Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

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

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

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

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,`);

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
 

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

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

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

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);

Частотно не зависимый коэффициент передачи выгдядит так.

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

Ri всеми возможными способами стараются уменьшить,приравняемегокнулюиполучим

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

Rz  всеми возможными способами стараются увеличить,устремимегокбесконечностииполучим

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

Values(DC,PRN,[]):

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

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

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

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

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);

Нули и полюсы этой функции определятся следующими выражениями

PoleZero(H,f);

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);

Частотно не зависимый коэффициент передачи выгдядит так.

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

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

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

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");

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

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

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

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');

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
 

Литература

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

Канада планирует построить космодром 06.04.2026

Развитие космической инфраструктуры все чаще становится вопросом не только науки и технологий, но и национальной безопасности. Многие государства стремятся получить независимый доступ к космическим запускам, чтобы не зависеть от внешних партнеров и укреплять собственный технологический суверенитет. На этом фоне Канада объявила о запуске масштабного проекта по созданию собственного космодрома. Министр обороны Канады Дэвид Мак-Гинти сообщил, что правительство страны инвестирует 200 млн канадских долларов, что составляет около 150 млн долларов США, в строительство национального космодрома. Эти средства станут частью долгосрочной программы развития суверенных возможностей космических запусков. По словам Мак-Гинти, Министерство обороны подписало 10-летнее соглашение с компанией MLS на сумму 200 млн долларов. В рамках этого контракта планируется строительство стартовой площадки, которая будет использоваться не только военными структурами, включая Министерство обороны и Вооруженные силы ...>>

Обновленные телевизоры Xiaomi S Mini LED TV 2026 06.04.2026

Компания Xiaomi представила обновленную серию телевизоров S Mini LED TV 2026, которая заметно отличается от версии, недавно вышедшей на европейский рынок. Новое поколение ориентировано на расширенные возможности отображения и более гибкую конфигурацию экранов, что делает линейку более универсальной для разных сценариев использования. В обновленной серии Xiaomi S Mini LED TV 2026 предлагается сразу пять диагоналей, начиная от 55 дюймов и заканчивая внушительными 100 дюймами. Флагманская модель оснащена 1920 зонами локального затемнения, способна достигать пиковой яркости до 2000 нит и поддерживает частоту обновления изображения до 288 Гц, что делает ее особенно привлекательной для динамичного контента и игр. Младшая модель в линейке отличается в первую очередь количеством зон локального затемнения, которых здесь 576, однако остальные ключевые характеристики остаются на уровне старших версий. Это позволяет сохранить высокое качество изображения даже в более доступном сегменте, не ж ...>>

Беспилотный грузовой самолет с двигателем AEP100 05.04.2026

Авиационная отрасль стоит перед масштабной задачей перехода к экологически чистым технологиям, и одним из наиболее перспективных направлений считается использование водорода в качестве топлива. Этот элемент рассматривается как потенциальная альтернатива традиционным видам авиационного топлива благодаря своей энергоэффективности и отсутствию углеродных выбросов при использовании. На этом фоне Китай сообщил об успешном испытании беспилотного грузового самолета, оснащенного турбовинтовым двигателем AEP100 мегаваттного класса, работающим на водороде. Это событие стало важным этапом в развитии авиационных технологий, так как позволило протестировать двигатель в реальных условиях полета, а не только в лабораторной среде. Испытательный полет был проведен в субботу, 4 апреля, в городе Чжучжоу, расположенном в китайской провинции Хунань. Именно там впервые в реальных условиях был задействован водородный авиационный двигатель подобной мощности, что дало возможность оценить его стабильность ...>>

Случайная новость из Архива Ускоритель GTX Titan с системой охлаждения от Gigabyte 19.06.2013 Компания Gigabyte официально анонсировала версию 3D-ускорителя GeForce GTX Titan с системой охлаждения WindForce 3X 450W. Как мы и писали ранее, из-за запрета Nvidia, новая СО не установлена непосредственно на карту, а идёт с ней в комплекте. Пользователю предлагается самому заменить СО, для чего в коробке он найдёт инструкцию, термопасту, болтики и всё остальное, необходимое для установки. При этом гарантия сохраняется. Конечно, при условии, что при смене СО не были повреждены элементы карты. Сама система охлаждения представляет собой совокупность двойного радиатора, шести тепловых трубок и тройки вентиляторов. Частоты ядра на официальном сайте не указаны, однако ресурс Videocardz утверждает, что они равны 928 МГц и 980 МГц в режиме Boost. Память объёмом 6 ГБ функционирует на частоте 6 ГГц. Судя по данным сайта Idealo.de, стоимость карты в среднем не на много выше нежели цена обычных версий GTX Titan. Дополнительным бонусом для покупателя станет наличие в комплекте поставки игрового коврика для мышки. Данный ускоритель располагает 2688 ядрами CUDA и 384-разрядной шиной памяти.

Другие интересные новости:

▪ Печать 3D-структур из стекла

▪ Ревматиков и спортсменов - на мороз

▪ Беспроводные полноразмерные наушники Baseus D03

▪ Смартфон Samsung Galaxy Quantum5на основе квантовых вычислений

▪ Люксовый гибрид Mercedes-Benz

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Телевидение. Подборка статей

▪ статья Техногенные катастрофы. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Все ли рыбы мечут икру? Подробный ответ

▪ статья Шок. Медицинская помощь

▪ статья Кодовый замок с цифровой клавиатурой. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Новые схемы сверхрегенеративных радиоприемников для УКВ экспериментов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026