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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Микрочипы 3D TLC NAND 32 Гбайт 07.08.2015 Корпорация Toshiba анонсировала первые в мире 48-слойные 3D NAND-чипы, имеющие емкость 256 гигабит, или 32 Гбайт. Представленные изделия относятся к семейству BiCS (Bit Cost Scalable, то есть память хорошо масштабируется при небольших затратах). Технология производства микрочипов BiCS позволяет получать стеки из 48 слоев, которые отличаются высокой надежностью в операциях записи и стирания данных. Кроме того, обеспечивается увеличение скорости записи информации. Новые чипы выполнены с применением методики TLC, которая позволяет хранить три бита информации в одной ячейке. Сообщается, что новые изделия 3D TLC NAND найдут применение в потребительских и корпоративных твердотельных накопителях, флеш-картах памяти, а также накопителях для портативных устройств - смартфонов, фаблетов и планшетов. Пробные поставки новых изделий начнутся в сентябре нынешнего года. Коммерческие продукты на основе представленных чипов памяти, по всей видимости, появятся не ранее 2016 года.

Другие интересные новости:

▪ Электродирижабль

▪ Фотокамера с проектором

▪ 50-мегапиксельный фотосенсор Samsung ISOCELL GN1

▪ Хранилище Drobo 5N2

▪ Миниатюрные генераторы 32,768 кГц от Geyer

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Истории из жизни радиолюбителей. Подборка статей

▪ статья Чайльд-Гарольд. Крылатое выражение

▪ статья Сколько жидкости нужно человеку? Подробный ответ

▪ статья МГД генератор. Детская научная лаборатория

▪ статья Полосатые резисторы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Дуговая печь в двух цветочных горшка. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026