Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 14

7 марта

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

Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)

Исходные данные к расчету представлены в таблицах 40 и 41.

Таблица 40. Исходные данные к расчету 1

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
-240 мВ +240 мВ 0,1 В 4,9 В 5 В 0 В 5 В

Таблица 41. Исходные данные к расчету 2

Нижняя частота среза (fL) Верхняя частота среза (fh) Усиление по переменному току (GAC)
16 кГц ≥1 МГц 10 В/В

Описание схемы

Данная схема усиливает входной переменный сигнал и формирует на выходе неинвертированный однополярный сигнал, смещенный на величину половины напряжения питания (рисунок 48). Стоит подчеркнуть, что входной сигнал может принимать значения выше и ниже потенциала земли. Главное достоинство схемы в том, что она не требует отрицательного напряжения питания.

Рис. 48. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)

Рис. 48. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)

Рекомендуем обратить внимание:

  • напряжение Vinp определяет входное синфазное напряжение;
  • резисторы R2 и R3 определяют входное сопротивление схемы по переменному напряжению;
  • следует использовать малое значение сопротивления обратной связи, чтобы снизить уровень шума;
  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • схема имеет два полюса, которые определяют частоту среза. Для обеспечения ослабления 3 дБ на требуемой частоте fL необходимо, чтобы полюса располагались на частоте fL/1,557.

Порядок расчета

  • Выбираем значение R1 = 1 кОм (номинал).
  • Рассчитываем R4 с учетом требуемого коэффициента усиления по формуле 1:

$$R_{4}=R_{1}\times \left(G_{AC}-1 \right)=1\:кОм\times \left(10\frac{В}{В}-1 \right)=9\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем сопротивления R2 и R3 для формирования выходного опорного напряжения 2,5 В (формула 2). Выбираем R3 = 4,99 кОм (номинал):

$$R_{2}=\frac{R_{3}\times V_{ref}}{V_{DC}}-R_{3}=\frac{4.99\:кОм\times 5\:В}{2.5\:В}-4.99\:кОм=4.99\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем С1 с учетом fL = 16 Гц по формуле 3:

$$C_{1}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times \frac{f_{L}}{1.557}}==\frac{1}{6.28 \times 1\:кОм\times 10.3\:Гц}=15.5\:мкФ=15\:мкФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем С2, согласно формуле 4:

$$R_{div}=\frac{R_{2}\times R_{3}}{R_{2}+R_{3}}=\frac{4.99\:кОм\times 4.99\:кОм}{4.99\:кОм+4.99\:кОм}=2.495\:кОм;\\C_{2}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times \frac{f_{div}}{1.557}}=\frac{1}{6.28 \times 2.495\:кОм\times 10.3\:Гц}=6.4\:мкФ=6.8\:мкФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Верхняя частота среза fh определяется коэффициентом неинвертирующего усиления и GBW (1,5 МГц) используемого усилителя TLV9062 (формула 5).

$$f_{h}=\frac{GBW}{G_{AC}}=\frac{10\:МГц}{10\frac{В}{В}}=1\:МГц\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Моделирование в режиме переменных токов (AC-анализ) представлено на рисунке 49.

Рис. 49. Зависимость выходного напряжения усилителя от тока

Рис. 49. Частотные характеристики

Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 50.

Рис. 50. Осциллограммы переходных процессов

Рис. 50. Осциллограммы переходных процессов

Рекомендации

Для получения подробной информации следует обратиться к руководству TIPD185.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 42.

Таблица 42. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9062
Vcc 1,8…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 300 мкВ
Iq 538 мкА
Ib 0,5 пА
UGBW 10 МГц
SR 6,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 43.

Таблица 43. Параметры альтернативного ОУ

OPA192
Vcc 4,5…36 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 1 мА (на канал)
Ib 5 пА
UGBW 10 МГц
SR 20 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

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)
  12. ШИМ-генератор на ОУ
  13. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

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
TIPD185 (TI)
TLV9062IDGKR (TI)
TLV9062IDSGR (TI)
OPA192ID (TI)
OPA192IDGKT (TI)
OPA4187IPW (TI)
OPA4187IPWR (TI)
OPA828ID (TI)
OPA828IDR (TI)
OPA2210IDGKR (TI)
OPA2210IDGKT (TI)
OPA1671IDCKT (TI)
OPA1671IDCKR (TI)
OPA2156IDGKR (TI)
OPA2156IDGKT (TI)
OPA2189IDGKT (TI)
OPA2189IDR (TI)