Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 27

20 сентября 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

Усилитель для фотодиода

Исходные данные к расчету представлены в таблице 79.

Таблица 79. Исходные данные к расчету усилителя для фотодиода

Описание схемы

В данной схеме ОУ работает в качестве трансимпедансного усилителя, преобразующего входной ток фотодиода в выходное напряжение (рисунок 89).

Рис. 89. Трансимпедансный усилитель для фотодиода

Рекомендуем обратить внимание:

• напряжение смещения V_ref позволяет усилителю работать в линейном режиме, не заходя в насыщение при нулевом входном токе;
• для минимизации ошибки смещения используйте операционные усилители, имеющие JFET- или CMOS-входы с низким входным током;
• следует использовать ОУ в линейном рабочем диапазоне напряжений. Этот диапазон определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL).

Порядок расчета

• Рассчитываем резистор R1 обратной связи с учетом необходимого усиления (формула 1):

$$R_{1}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{I_{iMax}}=\frac{4.9\:В-0.1\:В}{2.4\:мкА}=2\:МОм\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• Рассчитываем емкость С1 с учетом полосы пропускания (формула 2):

$$C_{1}\leq \frac{1}{2\pi \times R_{1}\times f_{p}}=\frac{1}{6.28 \times 2\:МОм \times 20\:кГц} \leq 3.97\:пФ\approx 3.3\:пФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

• GBW можно определить по формуле 3:

$$GBW>\frac{C_{i}+C_{1}}{2\pi \times R_{1}\times C_{1}^2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Учитывая, что C_i = С_j + С_d + C_dm = 11 пФ + 5 пФ + 4 пФ = 20 пФ, где С_j – емкость перехода фотодиода, С_d – дифференциальная входная емкость усилителя, C_dm – синфазная входная емкость инвертирующего входа, рассчитываем значение GBW:

$$GBW>\frac{C_{i}+C_{1}}{2\pi \times R_{1}\times C_{1}^2}=\frac{20\:пФ+3.3\:пФ}{6.28 \times 2\:МОм \times (3.3\:пФ)^2}>170\:кГц$$

• Рассчитываем резисторы цепи смещения для получения напряжения смещения 0,1 В (формула 4).

$$R_{2}=\frac{V_{CC}-V_{ref}}{V_{ref}}\times R_{3}=\frac{5\:В-0.1\:В}{0.1\:В}\times R_{3}=49\times R_{3}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Выбираем номиналы резисторов из стандартного ряда с учетом предыдущего соотношения. Тогда: R2 = 13,7 кОм, R3 = 280 Ом.

• Выбираем значение С2 = 1 мкФ. Этот резистор используется для фильтрации напряжения V_ref. Проверяем частоту среза (формула 5):

$$f_{p}=\frac{1}{2\pi \times \left(R_{2}\parallel R_{3} \right)\times C_{2}}=\frac{1}{6.28 \times \left(13.7\:кОм \parallel 280\:Ом \right)\times 1\:мкФ}=580\:Гц\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы представлена на рисунке 90.

Рис. 90. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показан на рисунке 91.

Рис. 91. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Дополнительная информация изложена в файле «TIPD176».

Данные ОУ, используемого в расчете сведены в таблицу 80.

Таблица 80. Параметры используемого ОУ

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 81.

Таблица 81. Параметры альтернативного ОУ

Список ранее опубликованных глав

1. 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
      22. Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
      23. Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
      24. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
      25. Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса
      26. Оконный компаратор

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ