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

Таблица 41. Исходные данные к расчету 2

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 V_inp 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 f_L необходимо, чтобы полюса располагались на частоте f_L/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 f_L = 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 f_h 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

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 43.

Таблица 43. 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
13. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ