Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Не всегда очевидно, каким образом полоса пропускания операционного усилителя (GBW) может повлиять на работу вашей схемы. Макромодели используют фиксированное значение GBW. Вы, конечно, можете заглянуть внутрь этих моделей, но лучше с ними не возиться. Что же тогда делать?

Чтобы проверить вашу схему на чувствительность к ширине полосы пропускания ОУ, лучше всего использовать общую модель операционного усилителя в программе SPICE-моделирования. Большинство симуляторов SPICE имеет простую модель операционного усилителя, которую вы можете легко изменить. На рисунке 46 показан один пример из программы TINA-TI.

Рис. 46. Использование программы TINA-TI для создания SPICE-модели ОУ с целью проверки чувствительности схем к GBW

Рис. 46. Использование программы TINA-TI для создания SPICE-модели ОУ с целью проверки чувствительности схем к GBW

Сначала установите коэффициент усиления разомкнутого контура по постоянному току (DC) на 1 М (120 дБ). Тогда значение частоты первого полюса в герцах определит полосу пропускания усилителя в мегагерцах. В этом примере первый полюс с частотой 10 Гц создает GBW 10 МГц. На рисунке 47 показаны характеристики разомкнутого контура для трех разных GBW: 5, 10 и 100 МГц.

Рис. 47. Характеристики разомкнутого контура для GBW 5, 10 и 100 МГц

Рис. 47. Характеристики разомкнутого контура для GBW 5, 10 и 100 МГц

Обратите внимание, что эта простая модель также включает в себя второй полюс, который многие разработчики называют «неудобным полюсом». В некоторых случаях может возникнуть желание поместить этот полюс на очень высокой частоте, например, 10 ГГц. Это создаст идеальный запас по фазе 90° для любой разумной ширины полосы пропускания. В этом примере я установил второй полюс, равный самому большому GBW, который я имитирую, на частоте 100 МГц. Вы можете увидеть влияние этого полюса на характеристику разомкнутого контура 100 ГГц GBW: характеристика меняет наклон на частоте 100 МГц. Это приводит к тому, что частота единичного усиления составляет примерно 78 МГц, примерно такой же результат вы можете увидеть в схеме с реальным операционным усилителем с аналогичным GBW. Как видно из рисунка 47, частота единичного усиления и полоса пропускания реального операционного усилителя не обязательно равны.

Для активных фильтров достаточно сложно судить о требованиях к полосе пропускания, и это хорошая причина для того чтобы снова воспользоваться моделированием. Программа WEBENCH® Filter Designer, использовавшаяся для расчета фильтра Чебышева, представленного на рисунке 48, рассчитала рекомендованную ширину полосы GBW, но в некоторых случаях это значение может быть излишне строгим. Для этой схемы программа рекомендует использовать GBW 100 МГц или выше, чтобы достичь почти идеальных характеристик фильтра. Я смоделировал проект с использованием трех GBW, показанных на рисунке 47: 5, 10 и 100 МГц. По этим результатам видно, что установленных требований можно достичь даже при GBW менее 100 МГц. Для финального моделирования необходимо использовать макромодель конкретного операционного усилителя.

Рис. 48. Фильтр Чебышева, разработанный программой WEBENCH Filter Designer. Расчетное значение GBW может быть более строгим, чем необходимо

Рис. 48. Фильтр Чебышева, разработанный программой WEBENCH Filter Designer. Расчетное значение GBW может быть более строгим, чем необходимо

В программе моделирования TINA-TI я использовал пошаговое изменение параметров и варьировал частоту первого полюса для изменения GBW. Другие симуляторы имеют схожие возможности. Конечно, вы можете изменить параметры вручную. В любом случае, изменение ширины полосы пропускания общей модели операционного усилителя даст вам некоторое представление о ее влиянии на ваши схемы.

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
  8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
  9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
  10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
  13. Приручаем нестабильный ОУ
  14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
  15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
  16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
  17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
  18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA828ID (TI)
OPA828IDR (TI)
OPA2210IDGKR (TI)
OPA2210IDGKT (TI)
OPA2156IDR (TI)
OPA2156ID (TI)