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

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

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 67.

Таблица 67. Параметры альтернативного ОУ

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. 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
   21. Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ