Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 7

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

Дифференциатор

Исходные данные к расчету представлены в таблице 20.

Таблица 20. Исходные данные к расчету

Вход Выход Питание
fMin f0dB VOMin VOMax Vcc Vee Vref
100 Гц 5 кГц 0,1 В 4,9 В 5 В 0 В 2,5 В

Описание схемы

Схема дифференциатора выполняет дифференцирование входного сигнала в частотном диапазоне, определяемом постоянной времени и шириной полосы пропускания ОУ (рисунок 24). Входной сигнал подается на инвертирующий вход, поэтому выходной сигнал имеет обратную полярность. Идеальная схема дифференциатора является принципиально нестабильной и требует дополнительного входного резистора, конденсатора в цепи обратной связи или и того, и другого одновременно. Компоненты, обеспечивающие стабильность схемы, приводят к ограничению рабочего частотного диапазона.

Рис. 24. Схема дифференциатора

Рис. 24. Схема дифференциатора

Рекомендуем обратить внимание:

  • чтобы использовать конденсатор С1 меньшей емкости, следует выбирать резистор R2 с большим номиналом;
  • для фильтрации ВЧ-шумов можно подключить дополнительный конденсатор параллельно с резистором R. При этом конденсатор уменьшит диапазон рабочих частот в 3,5 раза (половина декады) по сравнению с полосой пропускания ОУ;
  • регулируемый источник опорного напряжения может быть подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя. Это позволит схеме работать с однополярным питанием. Опорное напряжение может быть получено с помощью делителя напряжения;
  • для уменьшения искажений следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL).

Порядок расчета

Выходное напряжение схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=-R_{2}\times C_{1}\times \frac{dV_{IN}(t)}{dt}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем стандартное большое значение R2 = 499 кОм.
  • Нижняя частота дифференциатора должна быть в три с половиной раза меньше (половина декады) заданной рабочей частоты fmin (формула 2):

$$C_{1}\geq \frac{3.5}{2\pi \times R_{2}\times f_{MIN}}=\frac{3.5}{6.28 \times 499\:кОм\times 100\:Гц}=11.1\:нФ\approx15\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

(значение из стандартного ряда номиналов)

  • Верхняя частота дифференциатора должна быть в три с половиной раза больше (половина декады) заданной рабочей частоты fmax (формула 3).

$$R_{1}\leq \frac{1}{3.5\times 2\pi \times C_{1}\times f_{MAX}}=\frac{1}{3.5\times 6.28 \times 15\:нФ \times 2.5\:кГц}=1.2\:кОм\approx 1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

(значение из стандартного ряда номиналов).

  • Рассчитываем полосу пропускания ОУ для обеспечения стабильности схемы по формуле 4:

$$GBP>\frac{R_{1}+R_{2}}{2\pi \times R_{1}^2\times C_{1}}=\frac {1\:кОм+499\:кОм}{6.28 \times 1\:кОм^2\times 15\:нФ}=5.3\:МГц\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Полоса TLV9061 составляет 10 МГц, таким образом, условие выполнено.

  • Если параллельно с R2 подключить конденсатор CF, то частота среза может быть рассчитана по формуле 5:

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{2}\times C_{F}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем сопротивления резисторов R3 и R4, учитывая заданное значение опорного напряжения 2,5 В (формула 6):

$$R_{3}=\frac{V_{CC}-V_{REF}}{V_{REF}}\times R_{4}=\frac{5\:В-2.5\:В}{2.5\:В}\times R_{4}=R_{4}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Тогда R3 = R4 = 100 кОм (значение из стандартного ряда номиналов).

Моделирование схемы

Моделирование в режиме переменных токов

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 25.

Рис. 25. Частотная характеристика схемы

Рис. 25. Частотная характеристика схемы

Моделирование переходных процессов

При подаче на вход синусоиды частотой 2,5 кГц на выходе наблюдается синусоида частотой 2,5 кГц, смещенная на 90°, или косинусоида (рисунок 26).

Рис. 26. Дифференцирование синусоиды

Рис. 26. Дифференцирование синусоиды

При подаче на вход прямоугольного сигнала частотой 2,5 кГц на выходе наблюдается импульсный сигнал частотой 2,5 кГц (рисунок 27).

Рис. 27. Интегрирование прямоугольного сигнала

Рис. 27. Интегрирование прямоугольного сигнала

При подаче на вход треугольного сигнала частотой 100 Гц на выходе наблюдается прямоугольный сигнал частотой 100 Гц (рисунок 28).

Рис. 28. Интегрирование треугольного сигнала

Рис. 28. Интегрирование треугольного сигнала

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 21.

Таблица 21. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9061
Vss 1,8…5,5 В
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,3 мВ
Iq 0,538 мА
Ib 0,5 пА
UGBW 10 МГц
SR 6,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 22.

Таблица 22. Параметры альтернативного ОУ

OPA374
Vss 2,3…5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 1 мВ
Iq 0,585 мА
Ib 0,5 пА
UGBW 6,5 МГц
SR 0,4 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
  6. Интегратор
•••

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
TLV9061IDCKR (TI)
TLV9061IDPWR (TI)
TLV9061IDBVR (TI)
OPA374AIDBVR (TI)
OPA374AIDG4 (TI)
OPA374 (TI)
OPA374AIDBVRG4 (TI)
OPA374AIDR (TI)
OPA374AID (TI)
OPA374AIDBVT (TI)
OPA374AIDRG4 (TI)
OPA374AIDBV (TI)
OPA374AIDBVTG4 (TI)