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.
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.
Рис. 82. Передаточная характеристика схемы
Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 83.
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:
- Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители. Гл.1
- Инвертирующий усилитель. Гл.2
- Неинвертирующий усилитель. Гл.3
- Инвертирующий сумматор. Гл. 4
- Дифференциальный усилитель. Гл. 5
- Интегратор. Гл. 6
- Дифференциатор. Гл.7
- Трансимпедансный усилитель. Гл. 8
- Однополярная схема измерения тока. Гл. 9
- Биполярная схема измерения тока. Гл. 10
- Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады). Гл. 11
- ШИМ-генератор на ОУ. Гл.12
- Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот). Гл.13
- Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот.Гл.14
- Активный полосовой фильтр. Гл.15
- Однополупериодный инвертирующий выпрямитель. Гл.16
- Выпрямитель на ОУ. Гл. 17
- Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием. Гл.18
- Ограничитель скорости изменения напряжения. Гл. 19
- Схема формирования дифференциального сигнала. Гл.20
- Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа. Гл. 21
- Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа. Гл. 22
- Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа. Гл. 23
