УДК 621.375.024
ББК 32.846
Издание подготовлено при участии российского представительства компании Texas Instruments.
На русскоязычном сайте www.ti.com/ru вы можете получить информацию о компании TI,
а также заказать бесплатные образцы микросхем.
Телефон горячей линии технической поддержки +7-495-981-07-01.
Картер, Брюс.
Операционные усилители для всех / Б. Картер, Р. Манчини ; пер. с англ. А.Н. Рабодзея. — 2-е
изд., эл. — 1 файл pdf : 529 с. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — (Схемотехника). —
Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN
978-5-89818-564-0
Книга написана группой сотрудников компании Texas Instruments Incorporated — одного из ведущих
мировых изготовителей операционных усилителей (ОУ).
Изложенный материал включает как основы электротехники и вводные понятия об ОУ, так и рассмотрение
различных областей применения ОУ, начиная от элементарных схем инвертирующих и неинвертирующих
усилителей и сумматоров и до разнообразных генераторов, активных фильтров (включая простые
практические методы их расчётов), интерфейсов для АЦП и ЦАП и пр. В книге используется минимум математики,
зато много внимания уделено практическим аспектам использования ОУ, включая методы компенсации
АЧХ для обеспечения стабильности ОУ, шумы ОУ, особенности применения ОУ в схемах с однополярным
питанием и в низковольтных схемах, конструирование печатных плат с ОУ и наиболее распространённые
ошибки применения ОУ. Большой интерес представляют главы, в которых рассмотрены ОУ с обратной связью
по току, сначала самостоятельно, а затем в сопоставлении с ОУ с ОС по напряжению, а также полностью
дифференциальные ОУ. В приложении приведена полезная коллекция схем, иллюстрирующая возможности,
реализуемые при использовании ОУ.
Книга предназначена для широкого круга специалистов: от студентов, начинающих инженеров и техников
в области аналоговой электроники до опытных разработчиков.
УДК 621.375.024
ББК 32.846
Электронное издание на основе печатного издания: Операционные усилители для всех / Б. Картер, Р. Манчини ; пер.
с англ. А. Н. Рабодзея. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2016. — 528 с. — (Схемотехника). — ISBN 978-5-97060-197-6. —
Текст : непосредственный.
Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными
или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохране-ния информации,
без письменного разрешения издательства.
Книга «Операционные усилители для всех» Брюса Картера и Рона Манчини подготовлена и издана по договору
с Elsevier Inc., 30 Corporate Drive, 4th Floor, Burlington, MA 01803, USA.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель
вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.
ISBN 978-5-89818-564-0
© Elsevier Inc., 2009
© Макет, Издательский дом «Додэка-XXI», 2011
© Издание, ДМК Пресс, 2016
Стр.5
СОДЕРЖАНИЕ
Содержание ∎ V
Содержание .........................................................................................................................................................V
Важные замечания ....................................................................................................................................... 1
Посвящение ......................................................................................................................................................... 3
Предисловие ....................................................................................................................................................... 4
Сведения об авторах первого издания .................................................................................................. 4
Предисловие к третьему изданию .................................................................................................. 5
Глава
1
МЕСТО ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В МИРЕ ЭЛЕКТРОНИКИ ........................... 6
1.1. Суть проблемы ............................................................................................................................................. 6
1.2. Решение ............................................................................................................................................................ 6
1.3. Рождение операционных усилителей ........................................................................................... 7
1.4. Эра электровакуумных ламп .............................................................................................................. 8
1.5. Эра транзисторов ....................................................................................................................................... 9
1.6. Эра интегральных микросхем ............................................................................................................ 9
Литература ...........................................................................................................................................................11
Глава
2
ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ................................................................12
2.1. Введение .........................................................................................................................................................12
2.2. Физические законы ................................................................................................................................12
2.3. Правило расчёта делителя напряжения ...................................................................................14
2.4. Правило расчёта делителя тока ......................................................................................................15
2.5. Теорема Тевенина .....................................................................................................................................16
2.6. Суперпозиция .............................................................................................................................................18
2.7. Расчёт транзисторной схемы, работающей в ключевом режиме ...............................20
2.8. Транзисторный усилитель ................................................................................................................21
Стр.6
VI ∎ Содержание
Глава
3
ИДЕАЛЬНЫЙ ОУ И УРАВНЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЕГО РАБОТУ ...........................23
3.1. Понятие идеального ОУ ........................................................................................................................23
3.2. Неинвертирующий усилитель .........................................................................................................24
3.3. Инвертирующий усилитель ..............................................................................................................25
3.4. Сумматор........................................................................................................................................................26
3.5. Дифференциальный усилитель ......................................................................................................27
3.6. Схемы со сложными цепями ОС .......................................................................................................29
3.7. Видеоусилители ........................................................................................................................................30
3.8. Конденсаторы .............................................................................................................................................31
3.9. Почему идеальные ОУ разрушили бы Вселенную ................................................................32
3.10. Заключение ................................................................................................................................................33
Глава
4
КОНСТРУИРОВАНИЕ СХЕМ НА ОУ С ОДНОПОЛЯРНЫМ ПИТАНИЕМ ...................35
4.1. Одно напряжение питания или два? ............................................................................................35
4.2. Анализ схем ..................................................................................................................................................37
4.3. Системы уравнений ................................................................................................................................41
4.3.1. Случай 1. VOUT = +mVIN + b ........................................................................................................42
4.3.2. Случай 2. VOUT = +mVIN – b ........................................................................................................46
4.3.3. Случай 3. VOUT = –mVIN + b ........................................................................................................48
4.3.4. Случай 4. VOUT = –mVIN – b ........................................................................................................51
4.4. Резюме .............................................................................................................................................................53
Глава
5
ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ НА ОУ ...............................................................................................................55
5.1. Многообразие схем применения ОУ ..............................................................................................55
5.2. Неинвертирующий аттенюатор без смещения нуля .........................................................56
5.3. Неинвертирующий аттенюатор с положительным смещением нуля ....................56
5.4. Неинвертирующий аттенюатор с отрицательным смещением нуля ......................56
5.5. Инвертирующий аттенюатор без смещения нуля ..............................................................57
5.6. Инвертирующий аттенюатор с положительным смещением нуля ..........................57
5.7. Инвертирующий аттенюатор с отрицательным смещением нуля............................58
5.8. Заключение ..................................................................................................................................................58
Глава
6
ТЕОРИЯ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ...............................59
6.1. Зачем изучать теорию обратной связи? .....................................................................................59
Стр.7
Содержание ∎ VII
6.2. Структурные схемы и математический анализ их работы ...........................................59
6.3. Уравнения обратной связи и стабильность .............................................................................63
6.4. Анализ схем с ОС с помощью диаграмм Боде ......................................................................... 64
6.5. Диаграммы Боде и стабильность усилителей с ОС .............................................................69
6.6. Уравнения второго порядка и предупреждение выбросов и звона ..........................72
Литература ...........................................................................................................................................................73
Глава
7
НЕИДЕАЛЬНЫЕ ОУ И КАК С НИМИ ОБРАЩАТЬСЯ .............................................................74
7.1. Введение .........................................................................................................................................................74
7.2. Обзор канонических уравнений ......................................................................................................75
7.3. Неинвертирующий усилитель на ОУ ............................................................................................77
7.4. Инвертирующий усилитель на ОУ .................................................................................................79
7.5. Дифференциальный усилитель на ОУ .........................................................................................80
Глава
8
МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ОУ С ОС ПО НАПРЯЖЕНИЮ ...................................................82
8.1. Введение .........................................................................................................................................................82
8.2. Встроенная компенсация ....................................................................................................................83
8.3. Внешняя компенсация, стабильность и характеристики ............................................. 88
8.4. Компенсация с помощью доминантного полюса ..................................................................89
8.5. Компенсация путём изменения коэффициента усиления .............................................92
8.6. Компенсация с опережением по фазе ..........................................................................................93
8.7. Компенсация влияния паразитных ёмкостей ........................................................................96
8.8. Компенсация с опережением и задержкой ...............................................................................98
8.9. Сравнение различных методов компенсации......................................................................100
8.10. Заключение .............................................................................................................................................101
Глава
9
ПРИМЕНЕНИЕ ОУ С ОС ПО ТОКУ .....................................................................................................102
9.1. Введение ......................................................................................................................................................102
9.2. Модель ОУ с ОС по току ......................................................................................................................102
9.3. Уравнения, описывающие стабильность ...............................................................................103
9.4. Неинвертирующий усилитель на ОУ с ОС по току ............................................................104
9.5. Инвертирующий усилитель на ОУ с ОС по току .................................................................106
9.6. Анализ стабильности..........................................................................................................................107
9.7. Выбор резистора в цепи ОС ..............................................................................................................110
9.8. Стабильность и входная ёмкость ................................................................................................112
Стр.8
VIII ∎ Содержание
9.9. Стабильность и ёмкость в цепи ОС .............................................................................................113
9.19. Компенсация влияния CF и CG ...................................................................................................... 114
9.11. Резюме ........................................................................................................................................................ 114
Глава
10
СРАВНЕНИЕ ОУ С ОС ПО НАПРЯЖЕНИЮ И ПО ТОКУ ......................................................116
10.1. Введение ...................................................................................................................................................116
10.2. Точность ...................................................................................................................................................116
10.3. Диапазон рабочих частот ...............................................................................................................118
10.4. Стабильность .........................................................................................................................................120
10.5. Импеданс ..................................................................................................................................................122
10.6. Сравнение уравнений .......................................................................................................................123
Глава
11
ПОЛНОСТЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОУ ...............................................................................125
11.1. Введение ...................................................................................................................................................125
11.2. Что значит полностью дифференциальный ОУ? ............................................................125
11.3. Как используется второй выход? ..............................................................................................126
11.4. Полностью дифференциальный каскад ...............................................................................126
11.5. Преобразование несимметричных сигналов в дифференциальные..................127
11.6. Работа с несимметричными входными сигналами .......................................................128
11.7. Новые функции .....................................................................................................................................129
11.8. Использование вывода VOCM в качестве входа управления смещением
выходов .....................................................................................................................................................130
11.9. Инструментальные усилители ..................................................................................................131
11.10. Схемы фильтров ................................................................................................................................132
11.10.1. Однополюсный фильтр ................................................................................................... 132
11.10.2. Двухполюсные фильтры ................................................................................................132
11.10.3. Фильтры с несколькими цепями ОС ........................................................................134
11.10.4. Биквадратный фильтр..................................................................................................... 136
Глава
12
ШУМЫ В ОУ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА .............................................................................................137
12.1. Введение ...................................................................................................................................................137
12.2. Определения ..........................................................................................................................................137
12.2.1. Среднеквадратичное и пиковое значения напряжения шумов ............... 137
12.2.2. Уровень собственных шумов .........................................................................................138
12.2.3. Отношение сигнал/шум ................................................................................................... 139
12.2.4. Суммирование шумов от различных источников ............................................ 139
Стр.9
Содержание ∎ IX
12.2.5. Единицы измерения............................................................................................................ 139
12.3. Типы шумов ...........................................................................................................................................140
12.3.1. Дробовые шумы ..................................................................................................................... 140
12.3.2. Тепловые шумы ...................................................................................................................... 142
12.3.3. Фликкер-шум ........................................................................................................................... 144
12.3.4. Импульсные шумы ............................................................................................................... 144
12.3.5. Шумы лавинного пробоя .................................................................................................. 145
12.4. Цвета шумов ........................................................................................................................................... 145
12.4.1. Белый шум ................................................................................................................................. 146
12.4.2. Розовый шум .............................................................................................................................147
12.4.3. Красный и коричневый шумы........................................................................................147
12.5. Шумы операционных усилителей ............................................................................................ 147
12.5.1. Частота излома шумовой характеристики и суммарные шумы...............147
12.5.2. Частота излома шумовой характеристики ........................................................... 148
12.5.3. Шумовая модель ОУ ............................................................................................................. 149
12.5.4. Шумы в инвертирующем усилителе на ОУ ........................................................... 150
12.5.5. Шумы в неинвертирующем усилителе на ОУ ...................................................... 152
12.5.6. Шумы в дифференциальном усилителе на ОУ .................................................... 152
12.5.7. Резюме .......................................................................................................................................... 153
12.6. Реальные схемы ...................................................................................................................................153
Литература ........................................................................................................................................................157
Глава
13
ПАРАМЕТРЫ ОУ ...........................................................................................................................................158
13.1. Введение ...................................................................................................................................................158
13.2. Температурный коэффициент входного тока .................................................................. 161
13.3. Температурный коэффициент напряжения смещения ..............................................162
13.4. Погрешность дифференциального коэффициента усиления .................................162
13.5. Запас устойчивости по коэффициенту усиления ...........................................................162
13.6. Коэффициент усиления с разомкнутой цепью ОС .........................................................163
13.7. Коэффициент усиления при большом сигнале ................................................................164
13.8. Дифференциальный коэффициент усиления при большом сигнале ................164
13.9. Частота единичного усиления ....................................................................................................165
13.10. Ширина полосы пропускания по заданному уровню ................................................165
13.11. Полоса частот ......................................................................................................................................165
13.12 Входная ёмкость ................................................................................................................................166
13.13. Входная ёмкость для синфазных сигналов .....................................................................166
13.14. Дифференциальная входная ёмкость .................................................................................167
13.15. Ёмкость нагрузки ............................................................................................................................167
13.16. Коэффициент влияния напряжения питания ...............................................................167
13.17. Коэффициент ослабления синфазного сигнала ............................................................168
Стр.10
X ∎ Содержание
13.18. Частота ....................................................................................................................................................168
13.19. Произведение коэффициента усиления на полосу частот .....................................168
13.20. Ток потребления в режиме блокировки ............................................................................169
13.21. Ток потребления ...............................................................................................................................169
13.22. Диапазон входных токов .............................................................................................................169
13.23. Входной ток .........................................................................................................................................169
13.24. Разность входных токов .............................................................................................................. 170
13.25. Спектральная плотность приведённого ко входу шумового тока.................... 170
13.26. Выходной ток ......................................................................................................................................171
13.27. Выходной ток низкого уровня .................................................................................................171
13.28. Выходной ток короткого замыкания ..................................................................................171
13.29. Рассеиваемая мощность ...............................................................................................................171
13.30. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания ..............................171
13.31. Тепловое сопротивление кристалл — окружающая среда ...................................172
13.32. Тепловое сопротивление кристалл — корпус ............................................................... 174
13.33. Входное сопротивление ............................................................................................................... 174
13.34. Дифференциальное входное сопротивление ................................................................. 174
13.35. Сопротивление нагрузки ............................................................................................................ 174
13.36. Сопротивление Rnull ........................................................................................................................ 174
13.37. Выходное сопротивление ............................................................................................................175
13.38. Сопротивление источника сигналов ...................................................................................175
13.39. Скорость нарастания напряжения ........................................................................................175
13.40. Рабочая температура .....................................................................................................................177
13.41. Время выключения (переход в режим блокировки) .................................................177
13.42. Время включения (выход из режима блокировки) .....................................................177
13.43. Время спада .........................................................................................................................................177
13.44. Коэффициент нелинейных искажений ..............................................................................177
13.45. Коэффициент нелинейных искажений плюс шумы ...................................................178
13.46. Максимально допустимая температура кристалла ...................................................180
13.47. Время нарастания ............................................................................................................................180
13.48. Время установления ......................................................................................................................180
13.49. Температура хранения..................................................................................................................181
13.50. Напряжение питания ....................................................................................................................181
13.51. Диапазон входных напряжений ..............................................................................................181
13.52. Входное синфазное напряжение ............................................................................................181
13.53. Диапазон входных синфазных напряжений ...................................................................182
13.54. Входное дифференциальное напряжение ........................................................................182
13.55. Диапазон входных дифференциальных напряжений ..............................................183
13.56. Напряжение включения (при выходе из режима блокировки) ...........................183
13.57. Напряжение выключения (при переходе в режим блокировки).........................183
13.58. Входное напряжение......................................................................................................................183
Стр.11
Содержание ∎ XI
13.59. Напряжение смещения на входе .............................................................................................183
13.60. Спектральная плотность приведённого ко входу напряжения шумов .........184
13.61. Напряжение шумов в полосе частот .....................................................................................185
13.62. Выходное напряжение высокого уровня ..........................................................................185
13.63. Выходное напряжение низкого уровня .............................................................................186
13.64. Максимальный размах выходного напряжения ..........................................................186
13.65. Размах выходного напряжения ...............................................................................................187
13.66. Размах напряжения прямоугольных импульсов .........................................................187
13.67. Перекрёстные искажения ...........................................................................................................187
13.68. Выходной импеданс .......................................................................................................................187
13.69. Трансимпеданс при разомкнутой ОС ..................................................................................188
13.70. Ширина полосы при неравномерности АЧХ 0.1 дБ ......................................................189
13.71. Дифференциальная фазовая погрешность ......................................................................189
13.72. Запас устойчивости по фазе ......................................................................................................189
13.73. Температура корпуса в течение 60 с ....................................................................................190
13.74. Постоянная рассеиваемая мощность ...................................................................................190
13.75. Продолжительность короткого замыкания выхода..................................................190
13.76. Долговременный дрейф входного напряжения смещения ....................................190
13.77. Температура выводов в течение 10 или 60 с....................................................................191
Глава
14
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ: ДАТЧИКИ И АЦП ...........................................................................192
14.1. Введение ...................................................................................................................................................192
14.2. Типы датчиков......................................................................................................................................197
14.3. Выполнение разработки ................................................................................................................202
14.4. Обзор спецификаций системы (пример) ...............................................................................203
14.5. Характеристики источника опорного напряжения ......................................................204
14.6. Характеристики датчика ...............................................................................................................204
14.7. Характеристики АЦП.........................................................................................................................206
14.8. Выбор ОУ ...................................................................................................................................................207
14.9. Разработка схемы усилителя ......................................................................................................207
14.10. Испытания ............................................................................................................................................213
14.11. Резюме ..................................................................................................................................................... 214
Литература ........................................................................................................................................................ 214
Глава
15
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОУ В КАЧЕСТВЕ ИНТЕРФЕЙСА К АЦП ...........................................215
15.1. Введение ...................................................................................................................................................215
15.2. Информация о системе ....................................................................................................................215
Стр.12
XII ∎ Содержание
15.3. Информация об источниках питания ....................................................................................216
15.4. Информация об источнике входного сигнала ..................................................................217
15.5. Информация о параметрах и характеристиках АЦП .................................................... 219
15.6. Информация о параметрах и характеристиках ОУ ........................................................220
15.7. Архитектурные решения ...............................................................................................................220
Глава
16
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ТРАКТАХ ПЧ ...................................................................................224
16.1. Введение ...................................................................................................................................................224
16.2. Системы радиосвязи .........................................................................................................................224
16.3. Выбор АЦП и ЦАП ................................................................................................................................228
16.4. Факторы, влияющие на выбор ОУ .............................................................................................232
16.5. Сглаживающие фильтры................................................................................................................234
16.6. Восстанавливающие фильтры для коммуникационных ЦАП ...............................235
16.7. Цепи внешних источников опорного напряжения для АЦП и ЦАП ......................238
16.8. Высокоскоростные схемы управления аналоговыми сигналами........................240
Литература ........................................................................................................................................................243
Глава
17
ПРИМЕНЕНИЕ ОУ В ВЧ УЗЛАХ ..........................................................................................................244
17.1. Введение ....................................................................................................................................................244
17.2. Достоинства ............................................................................................................................................245
17.3. Недостатки ..............................................................................................................................................245
17.4. ОС по напряжению или по току? ................................................................................................245
17.5. Обзор традиционных ВЧ усилителей .....................................................................................246
17.6. Коэффициенты усиления по напряжению и по мощности .......................................249
17.7. Параметры рассеяния .......................................................................................................................250
17.7.1. Входной и выходной КСВН (S11 и S22) .......................................................................... 251
17.7.2. Потери на отражение ........................................................................................................... 251
17.7.3. Прямой коэффициент передачи (S21) ......................................................................... 252
17.7.4. Обратный коэффициент передачи .............................................................................. 253
17.8. Фазовая линейность ..........................................................................................................................255
17.9. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики ....................................255
17.10. Точка компрессии –1 дБ ................................................................................................................256
17.11. Точка пересечения третьего порядка при двухчастотном сигнале..................257
17.12. Коэффициент шума .........................................................................................................................258
17.13. Заключение ..........................................................................................................................................260
Стр.13
Содержание ∎ XIII
Глава
18
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОУ СОВМЕСТНО С ЦАП ..............................................................................261
18.1. Введение ...................................................................................................................................................261
18.2. Характеристики нагрузки ............................................................................................................262
18.2.1. Нагрузка по постоянному току ..................................................................................... 262
18.2.2. Нагрузка по переменному току .................................................................................... 262
18.3. ЦАП и их спецификации .................................................................................................................262
18.3.1. Типы ЦАП ................................................................................................................................... 262
18.3.2. Простейший ЦАП на основе цепочки резисторов ............................................. 262
18.3.3. ЦАП с формированием весовых токов резистивными цепями.................263
18.3.4. ЦАП типа R/2R .........................................................................................................................264
18.3.5. Сигма-дельта ЦАП .................................................................................................................266
18.4. Расчёт погрешностей ЦАП ............................................................................................................267
18.4.1. Точность и разрешение ...................................................................................................... 267
18.4.2. Расчёт погрешностей по постоянному току ......................................................... 267
18.4.3. Расчёт погрешностей по переменному току......................................................... 269
18.4.4. Расчёт погрешностей при использовании ЦАП в диапазоне
радиочастот .............................................................................................................................. 270
18.5. Параметры и погрешности ЦАП ................................................................................................271
18.5.1. Параметры и погрешности ЦАП на постоянном токе ..................................... 271
18.5.2. Параметры и погрешности ЦАП на переменном токе .............................................275
18.6. Компенсация паразитных ёмкостей ЦАП ............................................................................278
18.7. Увеличение выходного тока и напряжения буфера ......................................................279
18.7.1. Усилитель тока ........................................................................................................................280
18.7.2. Усилитель напряжения......................................................................................................281
18.7.3. Усилители мощности ..........................................................................................................282
18.7.4. Однополярное питание и напряжение смещения .............................................282
Глава
19
ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ .................................................................284
19.1. Что такое генератор синусоидальных сигналов .............................................................284
19.2. Условия возбуждения автоколебаний ...................................................................................285
19.3. Сдвиг фаз в генераторах .................................................................................................................286
19.4. Коэффициент усиления ..................................................................................................................287
19.5. Влияние активных элементов (ОУ) на генератор ...........................................................288
19.6. Анализ схем и работы генераторов .........................................................................................290
19.7. Генераторы синусоидальных сигналов .................................................................................292
19.7.1. Генератор с мостом Вина ................................................................................................... 292
19.7.2. Генератор на фазосдвигающей цепочке с одним усилителем ...................298
19.7.3. Генератор на фазосдвигающих цепочках с буферами .....................................300
19.7.4. Генератор Бубба ...................................................................................................................... 301
Стр.14
XIV ∎ Содержание
19.7.5. Квадратурный генератор ................................................................................................. 302
19.8. Заключение .............................................................................................................................................304
Литература ........................................................................................................................................................304
Глава
20
АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ ...........................................................................................................................305
20.1. Введение ...................................................................................................................................................305
20.2. Основы фильтров нижних частот ............................................................................................306
20.2.1. ФНЧ Баттерворта ...................................................................................................................309
20.2.2. ФНЧ Чебышева ........................................................................................................................ 310
20.2.3. ФНЧ Бесселя ............................................................................................................................. 311
20.2.4. Добротность ............................................................................................................................. 313
20.2.5. Заключение ................................................................................................................................314
20.3. Конструирование фильтров нижних частот (ФНЧ) ...................................................... 314
20.3.1. ФНЧ первого порядка .......................................................................................................... 315
20.3.2. ФНЧ второго порядка ......................................................................................................... 317
20.3.3. ФНЧ высокого порядка ...................................................................................................... 321
20.4. Разработка фильтров верхних частот (ФВЧ) .....................................................................323
20.4.1. ФВЧ первого порядка .......................................................................................................... 324
20.4.2. ФВЧ второго порядка .......................................................................................................... 325
20.4.3. ФВЧ высокого порядка ....................................................................................................... 328
20.5. Конструирование полосовых фильтров ...............................................................................329
20.5.1. Полосовой фильтр второго порядка .......................................................................... 330
20.5.2. Полосовой фильтр четвёртого порядка с взаимной расстройкой
связанных контуров ........................................................................................................... 333
20.6. Режекторные фильтры ....................................................................................................................336
20.6.1. Активный фильтр с двойным Т-мостом .................................................................. 337
20.6.2. Активный фильтр Вина — Робинсона......................................................................338
20.7. Разработка фазовых фильтров ...................................................................................................340
20.7.1. Фазовый фильтр первого порядка ..............................................................................342
20.7.2. Фазовые фильтры второго порядка ...........................................................................343
20.7.3. Фазовые фильтры высокого порядка ........................................................................344
20.8. Практические советы по проектированию ........................................................................345
20.8.1. Цепи смещения........................................................................................................................345
20.8.2. Выбор конденсаторов .........................................................................................................348
20.8.3. Номиналы элементов ......................................................................................................... 350
20.8.4. Выбор ОУ ..................................................................................................................................... 350
20.9. Таблицы коэффициентов фильтров ........................................................................................352
Литература ........................................................................................................................................................359
Стр.15
Содержание ∎ XV
Глава
21
КОНСТРУИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ ..............................................360
21.1. Введение ...................................................................................................................................................360
21.2. Выбор АЧХ ................................................................................................................................................360
21.3. ФНЧ ..............................................................................................................................................................362
21.4. ФВЧ ...............................................................................................................................................................363
21.5. Узкополосный полосовой фильтр ............................................................................................364
21.6. Широкополосные фильтры ..........................................................................................................366
21.7. Узкополосный режекторный фильтр .....................................................................................367
21.8. Широкополосный режекторный фильтр .............................................................................369
21.9. Обзор характеристик фильтров .................................................................................................370
Глава
22
КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ ............................................371
22.1. Введение ...................................................................................................................................................371
22.2. Высокочастотный ФНЧ ...................................................................................................................371
22.3. Высокочастотный ФВЧ ....................................................................................................................371
22.4. Высокочастотные полосовые фильтры ................................................................................372
22.4.1. Изменённая схема Дельянна .......................................................................................... 373
22.4.2. Изменённая схема фильтра Дельянна и многопетлевая схема ................ 375
22.4.3. Результаты лабораторных испытаний .................................................................... 377
22.5. Высокочастотные режекторные фильтры .........................................................................379
22.5.1. Моделирование ......................................................................................................................380
22.5.2. Результаты лабораторных испытаний ...................................................................382
22.5.3. Результаты испытаний фильтра с центральной частотой 1 МГц...........383
22.5.4. Результаты испытаний фильтра с центральной частотой 100 кГц .......383
22.5.5. Результаты испытаний фильтра с центральной частотой 10 кГц .........385
22.6. Заключение ............................................................................................................................................387
Глава
23
РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ....................................................................388
23.1. Общие вопросы .....................................................................................................................................388
23.1.1. Печатная плата как компонент конструкции схемы с ОУ ............................388
23.1.2. Опытный образец! ................................................................................................................388
23.1.3. Источники шумов..................................................................................................................389
23.2. Механическая конструкция печатных плат ......................................................................390
23.2.1. Правильный выбор материала .....................................................................................390
23.2.2. Сколько слоёв лучше? ........................................................................................................ 391
23.2.3. Расположение слоёв в печатной плате ....................................................................394
Стр.16
XVI ∎ Содержание
23.3. Заземление .............................................................................................................................................395
23.3.1. Самое важное правило: разделяйте землю ........................................................... 395
23.3.2. Другие правила выполнения заземлений ............................................................. 395
23.3.3. Хороший пример ....................................................................................................................397
23.3.4. Характерные исключения ...............................................................................................398
23.4. Частотные характеристики пассивных компонентов .................................................399
23.4.1. Резисторы ...................................................................................................................................399
23.4.2. Конденсаторы ..........................................................................................................................400
23.4.3. Индуктивности ......................................................................................................................401
23.4.4. Пассивные компоненты, создаваемые печатной платой..............................402
23.5. Развязка по питанию ........................................................................................................................409
23.5.1. Цифровые схемы — основной враг аналоговых схем .....................................409
23.5.2. Правильный выбор блокировочного конденсатора ........................................410
23.5.3. Развязка питания микросхем ........................................................................................ 411
23.5.4. Развязка на плате .................................................................................................................. 412
23.6. Развязка входов и выходов ...........................................................................................................412
23.7. Корпуса ......................................................................................................................................................412
23.7.1. Монтаж в отверстия ............................................................................................................. 415
23.7.2. Поверхностный монтаж .................................................................................................... 416
23.7.3. Неиспользуемые секции ОУ............................................................................................. 416
23.8. Резюме ....................................................................................................................................................... 416
Литература ........................................................................................................................................................418
Глава
24
КОНСТРУИРОВАНИЕ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СХЕМ С ОУ ..................................................... 419
24.1. Введение ................................................................................................................................................... 419
24.2. Динамический диапазон ................................................................................................................421
24.3. Отношение сигнал/шум .................................................................................................................423
24.4. Диапазон входных синфазных напряжений ......................................................................424
24.5. Размах выходного напряжения .................................................................................................428
24.6. Блокировка и малый ток потребления .................................................................................430
24.7. Конструирование схем с однополярным питанием ......................................................431
24.8. Интерфейс между датчиком и АЦП .........................................................................................431
24.9. Интерфейс между ЦАП и исполнительным механизмом ...........................................434
24.10. Сравнение ОУ .......................................................................................................................................438
24.11. Резюме .....................................................................................................................................................440
Глава
25
НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЁННЫЕ ОШИБКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОУ .....442
25.1. Введение ...................................................................................................................................................442
Стр.17
Содержание ∎ XVII
25.2. Работа ОУ при коэффициенте усиления меньше единицы
или оговоренного в спецификации значения ...................................................................442
25.3. Применение ОУ в качестве компаратора ..............................................................................444
25.3.1. Компаратор ...............................................................................................................................446
25.3.2. Операционный усилитель ...............................................................................................446
25.3.3. Неправильное подключение неиспользуемых ОУ ............................................ 447
25.5. Коэффициент усиления по постоянному току .................................................................449
25.6. Источник тока .......................................................................................................................................449
25.7. ОУ с ОС по току: замыкание резистора в цепи ОС ............................................................450
25.8. ОУ с ОС по току: конденсатор в цепи ОС ................................................................................452
25.9. Полностью дифференциальный ОУ: неправильное подключение
к однополярному источнику сигналов..................................................................................452
25.10. Полностью дифференциальный ОУ: неверный выбор рабочей точки по
постоянному току ............................................................................................................................453
25.11. Полностью дифференциальный ОУ: неверный выбор синфазного
диапазона ..............................................................................................................................................455
25.12. Ошибка разработчика номер 1 ................................................................................................456
Приложение
А
КОЛЛЕКЦИЯ СХЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ОУ С ОДНОПОЛЯРНЫМ ПИТАНИЕМ.......459
А.1. Введение .....................................................................................................................................................459
А.2. Инструментальный усилитель ....................................................................................................459
А.3. Упрощённый инструментальный усилитель .....................................................................460
А.4. Т-образная схема в цепи ОС .............................................................................................................461
А.5. Инвертирующий интегратор ........................................................................................................462
А.6. Инвертирующий интегратор с компенсацией входного тока ..................................463
А.7. Инвертирующий интегратор с компенсацией дрейфа ..................................................464
А.8. Инвертирующий интегратор с механическим сбросом ...............................................464
А.9. Инвертирующий интегратор с электронным сбросом .................................................465
А.10. Инвертирующий интегратор с резистивным сбросом ...............................................466
А.11. Неинвертирующий интегратор с инвертирующим буфером .................................467
А.12. Неинвертирующий интегратор на одном ОУ....................................................................467
А.13. Двойной интегратор .........................................................................................................................468
А.14. Дифференциальный интегратор ..............................................................................................469
А.15. Интегратор переменных сигналов ..........................................................................................469
А.16. Суммирующий интегратор ..........................................................................................................470
А.17. Инвертирующий дифференциатор .........................................................................................470
А.18. Инвертирующий дифференциатор с фильтром шумов .............................................471
А.19. Суммирующий дифференциатор ..............................................................................................472
А.20. Базовая схема генератора Вина .................................................................................................472
А.21. Генератор с мостом Вина и нелинейной ОС .......................................................................473
Стр.18
XVIII ∎ Содержание
А.22. Генератор с мостом Вина и АРУ ................................................................................................. 474
А.23. Квадратурный генератор .............................................................................................................475
А.24. Классический генератор на фазосдвигающих цепочках ........................................... 476
А.25. Генератор с фазосдвигающими цепями и буферами ...................................................477
А.26. Генератор Бубба ..................................................................................................................................478
А.27. Генераторы треугольных импульсов .....................................................................................479
А.28. Аттенюаторы ........................................................................................................................................479
А.29. Модель индуктивности ..................................................................................................................481
А.30. Полосовые и режекторные фильтры на ОУ с Т-образными цепями ...................483
А.31. Генератор постоянного тока .......................................................................................................485
А.32. Инвертор опорного напряжения ..............................................................................................485
А.33. Усилитель мощности .......................................................................................................................486
А.34. Схема получения абсолютного значения сигнала ........................................................487
А.35. Пиковый детектор .............................................................................................................................487
А.36. Прецизионный выпрямитель .....................................................................................................488
А.37. Преобразователь переменного напряжения в постоянное ......................................488
А.38. Двухполупериодный выпрямитель .......................................................................................489
А.39. Регулятор тембра ...............................................................................................................................489
А.40. Фильтры для подбора АЧХ ............................................................................................................491
Литература ........................................................................................................................................................493
Приложение
Б
СОГЛАСОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ПО ВХОДУ ..................494
Б.1. Введение .....................................................................................................................................................494
Б.2. Согласование дифференциального усилителя ..................................................................496
Б.3. Инвертирующий канал .....................................................................................................................497
Б.4. Неинвертирующий канал ................................................................................................................498
Б.5. Дифференциальное выходное напряжение .........................................................................499
Б6. Результаты испытаний.......................................................................................................................500
Б.6.1. Коэффициент усиления 0.5................................................................................................500
Б.6.2. Коэффициент усиления 1 ................................................................................................... 501
Предметный указатель .......................................................................................................................502
Стр.19