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

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 (R_on) 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

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
10. Биполярная схема измерения тока

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ