Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 12

7 февраля 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

ШИМ-генератор на ОУ

Исходные данные к расчету представлены в таблице 34.

Таблица 34. Исходные данные к расчету

Описание схемы

Данная схема использует генератор треугольных импульсов и компаратор для формирования ШИМ-сигнала с частотой 500 кГц и коэффициентом заполнения, обратно пропорциональным входному напряжению (рисунок 42). Операционный усилитель (U₃) и компаратор (U₄) генерируют треугольный сигнал, подаваемый на инвертирующий вход второго компаратора (U₂). Входное напряжение схемы поступает на инвертирующий вход усилителя рассогласования (U₁) и далее на неинвертирующий вход компаратора (U₂). Выходной ШИМ-сигнал формируется при сравнении входного напряжения и треугольного сигнала. Сигнал с выхода U₂ используется для обратной связи и подается на вход усилителя рассогласования (U₁). Это сделано для улучшения точности и линейности при генерации ШИМ-сигнала.

Рис. 42. Схема ШИМ-генератора

Рекомендуем обратить внимание:

• используйте компаратор c выходом типа “push-pull” и минимальным временем задержки;
• Применяйте ОУ с подходящими значениями скорости нарастания, GBW и диапазона выходных напряжений;
• частота полюса, создаваемого конденсатором С, должна лежать ниже частоты переключений и значительно выше слышимого звукового диапазона;
• импеданс источника опорного напряжения должен быть минимальным. Для этой цели может быть использован выход ОУ.

Порядок расчета

• Выбираем коэффициент усиления для входного сигнала по формуле 1:

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

Задаем R₃ = R₄ = 10 кОм.

• Выбираем сопротивления R₁ и R₂ для деления опорного напряжения и получения единичного усиления сигнала на неинвертирующем входе (формула 2):

$$V_{O\_DC}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\times V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = 10 кОм.

Тогда V_{O_DC} = 2,5 В.

• Амплитуда V_tri должна быть выбрана выше максимальной амплитуды входного напряжения (2,0 В), чтобы избежать коэффициента заполнения ШИМ-сигнала 0% и 100%. Выбираем V_tri = 2,1 В. Амплитуда V₁ = 2,5 В (формула 3):

$$V_{tri}\:(амплитуда)=\frac{R_{5}}{R_{6}}\times V_{1}\:(амплитуда)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Задаем R₆ = 10 кОм и определяем R₅ по формуле 4:

$$R_{5}=\frac{V_{tri}\:(амплитуда)\times R_{6}}{V_{1}\:(амплитуда)}=8.4\:кОм\approx 8.45\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

• Задаем частоту ШИМ 500 кГц, исходя из формулы 5:

$$f_{t}=\frac{R_{6}}{4\times R_{7}\times R_{5}\times C_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Задаем С₃ = 100 пФ и рассчитываем R₇ по формуле 6:

$$R_{7}=\frac{R_{6}}{4\times f_{t}\times R_{5}\times C_{3}}=5.92\:кОм\approx 5.90\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

• Выбираем С₁ для ограничения полосы пропускания усилителя ниже частоты ШИМ (формула 7):

$$f_{p}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{4}\times C_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

С₁ = 100 пФ → f_p = 159 кГц

• Выбираем С₂ для фильтрации шума V_ref и подставляем в формулу 8:

C₂ = 100 нФ (номинал).

$$f_{div}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{1}\parallel R_{2}\times C_{2}}=320\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) изображено на рисунке 43.

Рис. 43. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного

Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 44.

Рис. 44. Осциллограммы переходных процессов

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 35.

Таблица 35. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве альтернативы могут использоваться ОУ, параметры которых представлены в таблице 36

Таблица 36. 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
10. Биполярная схема измерения тока
11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ