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

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 f_L (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 f_div (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 f_h 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

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 39.

Таблица 39. Параметры альтернативного ОУ

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
2. Инвертирующий усилитель
3. Неинвертирующий усилитель
4. Инвертирующий сумматор
5. Дифференциальный усилитель
6. Интегратор
7. Дифференциатор
8. Трансимпедансный усилитель
9. Однополярная схема измерения тока
10. Биполярная схема измерения тока
11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
12. ШИМ-генератор на ОУ

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ