Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 22
8 июля 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 со смещением инвертирующего входа
Исходные данные к расчету представлены в таблице 65.
Таблица 65. Исходные данные к расчету неивертирующего усилителя
Вход | Выход | Питание | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
ViMin | ViMax | VoMin | VoMax | Vcc | Vee | Vref |
2 В | 5 В | 0,05 В | 4,95 В | 5 В | 0 В | 2,5 В |
Разбор схемы
Схема этого усилителя используется для преобразования входного сигнала 2…5 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В, что представлено на рисунке 75. Она может использоваться для того чтобы масштабировать и смещать сигнал датчика для последующей его оцифровки на АЦП.

Рис. 75. Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
Обращаем ваше внимание:
- задействуйте операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений, который изображен на схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
- диапазон синфазных напряжений должен соответствовать диапазону входных напряжений;
- источник опорного напряжения Vref должен иметь низкий импеданс;
- входное сопротивление схемы представляет собой сумму сопротивлений R3 и R4;
- стабильность достигается за счет использования в цепи обратной связи резисторов номиналом менее 100 кОм. Применение высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе и повысит уровень собственных шумов схемы;
- коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного операционного усилителя определяет частоту среза;
- для большей фильтрации добавьте конденсатор параллельно резистору R, он также повысит устойчивость схемы.
Параметры схемы
- Значение выходного напряжения определяется по формуле 1:
$$V_{o}=V_{i}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
- Вычислим коэффициент усиления схемы по формуле 2:
$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{4.95\:В-0.05\:В}{5\:В-2\:В}=1.633\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
- Подставим значения сопротивления резисторов R1 и R4. Пусть R1 = R4 = 1 кОм.
Учитывая, что:
$$G_{Input}=\left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right),$$
получаем (формула 3):
$$1.633\frac{В}{В}=\left(\frac{1\:кОм}{R_{3}+1\:кОм} \right)\times \left(\frac{1\:кОм+R_{2}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
- Решая уравнение (формула 3) относительно R3, получаем формулу 4:
$$R_{3}=\frac{1\:кОм\times 1\:кОм+(1\:кОм\times R_{2})}{1.633\frac{В}{В}\times R_{2}}-1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
- Определим точку на передаточной функции в линейном диапазоне ОУ для задания необходимого смещения на выходе, например, используя минимальное входное или выходное напряжение (формула 5):
$$V_{oMin}=V_{iMin}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)-V_{ref}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$
- Подставляем известные значения в формулу 5 для R3. Определяем R2:
R2 = 777,2 Ом ≈ 777 Ом.
- Определяем R3 по формуле 4, подставляя найденное значение R2, и рассчитываем значение R3 = 400,49 Ом ≈ 402 Ом.
Моделирование
Рисунок 76 иллюстрирует передаточную характеристику схемы.

Рис. 76. Передаточная характеристика схемы
Рисунок 77 иллюстрирует малосигнальный AC-анализ (моделирование в режиме переменных токов).

Рис. 77. Частотная характеристика схемы
Рекомендации
Ознакомьтесь с обучающим видео «TI Precision Lab Videos on Input and Output Limitations» для получения более подробной информации.
Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 66.
Таблица 66. Параметры ОУ, используемого в расчете
TSV912 | |
---|---|
Vss | 2,5…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 0,3 мВ |
Iq | 550 мкА |
Ib | 1 пА |
UGBW | 8 МГц |
SR | 4,5 В/мкс |
Число каналов | 1, 2, 4 |
В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 67.
Таблица 67. Параметры альтернативного ОУ
OPA191 | |
---|---|
Vss | 4,5…36 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 5 мкВ |
Iq | 140 мкА/канал |
Ib | 5 пА |
UGBW | 2,5 МГц |
SR | 5,5 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)
- Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
- Активный полосовой фильтр
- Однополупериодный инвертирующий выпрямитель
- Выпрямитель на ОУ
- Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием
- Ограничитель скорости изменения напряжения
- Схема формирования дифференциального сигнала
- Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы