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
Вход | Выход | BW | Питание | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
IiMin | IiMax | VoMin | VoMax | fp | Vcc | Vee | Vref |
0 А | 2,4 мкА | 100 мВ | 4,9 В | 20 кГц | 5 В | 0 В | 0,1 В |
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 Vref 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 Ci = Сj + Сd + Cdm = 11 пФ + 5 пФ + 4 пФ = 20 пФ, где Сj – емкость перехода фотодиода, Сd – дифференциальная входная емкость усилителя, Cdm – 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 Vref. 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
OPA322 | |
---|---|
Vсс | 1,8…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 0,5 мВ |
Iq | 1,6 мА/канал |
Ib | 0,2 пА |
UGBW | 20 МГц |
SR | 10 В/мкс |
Число каналов | 1, 2, 4 |
В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 81.
Таблица 81. Параметры альтернативного ОУ
LMP7721 | |
---|---|
Vсс | 1,8…5,5 В |
VinCM | Vee…(Vcc – 1 В) |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 26 мкВ |
Iq | 1,3 мА/канал |
Ib | 3 фА |
UGBW | 17 МГц |
SR | 10,43 В/мкс |
Число каналов | 1 |
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
- Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
- Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
- Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
- Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса
- Оконный компаратор
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы