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:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Антиматерия падает вниз подобно обычной материи 17.01.2022 Ученые-физики из Европейской организации ядерных исследований CERN провели ряд исследований и определили, что антиматерия взаимодействует с гравитацией, подобно обычной материи, и падает в "правильном" направлении, т.е. вниз. Несомненно, что это походит на вполне очевидную вещь, тем не менее, ученые в течение достаточно долгого времени не могли ни подтвердить, ни опровергнуть этот факт, и лишь последний эксперимент позволил им дать более-менее точный ответ, но и то с некоторыми допущениями. Антиматерия является точной копией материи с одним лишь важным различием - наличием противоположного электрического заряда. И это различие имеет некоторые серьезные последствия, каждый раз, когда частица обычной материи и антиматерии сталкиваются в пространстве, они взаимно уничтожают друг друга, превращаясь в чистую энергию. К счастью для всех нас и окружающего нас мира, состоящего из обычной материи, антиматерия является большой редкостью во Вселенной. И в этом заключен один из главных фундаментальных вопросов современной физики, ведь во время Большого Взрыва во Вселенной должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Но во все это вмешался какой-то неизвестный фактор, который нарушил баланс между количеством материи и ее антипода, и не дал всей Вселенной сразу же погибнуть в огне аннигиляции. Поэтому ученые-физики путем изучения антивещества продолжают упорно искать этот неизвестный фактор, который может скрываться в самых незначительных различиях между определенными частицами материи и их античастицами. Согласно Стандартной Модели таких различий не должно быть, и если ученым удастся найти что-либо, это откроет перед ними целый новый мир совершенно иной физики. Из сказанного чуть выше следует, что спектральные линии материи и антиматерии должны быть одинаковыми. Этот факт был проверен и подтвержден в 2016 году учеными CERN на примере водорода и аниводорода. Так же ученые достаточно долго задавались вопросом взаимодействия антиматерии с гравитацией, несмотря на кажущуюся простоту этого вопроса, поиски ответа на него заняли целые годы интенсивных исследований. Опять же, согласно той же Стандартной Модели, антиматерия должна взаимодействовать с гравитацией подобно обычной материи, но существует крошечный шанс того, что это взаимодействие может иметь "обратный знак" и антиматерия под воздействие гравитации будет "падать вверх". Для проверки вектора взаимодействия антиматерии и гравитации ученые поместили антипротоны и ионы водорода в электромагнитное устройство, известное под названием ловушки Пеннинга. Находясь внутри ловушки, заряженные частицы движутся по циклической траектории под воздействием сложных магнитных полей. Измеряя частоты этого движения, ученые могут вычислить соотношение масс к зарядам частиц, которые должны быть одинаковыми для материи и антиматерии. Но любые различия, которые могли быть обнаружены, стали бы указанием на разницу во взаимодействии с силами гравитации. То, что антиматерия взаимодействует с гравитацией, подобно обычной материи, не стало большой неожиданностью для ученых. О достоверности полученных результатов говорит то, что все измерения были проведены с точностью в 97 процентов, в четыре раза точней, чем подобные измерения, проведенные ранее. Тем не менее, в оставшихся трех процентах скрывается крошечная лазейка, позволяющая закрасться во все это причудливым законам иной физики. Вполне вероятно, что другие эксперименты, использующие более простой подход, могут дать совершенно иные результаты, противоположные результатам, полученным учеными из CERN. И тогда это все станет не просто намеком, а огромным "дорожным указателем", показывающим направление на область физики, лежащей вне пределов Стандартной Модели.

Другие интересные новости:

▪ В космосе впервые испекли печенье

▪ Медицинские DC/DC-преобразователи Mean Well MDS15/20

▪ Бытовая техника управляется через Интернет

▪ Светодиодный светофор

▪ Мощный полупроводник толщиной в один атом

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Переговорные устройства. Подборка статей

▪ статья Открытие кислорода. История и суть научного открытия

▪ статья Как велико расстояние до ближайшей неподвижной звезды? Подробный ответ

▪ статья Гибискус сабдарифа. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Контролер телефонной линии. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Мощный преобразователь напряжения для автомобильного усилителя. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026