Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 9

21 декабря 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

Однополярная схема измерения тока

Исходные данные к расчету представлены в таблице 26.

Таблица 26. Исходные данные к расчету

Описание схемы

Данная схема с однополярным питанием используется для измерения тока нагрузки, подключенной к земле, в диапазоне 0…1 А и для формирования выходного сигнала напряжения 0…4,9 В. Диапазоны входных токов, выходных напряжений и уровни напряжения питания могут быть изменены в соответствии с требованиями конкретного приложения (рисунок 32). Отрицательное напряжение питания, получаемое с помощью преобразователя, например, LM7705 или ему подобного, необходимо для устранения искажений сигнала вблизи 0 В.

Рис. 32. Схема измерения тока с однополярным питанием

Рекомендуем обратить внимание:

• для получения минимальной погрешности следует использовать прецизионные резисторы;
• для обеспечения максимальной точности при измерениях малых токов необходимо, чтобы отрицательное напряжение питания было немного меньше, чем 0 В;
• дополнительный конденсатор, включенный параллельно резистору обратной связи, позволит уменьшить влияние ВЧ-помех, но при этом ограничит полосу пропускания.

Порядок расчета

• Выходное напряжение определяется по формуле 1:

$$V_{O}=I_{i}\times R_{1}\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• Выбираем максимальное входное напряжение. V_iMax = 100 мВ при I_iMax = 1 А. Рассчитываем сопротивление шунта по формуле 2:

$$R_{1}=\frac{V_{iMax}}{I_{iMax}}=\frac{100\:мВ}{1\:А}=100\:мОм\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

• Рассчитываем усиление при V_iMax = 100 мВ и V_Omax = 4.9 мВ по формуле 3:

$$GAIN=\frac{V_{OMax}}{V_{iMax}}=\frac{4.9\:В}{100\:мВ}=49.0\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

• Рассчитываем резисторы обратной связи по формуле 4:

$$GAIN=1+\frac{R_{3}}{R_{2}}=49.0\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Выбираем R₂ = 7.5 кОм с точностью 0,05% (значение из стандартного ряда номиналов). Тогда R₃ = 48 x R₂ = 360 кОм с точностью 0,05% (значение из стандартного ряда номиналов).

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) приведено на рисунке 33.

Рис. 33. Зависимость выходного напряжения усилителя от тока

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 34.

Рис. 34. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 27.

Таблица 27. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 28.

Таблица 28. 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
5. Дифференциальный усилитель
6. Интегратор
7. Дифференциатор
8. Трансимпедансный усилитель

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ