Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 19

21 мая 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

Ограничитель скорости изменения напряжения

Исходные данные к расчету представлены в таблице 56.

Таблица 56. Исходные данные к расчету

Описание схемы

Данная схема ограничивает скорость изменения выходного напряжения усилителя (рисунок 66). Ограничение касается скорости нарастания и спада. Очевидно, что скорость нарастания используемого ОУ должна быть больше, чем желаемое ограничение.

Рис. 66. Ограничитель скорости изменения напряжения

Рекомендуем обратить внимание:

• ОУ усилительного каскада и ОУ ограничителя скорости нарастания должны быть проверены на устойчивость к самовозбуждению;
• нагрузочная способность операционного усилителя U2 должна быть достаточной для перезаряда емкости С1 и питания нагрузки.

Порядок расчета

• Необходимо выбрать значение конденсатора обратной связи С1 и желаемую скорость нарастания:
• С1 = 470 нФ;
• SR = 20 В/с.
• Рассчитываем значение резистора R2 с учетом тока заряда конденсатора, необходимого для обеспечения требуемой скорости нарастания (формула 1):

$$SR=\frac{I_{C1}}{C_{1}};\\20\frac{В}{с}=\frac{I_{C1}}{470\:нФ}\rightarrow I_{C1}=9.4\:мкА\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Максимальное выходное напряжение ОУ в усилительном каскаде V_SAT = ±14,995 (номинал). Получаем (формула 2):

$$I_{C1}=\frac{V_{SAT}}{R_{2}};\\9.4\:мкА=\frac{14.995\:В}{R_{2}}\rightarrow R_{2}=1.595\:МОм\approx 1.6\:МОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

• Рассчитываем цепь компенсации для обеспечения устойчивости схемы. R1 задает полюс в цепи обратной связи. Этот полюс должен быть размещен так, чтобы кривая 1/β начинала изменяться на декаду раньше, чем она пересечет кривую усиления разомкнутого контура (в данном примере – 200 Гц), согласно формуле 3:

$$f_{p}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times C_{1}}=200\:Гц;\\200\:Гц=\frac{1}{6.28\times R_{1}\times 470\:нФ}\rightarrow R_{1}=1.693\:кОм\approx 1.69\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Осциллограммы переходных процессов представлены на рисунке 67.

Рис. 67. Осциллограммы переходных процессов

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) изображено на рисунке 68.

Рис. 68. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Дополнительную информацию можно узнать из документации TIPD140.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 57.

Таблица 57. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 58.

Таблица 58. 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
17. Выпрямитель на ОУ
18. Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ