Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 15

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

Активный полосовой фильтр

Исходные данные к расчету представлены в таблице 44.

Таблица 44. Исходные данные к расчету

Вход Выход Питание Граничные частоты
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref fl fh
100 мВ (размах) 50 В (размах) 1 мВ (размах) 500 мВ (размах) 15 В -15 В 0 В 10 Гц 100 кГц

Описание схемы

Данный полосовой фильтр (рисунок 51) обеспечивает пропускание входных сигналов в диапазоне 10…100 кГц с ослаблением -40 дБ. Опорный сигнал, подаваемый на неинвертирующий вход, позволяет подстраивать постоянную составляющую выходного сигнала. Полюсы частотной характеристики данной схемы выбраны за пределами целевого частотного диапазона (10…100 кГц), чтобы минимизировать искажения полезного сигнала.

Рис. 51. Активный полосовой фильтр

Рис. 51. Активный полосовой фильтр

Рекомендуем обратить внимание:

  • напряжение на неинвертирующем входе должно находится в рамках разрешенного диапазона синфазных напряжений для выбранного ОУ;
  • сопротивление резистора R3 должно быть минимально возможным, чтобы обеспечивать высокую нагрузочную способность и не сталкиваться с проблемами стабильности;
  • частота второго полюса (fp3) должна быть как минимум в два раза выше, чем частота первого полюса (fp2). 

Порядок расчета

  • Рассчитываем сопротивления R1 и R2 с учетом требуемого коэффициента усиления по формуле 1:

$$GAIN=-\frac{R_{2}}{R_{1}}=-0.01\frac{В}{В}=-40\:дБ\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Выбираем значение R1 = 100 кОм.

Тогда R2 = 0,01, R1 = 1 кОм.

  • Выбираем частоту среза фильтра верхних частот. Значение должно быть меньше, чем fl:

fl = 10 Гц; fp1 = 2,5 кГц.

  • Выбираем частоты полюсов фильтра нижних частот. Значение должно быть больше, чем fh:

fh = 100 кГц; fp2 = 150 кГц; fp3 ≥ 2fp2 = 300 кГц; fp3 = 300 кГц.

  • Рассчитываем С1 с учетом fp1 = 16 Гц (формула 2):

$$C_{1}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times f_{p1}}=\frac{1}{6.28\times 100\:кОм\times 2.5\:Гц}=0.636\:мкФ=1\:мкФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем номиналы пассивных компонентов в соответствии со значениями fp3 и fp2. R3 = 8,2 Ом, что обеспечивает стабильность для емкостной нагрузки до 100 нФ (формула 3):

$$C_{2}=\frac{1}{2\pi \times (R_{2}+R_{3})\times f_{p2}}=\frac{1}{6.28\times 1008.2\:Ом\times 150\:кГц}=1025\:пФ=1200\:пФ\:(номинал),\\C_{3}=\frac{1}{2\pi \times R_{3}\times f_{p3}}=\frac{1}{6.28\times 8.2\:Ом\times 300\:кГц}=64.7\:нФ=68\:нФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Данный полосовой фильтр пропускает постоянную составляющую входного сигнала, приложенного к неинвертирующему входу, в рамках синфазного диапазона напряжений используемого ОУ (±13 В).

АЧХ схемы представлена на рисунке 52.

Рис. 52. АЧХ полосового фильтра

Рис. 52. АЧХ полосового фильтра

Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 53.

Рис. 53. Осциллограммы переходных процессов

Рис. 53. Осциллограммы переходных процессов

Рекомендации

Для получения подробной информации следует обратиться к руководству TIPD185.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 45.

Таблица 45. Параметры ОУ, используемого в расчете

OPA1612
Vcc 4,5…36 В
VinCM Vee + 2 В…Vсс – 2 В
Vout Vee + 0,2 В…Vсс – 0,2 В
Vos 100 мкВ
Iq 3,6 мА
Ib 60 нА
UGBW 40 МГц
SR 27 В/мкс
Число каналов 1, 2

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 46.

Таблица 46. Параметры альтернативного ОУ

OPA172
Vcc 4,5…36 В
VinCM Vee – 100 мВ…Vсс – 2 В
Vout Rail-to-rail
Vos 200 мкВ
Iq 1,6 мА (на канал)
Ib 8 пА
UGBW 10 МГц
SR 10 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)
  14. Неинвертирующий 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)
OPA1612AID (TI)
OPA1612AIDRGR (TI)
OPA172IDBVT (TI)
OPA172IDCKR (TI)
OPA4187IPWR (TI)
OPA4187ID (TI)
OPA828ID (TI)
OPA828IDR (TI)
OPA2210IDGKR (TI)
OPA2210IDGKT (TI)
OPA1671IDCKR (TI)
OPA1671IDCKT (TI)
OPA2156IDR (TI)
OPA2156ID (TI)
OPA2189ID (TI)
OPA2189IDGKR (TI)