Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 5
22 октября 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
Дифференциальный усилитель
Исходные данные к расчету представлены в таблице 13.
Таблица 13. Исходные данные к расчету
Вход 1 (Vi2-Vi1) | Выход | CMRR мин. | Питание | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
VidiffMin | VidiffMax | VoMin | VoMax | дБ | Vcc | Vee | Vref |
-1,25 В | 1,25 В | -2,5 В | 2,5 В | 50 | 2,75 В | -2,75 В | 0 В |
Описание схемы
Выходной сигнал схемы определяется разницей между входными сигналами Vi1 и Vi2 (рисунок 16). Источники сигналов, как правило, должны иметь низкий импеданс, так как входной импеданс схемы определяется резисторами R1 и R2. Дифференциальные усилители обычно используются для усиления разницы напряжений входных сигналов и исключения синфазной составляющей. Синфазное напряжение дифференциального усилителя равно общему напряжению, приложенному к обоим входам. Эффективность подавления синфазной составляющей характеризуется коэффициентом ослабления синфазного напряжения, или КОСС (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR). КОСС дифференциального усилителя определяется точностью используемых резисторов.

Рис. 16. Схема дифференциального 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). Синфазное напряжение на входах ОУ не должно превышать допустимых значений;
- входное сопротивление схемы определяется сопротивлением входных резисторов. Их значение должно быть гораздо больше, чем сопротивление источников выходных сигналов;
- использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести дополнительные помехи в схему;
- не следует подключать емкостную нагрузку непосредственно к выходу усилителя во избежание проблем с устойчивостью;
- малосигнальную полосу пропускания можно определить по коэффициенту усиления шума (NG) (или неинвертирующему коэффициенту усиления) и произведению коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP). Дополнительная фильтрация может быть выполнена путем добавления конденсаторов параллельно резисторам R3 и R4. Эти конденсаторы также повышают 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 дифференциального усилителя определяется по формуле 1:
$$V_{O}=V_{I1}\times \left(-\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{I2}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{2}+R_{4}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\times \left(\frac{R_{2}}{R_{2}+R_{4}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
Если R1 = R2 и R3 = R4, то формула для VO значительно упрощается (формула 2):
$$V_{O}=\left(V_{I2}-V_{I1} \right)\times \left(\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
- Выбираем значения сопротивлений R1 и R2. Выбор необходимо делать с учетом импеданса источников входных сигналов, так как это влияет на величину коэффициента шумового усиления. Пусть R1 = R2 = 10 кОм.
- Рассчитываем коэффициент усиления (формула 3):
$$\mid G_{VI1}\mid =\frac{V_{OMax}-V_{OMin}}{V_{IdiffMax}-V_{IdiffMin}}=\frac{2.5\:В-(-2.5\:В)}{1.25\:В-(-1.25\:В)}=2\frac{В}{В}=6.02\:дБ\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем сопротивления резисторов R3 и R4 (формула 4):
$$G=2\frac{В}{В}=\frac{R_{3}}{R_{1}}\rightarrow R_{3}=R_{4}=2\times R_{1}=20\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем допустимую погрешность резисторов для достижения минимального значения коэффициента подавления синфазного сигнала CCMR. Для минимального CMRR (худший случай) α = 4. Однако для типового значения CMRR α = 0,33 (формула 5).
$$CMRR_{дБ}\cong 20\log_{10} \left(\frac{1+G}{\alpha \times \varepsilon} \right)$$
$$\varepsilon =\frac{1+G}{\alpha \times 10^{\frac{CMRR_{дБ}}{20}}}=\frac{1+2}{4 \times 10^{\frac{50}{20}}}=0.24\%\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$
Таким образом следует использовать резисторы с погрешностью 0,1%.
- Для наглядности в таблице 14 представлены расчетные значения погрешностей резисторов и значений CMRR для G = 1 и G = 2. Как видно, при увеличении коэффициента усиления CMRR также возрастает.
Таблица 14. Расчет CMRR и допустимых погрешностей резисторов
Погрешность | CMRR, дБ | |||
---|---|---|---|---|
G = 1 мин. | G = 1 тип. | G = 2 мин. | G = 2 тип. | |
0,01% = 0,0001 | 74 | 95,6 | 77,5 | 99,2 |
0,1% = 0,001 | 54 | 75,6 | 57,5 | 79,2 |
0,5% = 0,005 | 40 | 61,6 | 43,5 | 65,2 |
1% = 0,01 | 34 | 55,6 | 37,5 | 59,2 |
5% = 0,05 | 20 | 41,6 | 23,5 | 45,2 |
Моделирование схемы
На рисунке 17 изображено моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ).

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Vidiff
Результаты моделирования CMRR показаны на рисунке 18.

Рис. 18. Частотная зависимость CMRR
Рекомендации
Для получения дополнительной информации о параметрах ОУ следует обратиться к TI Precision Labs.
Для получения дополнительной информации о CMRR дифференциальных усилителей следует обратиться к Overlooking the obvious: the input impedance of a difference amplifier.
Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 15.
Таблица 15. Параметры ОУ, используемого в расчете
TLV6001 | |
---|---|
Vss, В | 1,8…5,5 |
VinCM | Rail-to-Rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos, мкВ | 750 |
Iq, мкА | 75 |
Ib, пА | 1 |
UGBW, МГц | 1 |
SR, В/мкс | 0,5 |
Число каналов | 1, 2, 4 |
В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 16.
Таблица 16. Параметры альтернативного ОУ
OPA320 | |
---|---|
Vss, В | 1,8…5,5 |
VinCM | Rail-to-Rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos, мкВ | 40 |
Iq, мА | 1,5 |
Ib, пА | 0,2 |
UGBW, МГц | 20 |
SR, В/мкс | 10 |
Число каналов | 1, 2 |
Список ранее опубликованных глав
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы