 1 шт. от 160,57
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 5.5MHZ SGL 8SOIC
OPA376AIDRG4 от 1 шт. от 160,57
1424 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA376AQDBVRQ1
OPA376AQDBVRQ1
Texas Instruments
Арт.: 814489 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1891 шт. от 1 шт. от 198,35
Выбрать
условия
поставки
LOW NOISE, LOW QUIESCENT CURRENT, PRECISION OPERATIONAL AMPLIFIER E-TRIM/TRADE
OPA376AQDBVRQ1 от 1 шт. от 198,35
1891 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9001SIDBVR
TLV9001SIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 3085897 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 7575 шт. от 1 шт. от 49,52
Выбрать
условия
поставки
IC CMOS 1 CIRCUIT SOT23-6
TLV9001SIDBVR от 1 шт. от 49,52
7575 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9001UIDBVR
TLV9001UIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 3085898 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 8374 шт. от 1 шт. от 44,80
Выбрать
условия
поставки
1-Channel, 1MHz, RRIO, 1.8V to 5.5V Operational Amplifier for Cost-Optimized Systems 5-SOT-23 -40 to 125
TLV9001UIDBVR от 1 шт. от 44,80
8374 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9001IDCKR
TLV9001IDCKR
Texas Instruments
Арт.: 3094341 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 8374 шт. от 1 шт. от 44,80
Выбрать
условия
поставки
IC CMOS 1 CIRCUIT SC70-5
TLV9001IDCKR от 1 шт. от 44,80
8374 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9001IDPWR
TLV9001IDPWR
Texas Instruments
Арт.: 3094342 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 6450 шт. от 1 шт. от 58,15
Выбрать
условия
поставки
1-Channel, 1MHz, RRIO, 1.8V to 5.5V Operational Amplifier for Cost-Optimized Systems 5-X2SON -40 to 125
TLV9001IDPWR от 1 шт. от 58,15
6450 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLV9001TIDCKR
TLV9001TIDCKR
Texas Instruments
Арт.: 3094343 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 8374 шт. от 1 шт. от 44,80
Выбрать
условия
поставки
IC CMOS 1 CIRCUIT SC70-5
TLV9001TIDCKR от 1 шт. от 44,80
8374 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()