Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители

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

Начнем со стандартной схемы повторителя.

Буферная схема на ОУ (повторитель)

Исходные данные к расчету представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные к расчету

Вход Выход Частота Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax f Vcc Vee
-10 В 10 В -10 В 10 В 100 кГц 15 В -15 В

Описание схемы

Схема используется для буферизации сигналов (рисунок 1). Она обеспечивает высокий входной и малый выходной импеданс. Как правило, повторитель используется для управления низкоомной нагрузкой, буферизации сигналов аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и источников опорного напряжения (ИОН). Выходное напряжение этой схемы равно входному напряжению.

Рис. 1. Схема повторителя на ОУ

Рис. 1. Схема повторителя на ОУ

Примечания:

  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • при работе с малыми сигналами полоса пропускания ОУ определяется шириной полосы единичного усиления;
  • следует учитывать ограничения скорости нарастания выходного сигнала ОУ, чтобы минимизировать вносимые искажения;
  • синфазное напряжение данной схемы равно входному напряжению;
  • емкостная нагрузка на выходе ОУ не должна превышать рекомендуемое значение, указанное в документации;
  • при работе с низкоомной нагрузкой может потребоваться ОУ с большим выходным током;
  • для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Передаточная функция буферной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{o}=V_{i}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Параметры используемого ОУ приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры ОУ, используемого в расчете

LM7332
Vss 2,5…32 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 1,6 мВ
Iq 2 мА
Ib 1 мкА
UGBW 7,5 МГц (±5 В питание)
SR 15,2 В/мкс
Число каналов 2
  • Убедитесь, что усилитель обеспечивает требуемый выходной размах напряжения. При этом учитывайте значения используемых уровней напряжений питания. В первую очередь обратите внимание на приведенное в документации значение размаха выходного напряжения в схеме с оборванной обратной связью. Значение из документации должно быть больше, чем требуемый размах напряжения.
    $$-14\,В\leq V_{o}\leq +14\,В$$

    • выходной диапазон напряжений LM7332 при питании ±15 В оказывается больше, чем требуемый диапазон. Таким образом, условие выполнено;
    • изучите приведенную в документации зависимость выходного напряжения от выходного тока, чтобы гарантировать, что желаемое выходное напряжение может быть достигнуто в заданном диапазоне нагрузок.
  • Проверьте, что входное синфазное напряжение допустимо с учетом выбранных уровней напряжений питания. Диапазон допустимых синфазных напряжений усилителя должен быть шире, чем диапазон напряжений входного сигнала.$$-15.1\,В\leq V_{icm}\leq +15.1\,В$$
    • входной диапазон синфазных напряжений для LM7332 при питании ±15 В оказывается шире, чем требуемый диапазон входного сигнала. Таким образом, условие выполнено.
  • Рассчитайте минимальную скорость нарастания, требуемую для минимизации искажений.$$SR>2\times \pi \times V_{p}\times f=2\times \pi \times 10\,В\times 100\,кГц=6.28\,В/мкс$$
    • скорость нарастания LM7332 составляет 15,2 В/мкс. Таким образом, условие выполнено.
  • Убедитесь, что устройство будет иметь достаточную полосу пропускания.
    $$f_{signal} < f_{unity}\:(100\,кГц < 7.5\,МГц)$$

    • диапазон частот выходного сигнала меньше полосы пропускания LM7332. Таким образом, условие выполнено.

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) (рисунок 2).

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) (рисунок 3).

Рис. 3. Частотная характеристика буферного повторителя

Рис. 3. Частотная характеристика буферного повторителя

Рекомендации

Рекомендуем ознакомиться с материалами о TIPD128.

Для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте TI Precision Labs.

В качестве альтернативного ОУ может использоваться OPA192, параметры которого представлены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры альтернативного ОУ

OPA192
Vss 4,5…36 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 1 мА
Ib 5 пА
UGBW 10 МГц
SR 20 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Список всех 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
LM7332MA/NOPB (TI)
LM7332MME (TI)
LM7332MAX/NOPB (TI)
LM7332MME/NOPB (TI)
LM7332MM (TI)
LM7332MMX/NOPB (TI)
LM7332MA (TI)
LM7332MM/NOPB (TI)
OPA192IDBV (TI)
OPA192IDGKT (TI)
OPA192IDBVR (TI)
OPA192IDR (TI)
OPA192IDBVT (TI)
OPA192QDGKRQ1 (TI)
OPA192ID (TI)
OPA192IDGKR (TI)