Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 5

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

Дифференциальный усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 13.

Таблица 13. Исходные данные к расчету

Вход 1 (Vi2-Vi1) Выход CMRR мин. Питание
VidiffMin VidiffMax VoMin VoMax дБ Vcc Vee Vref
-1,25 В 1,25 В -2,5 В 2,5 В 50 2,75 В -2,75 В 0 В

Описание схемы

Выходной сигнал схемы определяется разницей между входными сигналами Vi1 и Vi2 (рисунок 16). Источники сигналов, как правило, должны иметь низкий импеданс, так как входной импеданс схемы определяется резисторами R1 и R2. Дифференциальные усилители обычно используются для усиления разницы напряжений входных сигналов и исключения синфазной составляющей. Синфазное напряжение дифференциального усилителя равно общему напряжению, приложенному к обоим входам. Эффективность подавления синфазной составляющей характеризуется коэффициентом ослабления синфазного напряжения, или КОСС (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR). КОСС дифференциального усилителя определяется точностью используемых резисторов.

Рис. 16. Схема дифференциального усилителя на ОУ

Рис. 16. Схема дифференциального усилителя на ОУ

Рекомендуем обратить внимание:

  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL). Синфазное напряжение на входах ОУ не должно превышать допустимых значений;
  • входное сопротивление схемы определяется сопротивлением входных резисторов. Их значение должно быть гораздо больше, чем сопротивление источников выходных сигналов;
  • использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести дополнительные помехи в схему;
  • не следует подключать емкостную нагрузку непосредственно к выходу усилителя во избежание проблем с устойчивостью;
  • малосигнальную полосу пропускания можно определить по коэффициенту усиления шума (NG) (или неинвертирующему коэффициенту усиления) и произведению коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP). Дополнительная фильтрация может быть выполнена путем добавления конденсаторов параллельно резисторам R3 и R4. Эти конденсаторы также повышают устойчивость схемы;
  • при работе с большими сигналами полоса пропускания ограничивается скоростью нарастания ОУ. Чтобы минимизировать вносимые искажения, следует изучить график зависимости скорости нарастания от частоты, приведенный в документации;
  • для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется по формуле 1:

$$V_{O}=V_{I1}\times \left(-\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{I2}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{2}+R_{4}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\times \left(\frac{R_{2}}{R_{2}+R_{4}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Если R1 = R2 и R3 = R4, то формула для VO значительно упрощается (формула 2):

$$V_{O}=\left(V_{I2}-V_{I1} \right)\times \left(\frac{R_{3}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем значения сопротивлений R1 и R2. Выбор необходимо делать с учетом импеданса источников входных сигналов, так как это влияет на величину коэффициента шумового усиления. Пусть R1 = R2 = 10 кОм.
  • Рассчитываем коэффициент усиления (формула 3):

$$\mid G_{VI1}\mid =\frac{V_{OMax}-V_{OMin}}{V_{IdiffMax}-V_{IdiffMin}}=\frac{2.5\:В-(-2.5\:В)}{1.25\:В-(-1.25\:В)}=2\frac{В}{В}=6.02\:дБ\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем сопротивления резисторов R3 и R4 (формула 4):

$$G=2\frac{В}{В}=\frac{R_{3}}{R_{1}}\rightarrow R_{3}=R_{4}=2\times R_{1}=20\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем допустимую погрешность резисторов для достижения минимального значения коэффициента подавления синфазного сигнала CCMR. Для минимального CMRR (худший случай) α = 4. Однако для типового значения CMRR α = 0,33 (формула 5).

$$CMRR_{дБ}\cong 20\log_{10} \left(\frac{1+G}{\alpha \times \varepsilon} \right)$$
$$\varepsilon =\frac{1+G}{\alpha \times 10^{\frac{CMRR_{дБ}}{20}}}=\frac{1+2}{4 \times 10^{\frac{50}{20}}}=0.24\%\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$
Таким образом следует использовать резисторы с погрешностью 0,1%.

  • Для наглядности в таблице 14 представлены расчетные значения погрешностей резисторов и значений CMRR для G = 1 и G = 2. Как видно, при увеличении коэффициента усиления CMRR также возрастает.

Таблица 14. Расчет CMRR и допустимых погрешностей резисторов

Погрешность CMRR, дБ
G = 1 мин. G = 1 тип. G = 2 мин. G = 2 тип.
0,01% = 0,0001 74 95,6 77,5 99,2
0,1% = 0,001 54 75,6 57,5 79,2
0,5% = 0,005 40 61,6 43,5 65,2
1% = 0,01 34 55,6 37,5 59,2
5% = 0,05 20 41,6 23,5 45,2

Моделирование схемы

На рисунке 17 изображено моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ).

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Vidiff

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Vidiff

Результаты моделирования CMRR показаны на рисунке 18.

Рис. 18. Частотная зависимость CMRR

Рис. 18. Частотная зависимость CMRR

Рекомендации

Для получения дополнительной информации о параметрах ОУ следует обратиться к TI Precision Labs.

Для получения дополнительной информации о CMRR дифференциальных усилителей следует обратиться к Overlooking the obvious: the input impedance of a difference amplifier.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 15.

Таблица 15. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV6001
Vss, В 1,8…5,5
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos, мкВ 750
Iq, мкА 75
Ib, пА 1
UGBW, МГц 1
SR, В/мкс 0,5
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 16.

Таблица 16. Параметры альтернативного ОУ

OPA320
Vss, В 1,8…5,5
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos, мкВ 40
Iq, мА 1,5
Ib, пА 0,2
UGBW, МГц 20
SR, В/мкс 10
Число каналов 1, 2

Список ранее опубликованных глав

  1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
  2. Инвертирующий усилитель
  3. Неинвертирующий усилитель
  4. Инвертирующий сумматор
•••

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, ...читать далее

Товары
Наименование
TLV6001IDBV (TI)
TLV6001IDCKT (TI)
TLV6001RIDBVT (TI)
TLV6001IDBVR (TI)
TLV6001QDCKRQ1 (TI)
TLV6001UIDBV (TI)
TLV6001IDBVT (TI)
TLV6001RIDBV (TI)
TLV6001UIDBVR (TI)
TLV6001IDCKR (TI)
OPA320AIDBVT (TI)
OPA320SAIDBVR (TI)
OPA320AQDBVRQ1 (TI)
OPA320SAIDBVT (TI)
OPA320AIDBV (TI)
OPA320AQDBVTQ1 (TI)
OPA320AIDBVR (TI)
OPA320SAIDBV (TI)