Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях. Схема, описание

Бесплатная техническая библиотека

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Бесплатная библиотека / Схемы радиоэлектронных и электротехнических устройств

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатная техническая библиотека

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбительские расчеты

Комментарии к статье

В статье приводятся аналитические расчеты схем с ТОС операционными усилителями. При этом использовались самые современные методы с использованием OrCAD и Maple.

Введение

Основным преимуществом усилителей с токовой обратной связью является широкая рабочая полоса частот. Все другие усилители используют обратную связь по напряжению. коэффициент усиления с обратной связью у которых начинает падать даже при совсем низких частотах (зачастую от 10 Гц) со скоростью спада в 20 дБ на декаду. Такое их поведение приводит к большим погрешностям на высоких частотах. Усилители с обратной связью по напряжению вынуждены работать в частотной области, где их коэффициент усиления падает, т.к. коэффициент усиления ОУ с разомкнутой петлей ОС; начинает падать уже на небольших частотах. Усилители с обратной связью по току не имеют таких ограничений, поэтому они обеспечивают наименьшие искажения. Скорость спада усиления примерно одинакова для обоих типов усилителей. Модель, изображенная на рис. 2 отображает тот факт, что в усилителях с ОС по току взамен коэффициента усиления используется трансимпеданс. Входной ток "отображается" на выходной каскад и буферизуется им. Такая конфигурапня обеспечивает максимальную полосу рабочих частот среди ИС, использующих одинаковый технологический процесс. Обычно усилители с ОС но току строятся на базе биполярных транзисторов, т.к. типовая сфера их применения - высокоскоростные коммуникации, видео и т.д., как правило, не требует высоких входных импедансов и размаха выходных напряжений равного питающему напряжению (rail to rail).

Обратите внимание, что инвертирующий вход связан с выходным каскадом буфера, поэтому он имеет очень НИЗКИЙ импеданс, по порядку равным импедансу эмитерного повторителя. Не инвертирующий вход является входом буфера, поэтому он обладает высоким импедансом. У усилителя с обратной связью по напряжению входы подаются на базо-эмиттерные переходы фазоинвертора (дифференциального каскада, запитанного источником тока). Точное согласование транзисторов дифференциального каскада позволяет минимизировать входные токи и напряжения смещения, и в этом плане усилитель с обратной связью по напряжению имеет большое преимущество. Согласование ВХОДНЫХ и ВЫХОДНЫХ цепей буфера является непосильной задачей, поэтому усилители с токовой обратной связью не бывают прецизионными. Основное их назначение - высокоскоростные схемы, если для усилителей с ОС по напряжению пределом являются частоты в примерно 400 МГц, то усилители с токовой связью имеют рабочую полосу до нескольких гигагерц. Типовым рабочим диапазоном для ТОС ОУ является область от примерно 25 МГц до нескольких ГГц. Однако при использовании таких усилителей следует иметь в виду одну их важную особенность. При разработке высокочастотных схем многие разработчики уповают на снижение усиления при росте частоты, как на фактор стабильности, справедливо полагая, что схема с усилением меньше единицы по умолчанию стабильна. Но это справедливо лишь для усилителей с ОС по напряжению. ОУ с токовой обратной связью сохраняют коэффициент усиления при росте частоты. Поэтому схемы, разработанные на базе усилителей с ОС по напряжению и стабильно работающие с ними, часто становятся нестабильными при переходе на усилители с ОС по току. Более того, вход и резистор ОС усилителя с токовой ОС чувствительны к царапинам и емкостям, поэтому следует уделять повышенное внимание разводке платы.

1. Транcимпеданс ТОС ОУ

Найдем транcимпеданс ТОС ОУ с разомкнутой обратной связью по инвертирующему входу. Для этого воспользуемся схемой измерения (рис. 1). В качестве модели ТОС ОУ будем использовать простейшую однополюсную идеализированную схему замещения (рис. 2).
Рис. 1. Схема измерения трансимпеданса

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

restart: with(MSpice): Devices:=[O,[TOP,AC1,2]]: Digits:=3:

ESolve(Q,`01-1_OP_TOC_Z/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

AC1 трансимпедансная модель ОУ

Cистема Кирхгофа-Лапласа

-JVF1U1-Vt1/Rt-Vt1*s*Ct

VINN = Vref

Входные токи управляемых источников

JVF1U1 = I1

Решения

{VINN, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Заданы узлы: {VINP} Источники: [Vref, VF1U1, I1]
Решения V_NET: [VOUT, VINN, Vp1, Vt1]
J_NET: [J1, JVF1U1, JRt, JCt, JFt, JVref]
Zt:=VOUT/I1, print(`На переменном токе,`);

Zto:=Limit('Zt',s=0)=limit(Zt,s=0), print(`На постоянном токе получим,`);

На переменном токе,

Zt := -Rt/(1+s*Ct*Rt)

На постоянном токе получим,

Zto := Limit(Zt,s = 0) = -Rt

Для номиналов, указанных на схеме получим.

Values(DC,RLCVI,[]): Zt:=evalf(Zt); `Zt[f=0]`:=evalf(rhs(Zto)); #VOUT:=evalf(VOUT);

HSF([Zt],f=1..1e10,"3) semi[Zt] трансимпеданса ТОС ОУ);

Ввод номиналов компонентов:
Rt := .10e8,10MEG"
Ct := 1/2/Pi/Ft
Ft := .10e11,10G"
DС источник: DС: Vref:=0
DС источник: DС: I1:=10
E1_U1 := VINP
DС источник: DС: VF1U1:=0
F1_U1 := JVF1U1
E2_U1 := Vt1

Zt := -.10e8/(1.+.159e-3*s)

Zt[f=0]` := -.10e8

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

2. Коэффициент передачи неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ

Неинвертирующий усилитель позволяет иметь большое входное сопротивление, что позволяет иметь хорошее согласование с источником сигнала.
Рис. 4. Схема неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

restart: with(MSpice): Devices:=[E,[TOP,AC2,5]]:

ESolve(Q,`OP-1_TOC_NoInvAmp/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

AC2 трансимпедансная модель ОУ

Cистема Кирхгофа-Лапласа

-Vt1/Rt-Vt1*s*Ct+(VINP-VINN)/Rn

(Vt1-VINN)/R2+(VINP-VINN)/Rn-VINN/R1

Решения

{Vt1, VINN}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Заданы узлы: {VINP} Источники: [Vinp]
Решения V_NET: [Vp1, Vt1, VOUT, VINN]
J_NET: [JR2, JR1, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JVinp]

Частотно зависимый коэффициент передачи выгдядит так.

H:=collect((VOUT/Vinp),s);

H := Rt*(R1+R2)/((R2*R1*Ct*Rt+Rn*R2*Ct*Rt+Rn*R1*Ct*Rt)*s+Rn*R1+R2*R1+Rt*R1+R2*Rn)

Частотно не зависимый коэффициент передачи выгдядит так.

K:=limit(H,Ct=0);

K := Rt*(R1+R2)/(Rn*R1+R2*R1+Rt*R1+R2*Rn)

Ri всеми возможными способами стараются уменьшить,приравняемегокнулюиполучим

K:=limit(K,Ri=0);

K := Rt*(R1+R2)/(Rn*R1+R2*R1+Rt*R1+R2*Rn)

Rz всеми возможными способами стараются увеличить,устремимегокбесконечностииполучим

K:=limit(K,Rt=infinity);

K := (R1+R2)/R1

Values(DC,PRN,[]):

HSF([H],f=1..1e10,"6) semiАЧХ неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ");

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

3. Установка полосы пропускания с помощью конденсатора в цепи ОС

При использовании ТОС ОУ надо учитывать его особенности. Если в обычном ОУ с НОС ОС при подключении конденсатора появляется дополнительный полюс характеристики, то в усилителе с ТОС (рис. 7) появляется дополнительный ноль и полюс (рис. 8).
Рис. 7. Схема неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

restart: with(MSpice): Приборы:=[O,[TOP,AC2,8]]:

ESolve(Q,`OP-1_TOC_NoInvAmp_СF/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

AC2 трансимпедансная модель ОУ

Cистема Кирхгофа-Лапласа

-Vt1/Rt-Vt1*s*Ct+(VINP-VINN)/Rn

(Vt1-VINN)*s*CF+(Vt1-VINN)/RF+(VINP-VINN)/Rn-VINN/Rg

Решения

{VINN, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Заданы узлы: {VINP} Источники: [Vinp]
Решения V_NET: [VOUT, VINN, Vp1, Vt1]
J_NET: [JCF, JRF, JRg, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JVinp]

Частотно зависимый коэффициент передачи выгдядит так.

H:=collect((VOUT/Vinp),s);

H := Rt*(s*CF*RF*Rg+Rg+RF)/(Rn*s^2*CF*RF*Rg*Ct*Rt+(Rn*Rg*Ct*Rt+Rt*CF*RF*Rg+Rn*RF*Ct*Rt+RF*Rg*Ct*Rt+CF*RF*Rn*Rg)*s+Rt*Rg+Rn*Rg+RF*Rg+RF*Rn)

Нули и полюсы этой функции определятся следующими выражениями

PoleZero(H,f);

------------- Ноли ------------

F_Zero[1] = 1/2*I*(Rg+RF)/CF/RF/Rg/Pi

----------- Полюсы -----------

F_Pole[1] = 1/4*I*(Rn*Rg*Ct*Rt+Rt*CF*RF*Rg+Rn*RF*Ct*Rt+RF*Rg*Ct*Rt+CF*RF*Rn*Rg-(-2*Rn*Rg^2*Ct*Rt^2*CF*RF+2*Rn^2*Rg*Ct^2*Rt^2*RF+2*Rn*Rg^2*Ct^2*Rt^2*RF-2*Rn^2*Rg^2*Ct*Rt*CF*RF+2*Rt^2*CF*RF^2*Rg*Rn*Ct+2*...

F_Pole[2] = 1/4*I*(Rn*Rg*Ct*Rt+Rt*CF*RF*Rg+Rn*RF*Ct*Rt+RF*Rg*Ct*Rt+CF*RF*Rn*Rg+(-2*Rn*Rg^2*Ct*Rt^2*CF*RF+2*Rn^2*Rg*Ct^2*Rt^2*RF+2*Rn*Rg^2*Ct^2*Rt^2*RF-2*Rn^2*Rg^2*Ct*Rt*CF*RF+2*Rt^2*CF*RF^2*Rg*Rn*Ct+2*...

Ct стараются свести к нолю, а Rt всеми возможными способами стараются увеличить.

Устремим Ct к нолю а Rtкбесконечностииполучим

H_ideal:=limit(subs(Ct=0,H),Rt=infinity);

H_ideal := (s*CF*RF*Rg+Rg+RF)/Rg/(s*CF*RF+1)

Частотно не зависимый коэффициент передачи выгдядит так.

K:=limit(H,s=0);

K := Rt*(Rg+RF)/(Rt*Rg+Rn*Rg+RF*Rg+Rn*RF)

Rt всеми возможными способами стараются уменьшить, приравняем его к,бесконечностииполучим

K_ideal:=limit(K,Rt=infinity);

K_ideal := (Rg+RF)/Rg

Values(DC,RLVCI,[]):

Ввод номиналов компонентов:
CF := .1000e-8,1000p"
RF := .1e4,1K"
Rg := .1e4,1K"
Rn := 25,25"
Rt := .10e8,10MEG"
Ro := 75,75"
Ct := 1/2/Pi/Ft
Ft := .10e11,10G"
DС источник: DС: Vinp:=0
E1_U1 := VINP
H1_U1 := (Vp1-VINN)/Rn
E2_U1 := Vt1
HSF([H,H_ideal],f=1..1e7,"9) semi[H,H_ideal] неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ");

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

4. Полосовой Фильтр на 1 МГц с ТОС ОУ

Ранее считалось неэкономичным реализация активных фильтров на частоты выше 1 МГц.

В настоящее время задача решается в лоб, при использовании ТОС ОУ.

Применение модели (рис. 11) позволяет получить вверхнюю оценку показателей неидеальности ОУ,

при которых возможна реализация требуемого фильтра.
Рис. 10. Схема неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

restart: with(MSpice): Devices:=[O,[TOP,AC4,11]]:

ESolve(Q,`04-1_TOC_Filter/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

AC4 трансимпедансная модель ОУ

Cистема Кирхгофа-Лапласа

(VOUT-V4)/RF+(V2-V4)/Rn-V4/Rg

-VOUT/Ro-Vt1/Ro-VOUT*s*Co-(VOUT-V4)/RF-(VOUT-V1)/R3

-V2/R2-V2/Rd-V2*s*Cd-(V2-V1)*s*C2

(V2-V1)*s*C2+(VOUT-V1)/R3-(V1-Vinp)/R1-V1*s*C1

-Vt1/Rt-(V2-V4)/Rn-Vt1*s*Ct

Решения

{VOUT, V1, V2, V4, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Заданы узлы: {VINP} Источники: [Vinp]
Решения V_NET: [VOUT, V1, V2, V4, Vp1, Vt1]
J_NET: [JVinp, JRF, JR1, JC2, JRg, JR2, JC1, JRd, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JCo, JCd, JR3]

Если дл яфильтра выполняются условия

R1:=Rg: R2:=Rg: R3:=Rg: C1:=C2:

Тогда частотно зависимый коэффициент передачи будет выгдядить так.

H:=simplify(VOUT/Vinp,'size');

H := (s*C2*Rd*(Ro*Ct*Rt*s+Ro+Rt)*Rg^3+(Rd*Ro*Ct*Rt*(C2+Cd)*(Rn+RF)*s^2+(((C2+Cd)*(Rn+RF)*Ro+C2*Rt*RF)*Rd+Ro*Ct*Rt*(Rn+RF))*s+Ro*(Rn+RF))*Rg^2+Ro*(RF*Rn*Rd*(C2+Cd)*s+(Rn+RF)*Rd+RF*Rn)*(Ct*Rt*s+1)*Rg+RF*...

Центральная частота и график АЧХ (рис. 12).

Values(AC,RLCVI,[]): H:=evalf(H,2);

HSF([H],f=1e5..1e7,"12) semiАЧХ$200 неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ");

Ввод номиналов компонентов:
R1 := 300,300"
C2 := .750e-9,750p"
RF := .1e4,1K"
R3 := 300,300"
Rg := 300,300"
R2 := 300,300"
C1 := .750e-9,750p"
Rd := .1e7,1MEG"
Rn := 25,25"
Rt := .10e8,10MEG"
Ro := 75,75"
Ct := 1/2/Pi/Ft
Ft := .10e11,10G"
Co := .5e-11,5p"
Cd := .3e-11,3p"
AC источник: DС: Vinp:=0 AC: Vinp:=1 Pfase(degrees):=0
E1_U1 := V2
H1_U1 := (Vp1-V4)/Rn
H2_U1 := Vt1/Ro

H := (.20e5*s*(.12e-1*s+.10e8)+.80e3*s^2+.68e12*s+.19e13+.22e5*(19.*s+.10e10)*(.16e-3*s+1.))/(12.*s*(1.+.38e-3*s)*(.61e-10*s^2+.17*s+.10e8)+.24e-13*s^4+.26e-3*s^3+.18e5*s^2-.6e11*s+.18e19+.30e3*(.42e4*...

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

Литература

Петраков. О. М. Аналитические расчеты в электроникеЖурнал СХЕМОТЕХНИКА, №7, 2006 год.
Дьяконов В. П. Maple-9 в математике, физике, образовании. М.: СОЛОН-Пресс, 2004г.
В. Д. Разевиг. Система проектирования OrCAD 9.2. СОЛОН. Москва 2001г.
Разевиг В. Д.Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. -М.: Горячая линия-Телеком, 2003.
Поведенческое моделирование в PSPICE. Схемотехника №3, №4, за 2003г.
Петраков О. М. Создание аналоговых PSPICE- моделей радиоэлементов. РАДИОСОФТ", 2004г.
pspice.narod.ru Электронный САПР. Моделирование. Схемотехника.
Разевиг В. Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на персональных ЭВМ. Изд-во МЭИ, 1993г.
Хайнеман Р. PSpice моделирование электронных схем. ДМК Пресс, 2002г.

Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбительские расчеты.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Искусственная кожа для эмуляции прикосновений 15.04.2024

В мире современных технологий, где удаленность становится все более обыденной, сохранение связи и чувства близости играют важную роль. Недавние разработки немецких ученых из Саарского университета в области искусственной кожи представляют новую эру в виртуальных взаимодействиях. Немецкие исследователи из Саарского университета разработали ультратонкие пленки, которые могут передавать ощущение прикосновения на расстоянии. Эта передовая технология предоставляет новые возможности для виртуального общения, особенно для тех, кто оказался вдали от своих близких. Ультратонкие пленки, разработанные исследователями, толщиной всего 50 микрометров, могут быть интегрированы в текстильные изделия и носиться как вторая кожа. Эти пленки действуют как датчики, распознающие тактильные сигналы от мамы или папы, и как исполнительные механизмы, передающие эти движения ребенку. Прикосновения родителей к ткани активируют датчики, которые реагируют на давление и деформируют ультратонкую пленку. Эта ...>>

Кошачий унитаз Petgugu Global 15.04.2024

Забота о домашних животных часто может быть вызовом, особенно когда речь заходит о поддержании чистоты в доме. Представлено новое интересное решение стартапа Petgugu Global, которое облегчит жизнь владельцам кошек и поможет им держать свой дом в идеальной чистоте и порядке. Стартап Petgugu Global представил уникальный кошачий унитаз, способный автоматически смывать фекалии, обеспечивая чистоту и свежесть в вашем доме. Это инновационное устройство оснащено различными умными датчиками, которые следят за активностью вашего питомца в туалете и активируются для автоматической очистки после его использования. Устройство подключается к канализационной системе и обеспечивает эффективное удаление отходов без необходимости вмешательства со стороны владельца. Кроме того, унитаз имеет большой объем смываемого хранилища, что делает его идеальным для домашних, где живут несколько кошек. Кошачий унитаз Petgugu разработан для использования с водорастворимыми наполнителями и предлагает ряд доп ...>>

Привлекательность заботливых мужчин 14.04.2024

Стереотип о том, что женщины предпочитают "плохих парней", долгое время был широко распространен. Однако, недавние исследования, проведенные британскими учеными из Университета Монаша, предлагают новый взгляд на этот вопрос. Они рассмотрели, как женщины реагируют на эмоциональную ответственность и готовность помогать другим у мужчин. Результаты исследования могут изменить наше представление о том, что делает мужчин привлекательными в глазах женщин. Исследование, проведенное учеными из Университета Монаша, приводит к новым выводам о привлекательности мужчин для женщин. В рамках эксперимента женщинам показывали фотографии мужчин с краткими историями о их поведении в различных ситуациях, включая их реакцию на столкновение с бездомным человеком. Некоторые из мужчин игнорировали бездомного, в то время как другие оказывали ему помощь, например, покупая еду. Исследование показало, что мужчины, проявляющие сочувствие и доброту, оказались более привлекательными для женщин по сравнению с т ...>>

Случайная новость из Архива

Переключатель жидкого света 16.08.2016

Международный коллектив ученых создал миниатюрный электро-оптический переключатель, который меняет спин или угловой момент жидкой формы света под действием электрического поля полупроводникового устройства. Это шаг к еще большей миниатюризации электроники.

Ученые из Кембриджского университета под руководством профессора Джереми Баумберга (Jeremy Baumberg) из Нанофотонного центра вместе с учеными из Мексики и Греции создали переключатель, который использует новое состояние материи под названием поляритоновый конденсат Бозе-Эйнштейна. Устройство смешивает электрический и оптический сигналы с минимальными затратами энергии.

Поляритоновый конденсат Бозе-Эйнштейна образуется в результате захвата света между зеркалами с расстоянием в несколько миллионных метра друг от друга, позволяя ему реагировать с тонким пластинами полупроводника. Там создается смесь полусвета-полуматерии, называемая поляритоном.

Сконцентрировав много поляритонов в одном месте, можно заставить их конденсироваться в виде свето-материального флюида, вращающегося либо по часовой стрелке, либо против. Прикладывая электрическое поле к этой системе, ученые смогли управлять спином конденсата и переключением между состояниями вверх и вниз. Флюид поляритона испускает свет, со спином по часовой или против часовой стрелки, который можно послать через оптоволокно, преобразуя таким образом электрические сигналы в оптические.

Так можно передавать сигнал на очень высокой скорости с минимальными затратами энергии и разработать более миниатюрные устройства, считают авторы работы. Они создали прототип, который работает при криогенных температурах, и ищут другие материалы, которые могут работать при комнатной температуре. Тогда технологию можно коммерциализировать. Другой ключевой фактор для коммерциализции - массовое производство и масштабируемость. Для этого ученые ищут пути интеграции прототипа с существующей технологической базой.

Другие интересные новости:

▪ Антистресс для водителей

▪ Электрический велосипед

▪ Эволюция уже учитывает урбанизацию

▪ Гаджет Ring Pet Tag для поиска домашнего питомца

▪ Температура тела влияет на продолжительность жизни

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Загадки для взрослых и детей. Подборка статей

▪ статья Полка из старого ведра. Советы домашнему мастеру

▪ статья Полезен ли шоколад? Подробный ответ

▪ статья Лебеда садовая. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Телевизионная антенна для сотового телефона. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Пьезоэлектрический эффект. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

All languages of this page

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте