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

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 A_ol;
• 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

В качестве альтернативы могут использоваться ОУ, параметры которых представлены в таблице 31.

Таблица 31. Параметры альтернативных 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
9. Однополярная схема измерения тока

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ