Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 21

21 июня 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

Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Исходные данные для расчета представлены в таблице 62.

Таблица 62. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя

Описание схемы

Область применения данной схемы -преобразование входного отрицательного сигнала -5…-1 В в положительный сигнал 3,3…0,05 В (рисунок 72). Она используется для преобразования отрицательного сигнала датчика в положительный сигнал для последующей оцифровки с помощью АЦП с однополярным входом.

Рис. 72. Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Рекомендуем обратить внимание:

• применяйте операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений. Этот диапазон определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
• диапазон синфазных напряжений должен начинаться с 0 В (или быть ниже 0 В);
• импеданс источника опорного напряжения Vref должен быть низким;
• входное сопротивление схемы должно быть тождественно сопротивлению R2;
• для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи номиналом менее 100 кОм. Использование высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе и приведет к увеличению уровня собственных шумов схемы;
• частота среза схемы зависит от произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного ОУ. Дополнительная фильтрация может быть обеспечена посредством добавления конденсатора параллельно резистору R. Этот конденсатор также улучшает устойчивость схемы.

Алгоритм расчета 

• Выходное напряжение определяется формулой 1:

$$V_{o}=-V_{i}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{3.3\:В-0.05\:В}{-1\:В-(-5\:В)}=0.8125\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

• Определим сопротивления резисторов R1 и R2. Пусть R1 = 845 Ом, тогда (формула 3):

$$R_{2}=\frac{R_{1}}{G_{Input}}=\frac{845\:Ом}{0.8125\frac{В}{В}}=1.04\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

• Рассчитаем усиление опорного напряжения (формула 4), необходимого для смещения входного сигнала, учитывая, что:

$$G_{ref}=\frac{R_{1}}{R_{3}};\:V_{oMin}=-V_{iMin}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Получаем (формула 5):

$$G_{ref}=\frac{R_{1}}{R_{3}}=\frac{V_{oMin}+V_{iMin}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}}{V_{ref}}=0.1525\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

• Вычисляем R3 по формуле 6:

$$R_{3}=\frac{R_{1}}{G_{ref}}=\frac{845\:Ом}{0.1525\frac{В}{В}}=5.54\:кОм\approx 5.56\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы представлена на рисунке 73.

Рис. 73. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) приведено на рисунке 74.

Рис. 74. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

С дополнительной информацией вы можете ознакомиться в докуменрте «Designing Gain and Offset in Thirty Second».

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 63.

Таблица 63. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве второго варианта  можно применить ОУ, параметры которого представлены в таблице 64.

Таблица 64. 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
19. Ограничитель скорости изменения напряжения
20. Схема формирования дифференциального сигнала

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ