Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 11
21 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
Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
Исходные данные к расчету представлены в таблице 32.
Таблица 32. Исходные данные к расчету
Вход | Выход | Питание | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
IiMin | IiMax | VOMin | VOMax | Vcc | Vee | Vref |
10 мкA | 10 мA | 100 мВ | 4,9 В | 5,0 В | 0 В | 0 В |
Описание схемы
Данная схема с однополярным питанием используется для измерения тока нагрузки в диапазоне 0,01…10 мА с помощью шунта, подключенного к земле (рисунок 39). Обеспечение широкого диапазона измеряемых токов оказывается возможным благодаря простой и оригинальной коммутируемой схеме усиления.

Рис. 39. Схема с широким диапазоном измеряемых токов
Рекомендуем обратить внимание:
- используйте максимальное сопротивление шунта для уменьшения относительной погрешности при минимальной нагрузке;
- применяйте резисторы R1, R2, R3, и R4 с отклонением 0,1% для получения ошибки усиления на уровне 0,1% во всем диапазоне измерений;
- используйте переключатель (SW1) с малым собственным сопротивлением (Ron) для уменьшения погрешности коэффициента усиления;
- старайтесь минимизировать емкость на входе, определяющем коэффициент усиления INA326;
- диапазон выходных напряжений следует выбирать с учетом ошибки усиления.
Порядок расчета
- Рассчитываем сопротивление шунта по формуле 1:
$$R_{SHUNT}=\frac{V_{SHUNT}}{I_{iMax}}=\frac{250\:мВ}{10\:мА}=25\:Ом\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем усиление для заданного выходного диапазона напряжений по формуле 2:
$$G_{IiMax}=\frac{V_{OMax}}{V_{iMax}}=\frac{V_{OMax}}{R_{1}\times I_{iMax}}=\frac{4.9\:В}{25\:Ом\times 10\:мА}=19.6\frac{В}{В};\\G_{IiMin}=\frac{V_{OMin}}{V_{iMin}}=\frac{V_{OMin}}{R_{1}\times I_{iMin}}=\frac{100\:мВ}{25\:Ом\times 10\:мкА}=400\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем резисторы обратной связи, согласно формуле 3:
$$R_{2}=\frac{R_{4}\times G_{IiMin}}{2}=\frac{50\:кОм\times 400\frac{В}{В}}{2}=10\:МОм;\\R_{2}\parallel R_{3}=\frac{R_{4}\times G_{IiMax}}{2}=\frac{50\:кОм\times 19.6\frac{В}{В}}{2}=490\:кОм;\\R_{3}=\frac{490\:кОм\times R_{2}}{R_{2}-490\:кОм}=515.25\:кОм\approx 511\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
- Определяем частоту выходного фильтра (формула 4):
$$f_{p}=\frac{1}{2\pi \times R_{5}\times C_{4}}=\frac{1}{6.28 \times 100\:Ом\times 1\:мкФ}=1.59\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
- Рассчитываем конденсаторы фильтра и цепочки ОС (формула 5):
$$C_{2}=\frac{1}{2\pi \times R_{2}\times f_{p}}=\frac{1}{6.28 \times 10\:МОм \times 1.59\:кГц}=10\:пФ;\\C_{3}=\frac{1}{2\pi \times (R_{2}\parallel R_{3})\times f_{p}}=\frac{1}{6.28 \times (10\:МОм\parallel 511\:кОм)\times 1.59\:кГц}=196\:пФ\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$
Выбираем С3 = 194 пФ (номинал).
Моделирование схемы
Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) показано на рисунке 40.

Рис. 40. Зависимость выходного напряжения усилителя от тока
Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) изображено на рисунке 41.

Рис. 41. Частотная характеристика схемы
Рекомендации
Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 33.
Таблица 33. Параметры ОУ, используемого в расчете
INA326 | |
---|---|
Vss | 1,8…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 0,1 мВ |
Iq | 3,4 мА |
Ib | 2 нА |
UGBW | 1 кГц |
SR | Ограничено встроенным фильтром |
Число каналов | 1 |
Список ранее опубликованных глав
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы