Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 6

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

Интегратор

Исходные данные к расчету представлены в таблице 17.

Таблица 17. Исходные данные к расчету

Вход Выход Питание
fMin f0dB fMax VOMin VOMax Vcc Vee
100 Гц 1 кГц 100 кГц -2,45 В 2,45 В 2,5 В -2,5 В

Описание схемы

Схема интегратора выполняет интегрирование входного сигнала в частотном диапазоне, определяемом постоянной времени и шириной полосы пропускания ОУ (рисунок 19). Входной сигнал подается на инвертирующий вход, поэтому выходной сигнал имеет обратную полярность. Идеальная схема интегратора может насыщаться до уровня напряжения питания (Vcc или Vee, в зависимости от полярности входного напряжения смещения), по этой причине требуется дополнительный резистор обратной связи R2 для обеспечения стабильной рабочей точки. Резистор обратной связи определяет нижнюю границу частотного диапазона интегратора. Эта схема часто используется как часть более крупного контура обратной связи, который обеспечивает связь по постоянному току, устраняя при этом необходимость в резисторе обратной связи.

Рис. 19. Схема интегратора

Рис. 19. Схема интегратора

Обратите внимание:

  • используйте резистор обратной связи R2 с максимально возможным (в рамках разумного) номиналом сопротивления;
  • используйте КМОП-усилители для минимизации ошибки, вызванной наличием входного тока;
  • верхняя граница частотного диапазона интегратора определяется произведением коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP). Частотный диапазон интегратора обычно оказывается в десять раз уже полосы пропускания ОУ;
  • регулируемый источник опорного напряжения должен быть подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя для устранения влияния входного напряжения смещения. В противном случае возможно насыщение ОУ. Эта мера может не потребоваться в случае использования усилителей с минимальным напряжением смещения.

Порядок расчета

Выходное напряжение схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=-\frac{1}{R_{1}\times C_{1}}\int_{0}^{t}{V_{IN}(t)dt}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем стандартное значение R1 = 100 кОм.
  • Рассчитываем C1 с учетом заданной частоты единичного усиления (формула 2):

$$C_{1}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times f_{0dB}}=\frac{1}{6.28 \times 100\:кОм\times 1\:кГц}=1.59\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем сопротивления резистора R2, учитывая, что частота среза должна быть в 10 раз меньше, чем минимальная рабочая частота (формула 3):

$$R_{1}\geq \frac{1}{2\pi \times C_{1}\times \frac{f_{MIN}}{10}}=\frac{10}{6.28 \times 1.59\:нФ\times 100\:Гц}=100\:МОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем ОУ с полосой пропускания в десять раз большей, чем требуемая максимальная частота интегратора (формула 4):

$$GBP\geq 10\times f_{MAX}=10\times 100\:кГц=1\:МГц;\; GBP\geq 1\:МГц\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Моделирование в режиме переменных токов

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 20.

Рис. 20. Частотная характеристика схемы

Рис. 20. Частотная характеристика схемы

Моделирование переходных процессов

При подаче на вход синусоиды частотой 1 кГц на выходе наблюдается синусоида частотой 1 кГц, смещенная на 90°, или косинусоида (рисунок 21).

Рис. 21. Интегрирование синусоиды

Рис. 21. Интегрирование синусоиды

При подаче на вход треугольного сигнала частотой 1 кГц на выходе наблюдается синусоида частотой 1 кГц (рисунок 22).

Рис. 22. Интегрирование треугольного сигнала

Рис. 22. Интегрирование треугольного сигнала

При подаче на вход прямоугольного сигнала частотой 1 кГц на выходе наблюдается треугольный сигнал частотой 1 кГц (рисунок 23).

Рис. 23. Интегрирование прямоугольного сигнала

Рис. 23. Интегрирование прямоугольного сигнала

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 18.

Таблица 18. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9002
Vss 1,8…5,5 В
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,4 мВ
Iq 60 мкА
Ib 5 пА
UGBW 1 МГц
SR 2 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 19.

Таблица 19. Параметры альтернативного ОУ

OPA376
Vss 2,2…5,5 В
VinCM (Vee – 0,1 В)…(Vcc – 1,3 В)
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 0,76 мА
Ib 0,2 пА
UGBW 5,5 МГц
SR 2 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Список ранее опубликованных глав

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

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
TLV9002IDGKR (TI)
TLV9002IDSGR (TI)
TLV9002IDGKT (TI)
TLV9002IDSGT (TI)
TLV9002IDR (TI)
OPA376AIDBVT (TI)
OPA376AID (TI)
OPA376AIDCKT (TI)
OPA376AIDBVR (TI)
OPA376AIDCK (TI)