Расчёт схем на транcимпедансных ОУ
Олег Петраков (г. Москва) www.pspicelib.narod.ru
mail to pspice@comtv.ru
В статье приводятся аналитические расчеты схем с ТОС операционными усилителями.
При этом использовались самые современные методы с использованием OrCAD и Maple.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение
1. Транcимпеданс ТОС ОУ
2. Коэффициент передачи неинвертирующего усилителя на ТОС ОУ
3. Установка полосы пропускания с помощью конденсатора в цепи ОС
4. Фильтр на ТОС ОУ
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). Обрати те 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 ёмкостям, 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: www.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: www.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: www.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); |
Нулииполюсыэтойфункцииопределятсяследующимивырвжениям
| > | 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: www.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 расчёты 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.http://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.