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
Вход | Выход | Питание | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
ViMin | ViMax | VoMin | VoMax | Vcc | Vee | Vref |
-2,0 В | 2,0 В | 0 В | 5 В | 5 В | 0 В | 2,5 В |
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 VO_DC = 2,5 В.
- Амплитуда Vtri должна быть выбрана выше максимальной амплитуды входного напряжения (2,0 В), чтобы избежать коэффициента заполнения ШИМ-сигнала 0% и 100%. Выбираем Vtri = 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 → fp = 159 кГц
- Выбираем С2 для фильтрации шума Vref 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
OPA2365 | |
---|---|
Vss | 2,2…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail |
Vos | 100 мкВ |
Iq | 4,6 мА |
Ib | 2 пА |
UGBW | 50 МГц |
SR | 25 В/мкс |
Число каналов | 2 |
В качестве альтернативы могут использоваться ОУ, параметры которых представлены в таблице 36
Таблица 36. Параметры альтернативных ОУ
TLV3502 | OPA2353 | |
---|---|---|
Vss | 2,2…5,5 В | 2,7…5,5 В |
VinCM | Rail-to-rail | Rail-to-rail |
Vout | Rail-to-rail | Rail-to-rail |
Vos | 1 мВ | 3 мкВ |
Iq | 3,2 мА | 5,2 мА |
Ib | 2 пА | 0,5 пА |
UGBW | – | 44 МГц |
SR | – | 22 В/мкс |
Число каналов | 2 | 2 |
Список ранее опубликованных глав
- Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
- Инвертирующий усилитель
- Неинвертирующий усилитель
- Инвертирующий сумматор
- Дифференциальный усилитель
- Интегратор
- Дифференциатор
- Трансимпедансный усилитель
- Однополярная схема измерения тока
- Биполярная схема измерения тока
- Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Наши информационные каналы