Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители

20 июля 2018

управление питаниемTexas 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

Начнем со стандартной схемы повторителя.

Буферная схема на ОУ (повторитель)

Исходные данные к расчету представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные к расчету

Вход Выход Частота Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax f Vcc Vee
-10 В 10 В -10 В 10 В 100 кГц 15 В -15 В

Описание схемы

Схема используется для буферизации сигналов (рисунок 1). Она обеспечивает высокий входной и малый выходной импеданс. Как правило, повторитель используется для управления низкоомной нагрузкой, буферизации сигналов аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и источников опорного напряжения (ИОН). Выходное напряжение этой схемы равно входному напряжению.

Рис. 1. Схема повторителя на ОУ

Рис. 1. Схема повторителя на ОУ

Примечания:

  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • при работе с малыми сигналами полоса пропускания ОУ определяется шириной полосы единичного усиления;
  • следует учитывать ограничения скорости нарастания выходного сигнала ОУ, чтобы минимизировать вносимые искажения;
  • синфазное напряжение данной схемы равно входному напряжению;
  • емкостная нагрузка на выходе ОУ не должна превышать рекомендуемое значение, указанное в документации;
  • при работе с низкоомной нагрузкой может потребоваться ОУ с большим выходным током;
  • для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Передаточная функция буферной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{o}=V_{i}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Параметры используемого ОУ приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры ОУ, используемого в расчете

LM7332
Vss 2,5…32 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 1,6 мВ
Iq 2 мА
Ib 1 мкА
UGBW 7,5 МГц (±5 В питание)
SR 15,2 В/мкс
Число каналов 2
  • Убедитесь, что усилитель обеспечивает требуемый выходной размах напряжения. При этом учитывайте значения используемых уровней напряжений питания. В первую очередь обратите внимание на приведенное в документации значение размаха выходного напряжения в схеме с оборванной обратной связью. Значение из документации должно быть больше, чем требуемый размах напряжения.
    $$-14\,В\leq V_{o}\leq +14\,В$$

    • выходной диапазон напряжений LM7332 при питании ±15 В оказывается больше, чем требуемый диапазон. Таким образом, условие выполнено;
    • изучите приведенную в документации зависимость выходного напряжения от выходного тока, чтобы гарантировать, что желаемое выходное напряжение может быть достигнуто в заданном диапазоне нагрузок.
  • Проверьте, что входное синфазное напряжение допустимо с учетом выбранных уровней напряжений питания. Диапазон допустимых синфазных напряжений усилителя должен быть шире, чем диапазон напряжений входного сигнала.$$-15.1\,В\leq V_{icm}\leq +15.1\,В$$
    • входной диапазон синфазных напряжений для LM7332 при питании ±15 В оказывается шире, чем требуемый диапазон входного сигнала. Таким образом, условие выполнено.
  • Рассчитайте минимальную скорость нарастания, требуемую для минимизации искажений.$$SR>2\times \pi \times V_{p}\times f=2\times \pi \times 10\,В\times 100\,кГц=6.28\,В/мкс$$
    • скорость нарастания LM7332 составляет 15,2 В/мкс. Таким образом, условие выполнено.
  • Убедитесь, что устройство будет иметь достаточную полосу пропускания.
    $$f_{signal} < f_{unity}\:(100\,кГц < 7.5\,МГц)$$

    • диапазон частот выходного сигнала меньше полосы пропускания LM7332. Таким образом, условие выполнено.

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) (рисунок 2).

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) (рисунок 3).

Рис. 3. Частотная характеристика буферного повторителя

Рис. 3. Частотная характеристика буферного повторителя

Рекомендации

Рекомендуем ознакомиться с материалами о TIPD128.

Для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте TI Precision Labs.

В качестве альтернативного ОУ может использоваться OPA192, параметры которого представлены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры альтернативного ОУ

OPA192
Vss 4,5…36 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 1 мА
Ib 5 пА
UGBW 10 МГц
SR 20 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Оригинал статьи

Список 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
    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

•••

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
LM7332MA/NOPB (TI)
LM7332MM/NOPB (TI)
LM7332MA (TI)
LM7332MME/NOPB (TI)
LM7332MMX/NOPB (TI)
LM7332MAX/NOPB (TI)
OPA192IDGKR (TI)
OPA192ID (TI)
OPA192IDGKT (TI)
OPA192IDBVR (TI)
OPA192IDR (TI)
OPA192IDBVT (TI)
OPA192QDGKRQ1 (TI)