Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 14
7 марта 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
Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
Исходные данные к расчету представлены в таблицах 40 и 41.
Таблица 40. Исходные данные к расчету 1
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 |
Таблица 41. Исходные данные к расчету 2
Нижняя частота среза (fL) | Верхняя частота среза (fh) | Усиление по переменному току (GAC) |
---|---|---|
16 кГц | ≥1 МГц | 10 В/В |
Описание схемы
Данная схема усиливает входной переменный сигнал и формирует на выходе неинвертированный однополярный сигнал, смещенный на величину половины напряжения питания (рисунок 48). Стоит подчеркнуть, что входной сигнал может принимать значения выше и ниже потенциала земли. Главное достоинство схемы в том, что она не требует отрицательного напряжения питания.

Рис. 48. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
Рекомендуем обратить внимание:
- напряжение Vinp определяет входное синфазное напряжение;
- резисторы R2 и R3 определяют входное сопротивление схемы по переменному напряжению;
- следует использовать малое значение сопротивления обратной связи, чтобы снизить уровень шума;
- следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
- схема имеет два полюса, которые определяют частоту среза. Для обеспечения ослабления 3 дБ на требуемой частоте fL необходимо, чтобы полюса располагались на частоте fL/1,557.
Порядок расчета
- Выбираем значение R1 = 1 кОм (номинал).
- Рассчитываем R4 с учетом требуемого коэффициента усиления по формуле 1:
$$R_{4}=R_{1}\times \left(G_{AC}-1 \right)=1\:кОм\times \left(10\frac{В}{В}-1 \right)=9\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
- Выбираем сопротивления R2 и R3 для формирования выходного опорного напряжения 2,5 В (формула 2). Выбираем R3 = 4,99 кОм (номинал):
$$R_{2}=\frac{R_{3}\times V_{ref}}{V_{DC}}-R_{3}=\frac{4.99\:кОм\times 5\:В}{2.5\:В}-4.99\:кОм=4.99\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем С1 с учетом fL = 16 Гц по формуле 3:
$$C_{1}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times \frac{f_{L}}{1.557}}==\frac{1}{6.28 \times 1\:кОм\times 10.3\:Гц}=15.5\:мкФ=15\:мкФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем С2, согласно формуле 4:
$$R_{div}=\frac{R_{2}\times R_{3}}{R_{2}+R_{3}}=\frac{4.99\:кОм\times 4.99\:кОм}{4.99\:кОм+4.99\:кОм}=2.495\:кОм;\\C_{2}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times \frac{f_{div}}{1.557}}=\frac{1}{6.28 \times 2.495\:кОм\times 10.3\:Гц}=6.4\:мкФ=6.8\:мкФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
- Верхняя частота среза fh определяется коэффициентом неинвертирующего усиления и GBW (1,5 МГц) используемого усилителя TLV9062 (формула 5).
$$f_{h}=\frac{GBW}{G_{AC}}=\frac{10\:МГц}{10\frac{В}{В}}=1\:МГц\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$
Моделирование схемы
Моделирование в режиме переменных токов (AC-анализ) представлено на рисунке 49.

Рис. 49. Частотные характеристики
Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 50.

Рис. 50. Осциллограммы переходных процессов
Рекомендации
Для получения подробной информации следует обратиться к руководству TIPD185.
Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 42.
Таблица 42. Параметры ОУ, используемого в расчете
TLV9062 | |
---|---|
Vcc | 1,8…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 300 мкВ |
Iq | 538 мкА |
Ib | 0,5 пА |
UGBW | 10 МГц |
SR | 6,5 В/мкс |
Число каналов | 1, 2, 4 |
В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 43.
Таблица 43. Параметры альтернативного ОУ
OPA192 | |
---|---|
Vcc | 4,5…36 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 5 мкВ |
Iq | 1 мА (на канал) |
Ib | 5 пА |
UGBW | 10 МГц |
SR | 20 В/мкс |
Число каналов | 1, 2, 4 |
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
- Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы