Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах. Схема, опис

Безкоштовна технічна бібліотека

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Схеми радіоелектронних та електротехнічних пристроїв

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Радіоаматорські розрахунки

Коментарі до статті

У статті наводяться аналітичні розрахунки схем із ТОС операційними підсилювачами. При цьому використовувалися найсучасніші методи з використанням OrCAD та Maple.

Запровадження

Основною перевагою підсилювачів з струмовим зворотним зв'язком є широка робоча смуга частот. Всі інші підсилювачі використовують зворотний зв'язок із напругою. коефіцієнт посилення зі зворотним зв'язком у яких починає падати навіть за дуже низьких частотах (часто від 10 Гц) зі швидкістю спаду 20 дБ на декаду. Така їхня поведінка призводить до великих похибок на високих частотах. Підсилювачі із зворотним зв'язком по напрузі змушені працювати в частотній області, де їхній коефіцієнт посилення падає, т.к. коефіцієнт посилення ОУ із розімкнутою петлею ОС; починає падати на невеликих частотах. Підсилювачі зі зворотним зв'язком по струму немає таких обмежень, тому вони забезпечують найменші спотворення. Швидкість спаду посилення приблизно однакова обох типів підсилювачів. Модель, зображена на рис. 2 відображає той факт, що в підсилювачах з ОС по струму замість коефіцієнта посилення використовується трансімпеданс. Вхідний струм "відображається" на вихідний каскад і буферизується ним. Така конфігурація забезпечує максимальну смугу робочих частот серед ІС, що використовують однаковий технологічний процес. Зазвичай підсилювачі з ОС але струму будуються з урахуванням біполярних транзисторів, т.к. типова сфера їх застосування - високошвидкісні комунікації, відео і т.д., як правило, не вимагає високих вхідних імпедансів і розмаху вихідних напруг рівного напругі живлення (rail to rail).

Зверніть увагу, що вхід, що інвертує, пов'язаний з вихідним каскадом буфера, тому він має дуже низький імпеданс, по порядку рівним імпедансу емітерного повторювача. Не інвертуючий вхід є входом буфера, тому він має високий імпеданс. У підсилювача із зворотним зв'язком по напрузі входи подаються на базо-емітерні переходи фазоінвертора (диференціального каскаду, запитаного джерелом струму). Точне узгодження транзисторів диференціального каскаду дозволяє мінімізувати вхідні струми та напруги усунення, і в цьому плані підсилювач із зворотним зв'язком по напрузі має велику перевагу. Узгодження ВХІДНИХ та ВИХІДНИХ ланцюгів буфера є непосильним завданням, тому підсилювачі з струмовим зворотним зв'язком не бувають прецизійними. Основне їх призначення - високошвидкісні схеми, якщо для підсилювачів з ОС за напругою межею є частоти приблизно 400 МГц, то підсилювачі з струмовим зв'язком мають робочу смугу до декількох гігагерц. Типовим робочим діапазоном для ТОС ОУ є область приблизно від 25 МГц до декількох ГГц. Однак при використанні таких підсилювачів слід мати на увазі одну їх важливу особливість. При розробці високочастотних схем багато розробників сподіваються зниження посилення при зростанні частоти, як у чинник стабільності, справедливо вважаючи, що схема з посиленням менше одиниці за умовчанням стабільна. Але це справедливо лише для підсилювачів з ОС за напругою. ОУ з струмовим зворотним зв'язком зберігають коефіцієнт посилення при зростанні частоти. Тому схеми, розроблені на базі підсилювачів з ОС за напругою і стабільно працюють з ними, часто стають нестабільними під час переходу на підсилювачі з ОС струмом. Більше того, вхід і резистор ОС підсилювача з струмової ОС чутливі до подряпин та ємностей, тому слід приділяти особливу увагу розведенню плати.

1. Транcімпеданс ТГЗ ОУ

Знайдемо транcимпеданс ТОС ОУ з розімкненим зворотним зв'язком по входу, що інвертує. Для цього скористаємося схемою виміру (рис. 1). Як модель ТОС ОУ використовуватимемо найпростішу однополюсну ідеалізовану схему заміщення (рис. 2).
Рис. 1. Схема вимірювання трансімпедансу

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

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

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

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

AC1 трансімпедансна модель ОУ

Система Кірхгофа-Лапласа

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

VINN = Vref

Вхідні струми керованих джерел

JVF1U1 = I1

Розв'язки

{VINN, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Задано вузли: {VINP} Джерела: [Vref, VF1U1, I1]
Рішення V_NET: [VOUT, VINN, Vp1, Vt1]
J_NET: [J1, JVF1U1, JRt, JCt, JFt, JVref]
Zt:=VOUT/I1, print(`На змінному струмі`);

Zto:=Limit('Zt',s=0)=limit(Zt,s=0), print(`На постійному струмі отримаємо`);

На змінному струмі,

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

На постійному струмі отримаємо,

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

Для номіналів, зазначених на схемі, отримаємо.

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

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

Введення номіналів компонентів:
Rt := .10e8,10MEG"
Ct := 1/2/Pi/Ft
Ft := .10e11,10G"
DС джерело: DС: Vref:=0
DС джерело: DС: I1: = 10
E1_U1 := VINP
DС джерело: DС: VF1U1:=0
F1_U1 := JVF1U1
E2_U1 := Vt1

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

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

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

2. Коефіцієнт передачі неінвертуючого підсилювача на ТЗС ОУ

Підсилювач, що не інвертує, дозволяє мати великий вхідний опір, що дозволяє мати хороше узгодження з джерелом сигналу.
Рис. 4. Схема неінвертованого підсилювача на ТГЗ ОУ

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

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

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

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

AC2 трансімпедансна модель ОУ

Система Кірхгофа-Лапласа

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

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

Розв'язки

{Vt1, VINN}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Задано вузли: {VINP} Джерела: [Vinp]
Рішення V_NET: [Vp1, Vt1, VOUT, VINN]
J_NET: [JR2, JR1, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JVinp]

Частотно залежний коефіцієнт передачі виглядає 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 залежний коефіцієнт передачі виглядає так.

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

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

Ri всіма можливими способами намагаються зменшити, прирівняємо його до нуля і отримаємо

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

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

Rz усіма можливими способами намагаються збільшити, спрямуємо його до нескінченності та отримаємо

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

K := (R1+R2)/R1

Values(DC,PRN,[]):

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

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

3. Встановлення смуги пропускання за допомогою конденсатора в ланцюзі ОС

З використанням ТОС ОУ треба враховувати його особливості. Якщо у звичайному ОУ з НОС ОС при підключенні конденсатора з'являється додатковий полюс характеристики, то підсилювачі з ТОС (рис. 7) з'являється додатковий нуль і полюс (рис. 8).
Рис. 7. Схема неінвертованого підсилювача на ТГЗ ОУ

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

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

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

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

AC2 трансімпедансна модель ОУ

Система Кірхгофа-Лапласа

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

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

Розв'язки

{VINN, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Задано вузли: {VINP} Джерела: [Vinp]
Рішення V_NET: [VOUT, VINN, Vp1, Vt1]
J_NET: [JCF, JRF, JRg, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JVinp]

Частотно залежний коефіцієнт передачі виглядає 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)

Нулі та полюси цієї функції визначаться наступними виразами

PoleZero(H,f);

------------- Нулі ------------

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

----------- Полюси -----------

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 намагаються звести до нуля, а Rt усі можливі способи намагаються збільшити.

Спрямуємо Ct до нуля а Rt до нескінченності отримаємо

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

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

Частотно не залежний коефіцієнт передачі виглядає так.

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

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

Rt усіма можливими способами намагаються зменшити, прирівняємо його до, нескінченності та отримаємо

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

K_ideal := (Rg+RF)/Rg

Values(DC,RLVCI,[]):

Введення номіналів компонентів:
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 джерело: 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] неінвертуючого підсилювача на ТОС ОУ");

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

4. Смужковий Фільтр на 1 МГц з ТГЗ ОУ

Раніше вважалося неекономічним реалізація активних фільтрів на частоти вище 1 МГц.

В даний час завдання вирішується в лоб, при використанні ТЗС ОУ.

Застосування моделі (рис. 11) дозволяє отримати вгору оцінку показників неідеальності ОУ,

за яких можлива реалізація необхідного фільтра.
Рис. 10. Схема неінвертованого підсилювача на ТГЗ ОУ

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

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

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

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

AC4 трансімпедансна модель ОУ

Система Кірхгофа-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

Розв'язки

{VOUT, V1, V2, V4, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Задано вузли: {VINP} Джерела: [Vinp]
Рішення 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]

Якщо для яфільтра виконуються умови

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

Тоді частотно залежний коефіцієнт передачі виглядатиме 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*...

Центральна частота та графік АЧХ (рис. 12).

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

HSF([H],f=1e5..1e7,"12) semiАЧХ$200 неінвертуючого підсилювача на ТГЗ ОУ");

Введення номіналів компонентів:
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 джерело: 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*...

Розрахунок схем на транcімпедансних операційних підсилювачах

література

Петраків. О. М. Аналітичні розрахунки в електроніці Журнал СХЕМОТЕХНІКА, №7, 2006 рік.
Дьяконов В. П. Maple-9 у математиці, фізиці, освіті. М: СОЛОН-Прес, 2004р.
В. Д. Разевіг. Система проектування OrCAD 9.2. СОЛОН. Москва 2001р.
Разевіг В. Д. Схемотехнічне моделювання за допомогою Micro-Cap 7. -М.: Гаряча лінія-Телеком, 2003.
Поведінкове моделювання у PSPICE. Схемотехніка №3, №4, за 2003р.
Петраков О. М. Створення аналогових PSPICE-моделей радіоелементів. РАДІОСОФТ", 2004р.
pspice.narod.ru Електронний САПР. Моделювання. Схемотехніка.
Разевіг В. Д. Моделювання аналогових електронних пристроїв на персональних ЕОМ. Вид-во МЕІ, 1993р.
Хайнеман Р. PSpice моделювання електронних схем. ДМК Прес, 2002р.

Публікація: cxem.net

Дивіться інші статті розділу Радіоаматорські розрахунки.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Управління об'єктами за допомогою повітряних потоків 04.05.2024

Розвиток робототехніки продовжує відкривати перед нами нові перспективи у сфері автоматизації та управління різними об'єктами. Нещодавно фінські вчені представили інноваційний підхід до управління роботами-гуманоїдами із використанням повітряних потоків. Цей метод обіцяє революціонізувати способи маніпулювання предметами та відкрити нові горизонти у сфері робототехніки. Ідея управління об'єктами за допомогою повітряних потоків не є новою, проте донедавна реалізація подібних концепцій залишалася складним завданням. Фінські дослідники розробили інноваційний метод, який дозволяє роботам маніпулювати предметами, використовуючи спеціальні повітряні струмені як "повітряні пальці". Алгоритм управління повітряними потоками, розроблений командою фахівців, ґрунтується на ретельному вивченні руху об'єктів у потоці повітря. Система керування струменем повітря, що здійснюється за допомогою спеціальних моторів, дозволяє спрямовувати об'єкти, не вдаючись до фізичного. ...>>

Породисті собаки хворіють не частіше, ніж безпородні 03.05.2024

Турбота про здоров'я наших вихованців – це важливий аспект життя кожного власника собаки. Однак існує поширене припущення про те, що породисті собаки більш схильні до захворювань у порівнянні зі змішаними. Нові дослідження, проведені вченими з Техаської школи ветеринарної медицини та біомедичних наук, дають новий погляд на це питання. Дослідження, проведене в рамках Dog Aging Project (DAP), що охопило понад 27 000 собак-компаньйонів, виявило, що чистокровні та змішані собаки в цілому однаково часто стикаються з різними захворюваннями. Незважаючи на те, що деякі породи можуть бути більш схильні до певних захворювань, загальна частота діагнозів у обох груп практично не відрізняється. Головний ветеринарний лікар Dog Aging Project, доктор Кейт Криві, зазначає, що існує кілька добре відомих захворювань, що частіше зустрічаються у певних порід собак, що підтримує думку про те, що чистокровні собаки більш схильні до хвороб. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Мавпи озброюються 03.07.2007

Біологи, які вивчають життя шимпанзе на південному сході Сенегалу, виявили, що ці мавпи почали полювати зі списами.

Шимпанзе, що живуть у сенегальській савані, часто полюють на зелених мавп, але дорослі самці практично повністю з'їдають свій видобуток, не залишаючи майже нічого самкам і молоді. Тому пригнічені класи знайшли свій власний спосіб добувати м'ясо. Вони роблять короткі списи з гілок дерев, загострюючи один кінець зубами, і за допомогою цієї зброї полюють на лемурів галаго.

Галаго - нічні тварини, а вдень вони зазвичай ховаються в дуплах дерев. Шимпанзе з силою б'є списом у дупло, повторюючи удар кілька разів, і, якщо там був лемур, після цього залишається лише видобуток. Мало того, сенегальські шимпанзе в сухий сезон, під час сильної спеки, ховаються в печерах, де значно холодніше.

Можливо, це початок переходу до життя в печерах, як у доісторичної людини. І один із біологів каже, що він не здивується, якщо на стінах цих печер незабаром з'являться примітивні малюнки.

Інші цікаві новини:

▪ Метал із незвичайними оптичними властивостями

▪ Аварійне живлення LED світильника до 3-х годин

▪ Розробка енергонезалежної пам'яті CeRAM

▪ Підводний лісоруб

▪ LG випустить телефон із гнучким OLED-дисплеєм

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Параметри радіодеталей. Добірка статей

▪ стаття Кольоровість чорнотільного випромінювання. Мистецтво відео

▪ стаття Чи завжди існували права водія? Детальна відповідь

▪ стаття Монтажник електроустаткування. Типова інструкція з охорони праці

▪ стаття Регульований сенсорний перемикач. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Заземлення та захисні заходи електробезпеки. Заземлювачі. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт