Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 10
10 января 2019
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
Биполярная схема измерения тока
Исходные данные к расчету представлены в таблице 29.
Таблица 29. Исходные данные к расчету
Вход | Выход | Питание | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
IiMin | IiMax | VoMin | VoMax | Vcc | Vee | Vref |
-1 A | 1 A | 110 мВ | 3,19 В | 3,3 В | 0 В | 1,65 В |
Описание схемы
Данная схема с однополярным питанием используется для измерения двунаправленного тока нагрузки в диапазоне -1…1 А с помощью шунта, подключенного к земле (рисунок 35). Схема формирует выходное напряжение 0,110…3,19 В. Подключение шунта к земле гарантирует малое синфазное напряжение, что является полезным в первую очередь при работе с высоким напряжением шины питания.

Рис. 35. Схема измерения двунаправленного тока с однополярным питанием
Рекомендуем обратить внимание:
- для получения минимальной погрешности следует использовать согласованные значения резисторов R3 = R1 и R4 = R2;
- для получения максимальной точности следует использовать прецизионные резисторы;
- диапазон выходных напряжений следует выбирать в линейной области ОУ в соответствии с параметром Aol;
- схема не подходит для приложений, в которых нагрузка чувствительна к изменению потенциала земли, и для приложений, требующих обнаружения коротких замыканий.
Порядок расчета
- Передаточная функция с учетом R3 = R1 и R4 = R2 имеет вид (формула 1):
$$V_{O}=I_{I}\times R_{SHUNT}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}+V_{REF}\:;\:V_{REF}=V_{CC}\times \left(\frac{R_{6}}{R_{5}+R_{6}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем сопротивление шунта по формуле 2:
$$R_{SHUNT}=\frac{V_{SHUNT}}{I_{iMax}}=\frac{100\:мВ}{1\:А}=100\:мОм\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
- Задаем опорное напряжение. Так как диапазон входного тока оказывается симметричным, то опорное напряжение следует выбирать в середине диапазона питания. Поэтому сопротивление R5 должно быть равно сопротивлению R6: R5 = R6 = 10 кОм.
- Рассчитываем усиление дифференциального усилителя с учетом линейного выходного диапазона ОУ. Для выбранного ОУ линейная работа возможна в диапазоне 0,1…3,2 В при питании 3,3 В (формула 3).
$$GAIN=\frac{V_{OMax}-V_{OMin}}{R_{SHUNT}\times (I_{iMax}-I_{iMin})}=\frac{3.2\:В-0.1\:В}{100\:мОм\times (1\:А-(-1\:А))}=15.5\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем резисторы обратной связи по формуле 4.
$$GAIN=\frac{R_{4}}{R_{3}}=15.5\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
Выбираем R1 = R3 = 1,3 кОм (значение из стандартного ряда номиналов).
Тогда \(R_{2}=R_{4}=GAIN\times R_{1}=15.5\:\frac{В}{В}\times 1.3\:кОм=20.15\:кОм\approx 20\:кОм\) (значение из стандартного ряда номиналов).
Моделирование схемы
Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) приведено на рисунке 36.

Рис. 36. Зависимость выходного напряжения усилителя от тока
Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 37.

Рис. 37. Частотная характеристика схемы
Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 38.

Рис. 38. Осциллограмма переходных процессов
Рекомендации
Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 30.
Таблица 30. Параметры ОУ, используемого в расчете
OPA313 | |
---|---|
Vss | 1,8…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 500 мкВ |
Iq | 50 мкА (на канал) |
Ib | 0,2 пА |
UGBW | 1 МГц |
SR | 0,5 В/мкс |
Число каналов | 1, 2, 4 |
В качестве альтернативы могут использоваться ОУ, параметры которых представлены в таблице 31.
Таблица 31. Параметры альтернативных ОУ
TLV9062 | OPA376 | |
---|---|---|
Vss | 1,8…5,5 В | 2,2…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail | Rail-to-rail |
Vos | 300 мкВ | 5 мкВ |
Iq | 538 мкА (на канал) |
760 мкА (на канал) |
Ib | 0,5 пА | 0,2 пА |
UGBW | 10 МГц | 5,5 МГц |
SR | 6,5 В/мкс | 2 В/мкс |
Число каналов | 1, 2, 4 | 1, 2, 4 |
Список ранее опубликованных глав
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы