Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 8

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

Трансимпедансный усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 23.

Таблица 23. Исходные данные к расчету

Вход Выход Полоса Питание
IiMin IiMax VOMin VOMax fp Vcc Vee
0 A 50 мкА 0 В 5 В 10 кГц 15 В -15 В

Описание схемы

Трансимпедансный усилитель используется для преобразования входного тока в напряжение. Коэффициент преобразования зависит от сопротивления обратной связи. Схема способна работать со входными напряжениями смещения, что является большим достоинством при использовании многих датчиков (рисунок 29).

Рис. 29. Схема трансимпедансного усилителя

Рис. 29. Схема трансимпедансного усилителя

Рекомендуем обратить внимание:

  • для получения минимальной погрешности используйте JFET или КМОП ОУ с минимальными входными токами;
  • для задания необходимого выходного напряжения при нулевом входном токе может использоваться дополнительное напряжение смещения, подаваемое на неинвертирующий вход;
  • для уменьшения искажений следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL).

Порядок расчета

  • Выбираем значение резистора обратной связи R1, который определяет коэффициент преобразования (формула 1):

$$R_{1}=\frac{V_{OMax}-V_{OMin}}{I_{iMax}}=\frac{5\:В-0\:В}{50\:мкА}=100\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитываем конденсатор обратной связи, исходя из полосы пропускания, по формуле 2:

$$C_{1}\leq \frac{1}{2\pi \times R_{1}\times f_{p}}=\frac{1}{6.28 \times 100\:кОм \times 10\:кГц}=159\:нФ\approx 150\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

(значение из стандартного ряда номиналов).

  • Рассчитываем полосу пропускания ОУ для обеспечения стабильности схемы по формуле 3:

$$GBP>\frac{C_{i}+C_{1}}{2\pi \times R_{1}\times C_{1}^2}=\frac{6\:пФ+150\:пФ}{6.28 \times 100\:кОм \times 150\:пФ^2}=11.03\:кГц,\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где Ci = Cs + Cd + Ccm = 0 пФ + 3 пФ + 3 пФ = 6 пФ, Cs – емкость источника входного сигнала, Cd – дифференциальная входная емкость ОУ, Ccm – синфазная входная емкость инвертирующего входа.

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) приведено на рисунке 30.

Рис. 30. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного тока

Рис. 30. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного тока

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) приведено на рисунке 31.

Рис. 31. Частотная характеристика схемы

Рис. 31. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 24.

Таблица 24. Параметры ОУ, используемого в расчете

OPA170
Vss 2,7…36 В
VinCM (Vee – 0,1 В)…(Vcc – 2 В)
Vout Rail-to-rail
Vos 0,25 мВ
Iq 0,11 мА
Ib 8 пА
UGBW 1,2 МГц
SR 0,4 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 25.

Таблица 25. Параметры альтернативного ОУ

OPA145
Vss 4,5…36 В
VinCM (Vee – 0,1 В)…(Vcc – 3,5 В)
Vout Rail-to-rail
Vos 40 мкВ
Iq 0,445 мА
Ib 2 пА
UGBW 5,5 МГц
SR 20 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
  7. Дифференциатор
•••

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
OPA170AIDBVT (TI)
OPA170AIDBVR (TI)
OPA170AIDRLR (TI)
OPA170TDA1 (TI)
OPA170AIDRLT (TI)
OPA170TDA2 (TI)
OPA170AID (TI)
OPA170AIDR (TI)
OPA170AQDBVRQ1 (TI)
OPA170AIDBV (TI)
OPA145IDBVR (TI)
OPA145IDR (TI)
OPA145IDBVT (TI)
OPA145IDGKR (TI)
OPA145ID (TI)
OPA145IDGKT (TI)