Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 23

22 июля

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаавтоматизациялабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

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 неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Исходные данные для проведения расчета представлены в таблице 68.

Таблица 68. Исходные данные для расчета неинвертирующего усилителя

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
-1 В 3 В 0,05 В 4,95 В 5 В 0 В 2,5 В

Краткое описание схемы

Схема неинвертирующего усилителя со входным смещением используется для преобразования входного сигнала 1…3 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рисунок 78). Она,  в частности, применяется для масштабирования и смещения сигнала датчика с целью дальнейшей оцифровки при помощи АЦП.

Рис. 78. Неинвертирующий усилитель со смещением неинвертирующего входа

Рис. 78. Неинвертирующий усилитель со смещением неинвертирующего входа

Рекомендуем отметить, что:

  • следует использовать операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений. Он определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • диапазон синфазных напряжений должен соответствовать диапазону входных напряжений;
  • источник опорного напряжения Vref должен обладать низким импедансом;
  • входное сопротивление схемы является суммой сопротивлений R3 и R4;
  • для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи с 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 выполнена путем добавления конденсатора параллельно резистору R Этот конденсатор также повышает устойчивость схемы.

Порядок расчета 

  • Выходное напряжение определяется по формуле 1:

$$V_{o}=V_{i}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)+V_{ref}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{4.95\:В-0.05\:В}{3\:В-(-1\:В)}=1.225\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Выберем 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 формулу 3:

$$1.225\frac{В}{В}=\left(\frac{1\:кОм}{R_{3}+1\:кОм} \right)\times \left(\frac{1\:кОм+R_{2}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Делая вычисления по формуле 3 относительно R3 получаем формулу 4:

$$R_{3}=\frac{1\:кОм\times 1\:кОм+(1\:кОм\times R_{2})}{1.225\frac{В}{В}\times R_{2}}-1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем точку на передаточной функции в линейном диапазоне ОУ для задания необходимого смещения на выходе, например, используя минимальное входное или выходное напряжение (формула 5):

$$V_{oMin}=V_{iMin}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)+V_{ref}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Подставляем известные значения и формулу 5 для R3, и определяем R2:

R2 = 1360,5 Ом ≈ 1370 Ом.

  • Определяем R3 по формуле 4, подставляя найденное значение R2, и получаем значение R3 = 412,18 Ом ≈ 412 Ом. 

Моделирование схемы 

Передаточная характеристика схемы представлена на рисунке 79.

Рис. 79. Передаточная характеристика схемы

Рис. 79. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) изображено на рисунке 80.

Рис. 80. Частотная характеристика схемы

Рис. 80. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Для получения дополнительной информации следует обратиться к документу “Designing Gain and Offset in Thirty Seconds”.

Параметры ОУ, используемого при расчете, приведены в таблице 69.

Таблица 69. Параметры ОУ, используемого при расчете неинвертирующего усилителя

MCP6292
Vss 2,4…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,3 мВ
Iq 600 мкА
Ib 1 пА
UGBW 10 МГц
SR 6,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 70.

Таблица 70. Параметры альтернативного ОУ

OPA388
Vss 2,5…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,25 мкВ
Iq 1,9 мА
Ib 30 пА
UGBW 10 МГц
SR 5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

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
      21. Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
      22. Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
MCP6292IDGKT (TI)
MCP6292IDR (TI)
MCP6292IDGKR (TI)
OPA388IDGKR (TI)
OPA388ID (TI)
OPA388IDGKT (TI)
OPA388IDBVR (TI)
OPA388IDR (TI)
OPA388IDBVT (TI)