Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 3

4 сентября 2018

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

Неинвертирующий усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 7.

Таблица 7. Исходные данные к расчету неинвертирующего усилителя

Описание схемы

Схема усиливает входной сигнал V_I с коэффициентом усиления 10 В/В (рисунок 8). Источник сигнала может иметь высокий импеданс (например, единицы МОм), так как собственный входной импеданс схемы определяется огромным входным импедансом операционного усилителя (например, единицы ГОм). Синфазное напряжение неинвертирующего усилителя равно входному напряжению.

Рис. 8. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Рекомендуем обратить внимание:

• следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
• входное сопротивление схемы равно входному импедансу операционного усилителя;
• использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести дополнительные помехи в схему;
• не следует подключать емкостную нагрузку непосредственно к выходу усилителя, иначе могут возникнуть проблемы с устойчивостью;
• малосигнальную полосу пропускания можно определить по коэффициенту усиления схемы и произведению коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP). Дополнительная фильтрация может быть выполнена путем добавления конденсатора параллельно резистору R Этот конденсатор также повышает устойчивость схемы;
• при работе с большими сигналами полоса пропускания ограничивается скоростью нарастания ОУ. Чтобы минимизировать вносимые искажения, следует изучить график зависимости скорости нарастания от частоты, приведенный в документации;
• для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Выходное напряжение неинвертирующего усилителя определяется по формуле 1:

$$V_{O}=V_{I}\times \left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• Расчет коэффициента усиления осуществляется по формуле 2:

$$G=\frac{V_{OMax}-V_{OMin}}{V_{IMax}-V_{IMin}}=\frac{10\:В-(-10\:В)}{1\:В-(-1\:В)}=10\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

• Расчет резисторов происходит по формуле 3:

$$G=1+\frac{R_{1}}{R_{2}}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Зададим значение R₁ = 9,09 кОм. Тогда значение R₂ составит:
$$R_{2}=\frac{R_{1}}{G-1}=\frac{9.09\:кОм}{10-1}=1.01\:кОм$$

• Расчет минимально допустимой скорости нарастания, требуемой для минимизации искажений:

$$SP>2\times \pi \times f\times V_{p}=6.28\times 20\:кГц\times 10\:В=1.257\frac{В}{мкс}$$

Скорость нарастания для OPA171 составляет 1,5 В/мкс. Таким образом, условие выполнено.

• Чтобы избежать проблем со стабильностью, необходимо убедиться, что нули частотной характеристики, созданные резисторами и входной емкостью, лежат ниже полосы пропускания схемы (формула 4).

$$\frac{1}{2\times \pi \times (C_{CM}+C_{DIFF})\times (R_{2}\parallel R_{1})}>\frac{GBP}{G}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
После подстановки значений получаем:

$$29.18\:МГц>300\:кГц$$

В данном случае С_СМ и C_DIFF – синфазная и дифференциальная входные емкости операционного усилителя OPA171 (С_CM = C_DIFF = 3 пФ). Так как 29,18МГц > 300 кГц, то требуемое условие выполняется.

Моделирование схемы

Результат моделирования в режиме постоянных токов (DC-анализ) в виде графика показан на рисунке 9.

Рис. 9. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) в виде графика показано на рисунке 10.

Рис. 10. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемые в расчете, приведены в таблице 8.

Таблица 8. Параметры ОУ, используемые в расчете

В качестве альтернативного ОУ может использоваться OPA191, параметры которого представлены в таблице 9.

Таблица 9. Параметры альтернативного ОУ OPA191

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. 1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
   2. Инвертирующий усилитель

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ