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

Описание схемы

Выходной сигнал схемы определяется разницей между входными сигналами V_i1 и V_i2 (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 (A_OL). 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 V_O 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

Моделирование схемы

На рисунке 17 изображено моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ).

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения V_idiff

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

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 16.

Таблица 16. Параметры альтернативного ОУ

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
2. Инвертирующий усилитель
3. Неинвертирующий усилитель
4. Инвертирующий сумматор

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ