Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 13
21 февраля 2019
Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)
Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas 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 каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.
Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.
Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав
Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
Исходные данные к расчету представлены в таблице 37.
Таблица 37. Исходные данные к расчету
Вход | Выход | Питание | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
ViMin | ViMax | VoMin | VoMax | Vcc | Vee | Vref |
-240 мВ | +240 мВ | 0,1 В | 4,9 В | 5 В | 0 В | 5 В |
Описание схемы
Данная схема усиливает входной переменный сигнал и формирует на выходе однополярный сигнал, смещенный на величину половины напряжения питания (рисунок 45). Стоит подчеркнуть, что входной сигнал может принимать значения выше и ниже потенциала земли. Главное достоинство схемы заключается в том, что она не требует отрицательного напряжения питания.

Рис. 45. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
Рекомендуем обратить внимание:
- резистор R1 определяет входное сопротивление по переменному току. Резистор R4 нагружает выход усилителя;
- следует использовать малое значение сопротивления обратной связи, чтобы сократить уровень шумов и решить проблемы со стабильностью;
- следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
- полоса пропускания схемы зависит от произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP). Дополнительная фильтрация может быть выполнена за счет подключения конденсатора параллельно резистору R Этот конденсатор также повышает устойчивость схемы в том случае, если сопротивление резистора обратной связи R4 достаточно велико.
Порядок расчета
- Выбираем значение R1 = 1 кОм (номинал).
- Рассчитываем R4 с учетом требуемого коэффициента усиления (формула 1).
$$R_{4}=R_{1}\times G_{AC}=1\:кОм\times \left|-10\frac{В}{В} \right|=10\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
- Выбираем сопротивления R2 и R3 для формирования выходного опорного напряжения 2,5 В. Выбираем R3 = 4,99 кОм (номинал) (формула 2):
$$R_{2}=\frac{R_{3}\times V_{ref}}{V_{DC}}-R_{3}=\frac{4.99\:кОм\times 5\:В}{2.5\:В}-4.99\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
- Выбираем нижнюю частоту среза fL (16 Гц) и рассчитываем С1 по формуле 3:
$$C_{1}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times f_{L}}=\frac{1}{6.28\times 1\:кОм\times 16\:Гц}=9.94\:мкФ=10\:мкФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
- Выбираем частоту среза делителя fdiv (6,4 Гц) и рассчитываем С2 по формуле 4:
$$R_{div}=\frac{R_{2}\times R_{3}}{R_{2}+R_{3}}=\frac{4.99\:кОм\times 4.99\:кОм}{4.99\:кОм+4.99\:кОм}=2.495\:кОм;\\C_{2}=\frac{1}{2\pi \times R_{div}\times f_{div}}=\frac{1}{6.28 \times 2.495\:кОм\times 6.4\:Гц}=9.96\:мкФ=10\:мкФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
- Верхняя частота среза fh определяется величиной GBW (1,5 МГц) используемого усилителя (LMV981) (формула 5):
$$G_{Noise}=1+\frac{R_{4}}{R_{1}}=1+\frac{10\:кОм}{1\:кОм}=11\frac{В}{В};\\f_{h}=\frac{GBW}{G_{Noise}}=\frac{1.5\:МГц}{11\frac{В}{В}}=136.6\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$
Моделирование схемы
Моделирование в режиме переменных токов (AC-анализ) представлено на рисунке 46.

Рис. 46. Частотные характеристики
Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 47.

Рис. 47. Осциллограммы переходных процессов
Рекомендации
Для получения подробной информации следует обратиться к руководству TIPD185.
Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 38.
Таблица 38. Параметры ОУ, используемого в расчете
LMV981 | |
---|---|
Vcc | 1,8…5 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 1 мВ |
Iq | 116 мкА |
Ib | 14 нА |
UGBW | 1,5 МГц |
SR | 0,42 В/мкс |
Число каналов | 2 |
В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 39.
Таблица 39. Параметры альтернативного ОУ
LMV771 | |
---|---|
Vcc | 2,7…5 В |
VinCM | Vee…(Vcc – 0,9 В) |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 0,25 мВ |
Iq | 600 мкА |
Ib | -0,23 пА |
UGBW | 3,5 МГц |
SR | 1,5 В/мкс |
Число каналов | 1, 2 |
Список ранее опубликованных глав
- Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
- Инвертирующий усилитель
- Неинвертирующий усилитель
- Инвертирующий сумматор
- Дифференциальный усилитель
- Интегратор
- Дифференциатор
- Трансимпедансный усилитель
- Однополярная схема измерения тока
- Биполярная схема измерения тока
- Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
- ШИМ-генератор на ОУ
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы