Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 24

7 августа

универсальное применениеTexas 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 инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Исходные данные для расчета представлены в таблице 71.

Таблица 71. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
-1 В 2 В 0,05 В 4,95 В 5 В 0 В 1,259 В

Описание схемы

Данная схема инвертирующего усилителя со входным смещением используется для преобразования входного сигнала -1…2 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рисунок 81). Схема может применяться для масштабирования и смещения сигнала датчика с целью дальнейшей оцифровки при помощи АЦП.

Рис. 81. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Рис. 81. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Рекомендуем взять на заметку:

  • следует использовать операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений. Он определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • синфазное напряжение усилителя равно напряжению смещения;
  • источник опорного напряжения Vref может быть образован резистивным делителем;
  • входное сопротивление схемы тождественно сопротивлению R2;
  • для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи с номиналом менее 100 кОм. Использование высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе, но вызовет повышение уровня собственных шумов схемы;
  • частота среза схемы зависит от произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного ОУ;
  • дополнительную фильтрацию можно осуществить посредством добавления параллельно резистору R конденсатора, который тоже способствует повышению устойчивости схемы.

Порядок расчета

  • Выходное напряжение определяется по формуле 1:

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

  • Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{4.95\:В-0.05\:В}{2\:В-(-1\:В)}=1.633\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Выберем сопротивление резистора R2 = 6,81 кОм.
  • Рассчитаем R1 по формуле 3:

$$G_{Input}=\frac{-R_{1}}{R_{2}},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

$$R_{1}=G_{Input};\:R_{2}=1.633\frac{В}{В}\times 6.81\:кОм=11.12\:кОм\approx 11.1\:(номинал).$$

  • Рассчитаем Vref по формуле 1, например, используя максимальное входное и минимальное выходное напряжение:

$$V_{ref}=\frac{V_{oMin}+V_{iMax}\times \frac{R_{1}}{R_{2}}}{\left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}} \right)}=\frac{0.05\:В+2\:В \times \frac{11.1\:кОм}{6.81\:кОм}}{\left(1+\frac{11.1\:кОм}{6.81\:кОм} \right)}=1.259\:В$$

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы показана на рисунке 82.

Рис. 82. Передаточная характеристика схемы

Рис. 82. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 83.

Рис. 83. Частотная характеристика схемы

Рис. 83. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

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

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 72.

Таблица 72. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9001
Vss 1,8…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,4 мВ
Iq 60 мкА
Ib 5 пА
UGBW 1 МГц
SR 2 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 73.

Таблица 73. Параметры альтернативного ОУ

OPA376
Vss 2,2…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 760 мкА
Ib 0,2 пА
UGBW 5,5 МГц
SR 2 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

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
      23. Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего 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
TLV9001DPWEVM (TI)
TLV9001SIDBVR (TI)
TLV9001IDBVR (TI)
TLV9001TIDCKR (TI)
TLV9001IDCKR (TI)
TLV9001UIDBVR (TI)
TLV9001IDPWR (TI)
OPA376AIDBVT (TI)
OPA376AID (TI)
OPA376AIDCKT (TI)
OPA376AIDBVTG4 (TI)
OPA376AIDCKTG4 (TI)
OPA376AQDBVRQ1 (TI)
OPA376AIDBVR (TI)
OPA376AIDCKR (TI)
OPA376AIDG4 (TI)
OPA376 (TI)