Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

Расчет схем на транcимпедансных операционных усилителях

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: 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: 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: 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: 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.  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:






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.