Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 17

21 апреля 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

Выпрямитель на ОУ

Исходные данные к расчету представлены в таблице 50.

Таблица 50. Исходные данные к расчету

Описание схемы

Данная схема используется для выпрямления входного двуполярного переменного сигнала (рисунок 58). Она обеспечивает небольшое искажение формы выходного сигнала на частотах до 1 кГц при амплитуде входных сигналов ±25 мВ и до 50 кГц при амплитуде входных сигналов ±10 В.

Рис. 58. Выпрямитель на ОУ

Рекомендуем обратить внимание:

• для обеспечения нормальной работы схемы следует выбирать ОУ с достаточной полосой пропускания и высокой скоростью нарастания;
• для получения высокой точности следует выбирать ОУ с малым смещением, минимальным уровнем шума и низким коэффициентом нелинейных искажений (THD);
• для снижения погрешности усиления следует выбирать резисторы с точностью 0,1%;
• использование слишком большой емкости С1 может привести к существенным искажениям выходного сигнала при смене полярности входного. Для некоторых ОУ конденсатор С1 может не потребоваться;
• для получения минимальных искажений следует использовать быстрые диоды.

Порядок расчета 

• Определяем значения коэффициентов усиления:
• коэффициент усиления для положительной полуволны вычисляется по формуле 1:

$$\frac{V_{o}}{V_{i}}=1\frac{В}{В};\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• коэффициент усиления для отрицательной полуволны высчитывается по формуле 2:

$$\frac{V_{o}}{V_{i}}=-\frac{R_{2}}{R_{1}}=-1\frac{В}{В}.\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

• Необходимо выбирать значения R₁ и R₂ с учетом минимизации теплового шума и токов утечки обратно смещенных диодов. Эти резисторы выступают в качестве нагрузки для усилителей U1 и U2 при поступлении отрицательной полуволны входного сигнала (формула 3):

$$R_{1}=R_{2}=1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

• R₃ подтягивает неинвертирующий вход усилителя U3 к земле при поступлении отрицательной полуволны входного сигнала. Необходимо, чтобы R₃ имел такой же номинал, как и R₁ и R₂. Кроме того, R₃ не должен перегружать выход усилителя U1 при поступлении положительной полуволны входного сигнала (формула 4):

$$R_{3}=R_{1}=R_{2}=1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

• Выбор С₁ выполняется с учетом динамических требований схемы: С₁ = 47 пФ.

Моделирование схемы

Осциллограммы переходных процессов представлены на рисунках 59 и 60.

Рис. 59. Осциллограммы переходных процессов при подаче входного переменного сигнала с амплитудой 10 В и частотой 50 кГц

Рис. 60. Осциллограммы переходных процессов при подаче входного переменного сигнала с амплитудой 25 мВ и частотой 1 кГц

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 51.

Таблица 51. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 52.

Таблица 52. 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)
14. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
15. Активный полосовой фильтр
16. Однополупериодный инвертирующий выпрямитель

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ