Шим на оу. ШИМ генератор на операционном усилителе: схема, расчет, моделирование

Как работает ШИМ генератор на ОУ. Какие компоненты нужны для его построения. Как рассчитать параметры схемы ШИМ генератора. Какие особенности моделирования ШИМ генератора на операционном усилителе.

Содержание

Принцип работы ШИМ генератора на операционном усилителе

ШИМ генератор на операционном усилителе (ОУ) представляет собой схему, формирующую импульсный сигнал с изменяемой скважностью. Основными компонентами такого генератора являются:

Генератор треугольного сигнала на ОУ
Компаратор на втором ОУ
Цепь обратной связи

Как работает данная схема?

Генератор треугольного сигнала формирует опорное напряжение пилообразной формы
Это напряжение поступает на инвертирующий вход компаратора
На неинвертирующий вход компаратора подается управляющее напряжение
Компаратор сравнивает эти напряжения и формирует прямоугольные импульсы на выходе
Скважность выходных импульсов зависит от уровня управляющего напряжения

Таким образом, изменяя управляющее напряжение, можно плавно регулировать скважность ШИМ сигнала.

Выбор компонентов для ШИМ генератора

При выборе операционных усилителей для ШИМ генератора следует обратить внимание на следующие параметры:

Скорость нарастания выходного сигнала (SR) — не менее 20-25 В/мкс
Полоса пропускания (GBW) — не менее 40-50 МГц
Диапазон выходных напряжений — желательно от шины до шины (rail-to-rail)
Низкий входной ток смещения — единицы пА
Малое напряжение смещения нуля — десятки мкВ

Хорошим выбором будут быстродействующие прецизионные ОУ, например:

TLV3502 (Texas Instruments)
OPA2365 (Texas Instruments)
AD8656 (Analog Devices)
LTC6081 (Linear Technology)

Расчет параметров схемы ШИМ генератора

Основные формулы для расчета ШИМ генератора на ОУ:

Частота треугольного сигнала:

f = 1 / (4 * R * C)

где R — сопротивление в цепи интегратора, C — емкость конденсатора интегратора.

Амплитуда треугольного сигнала:

V_tri = (R2 / R1) * V_ref

где R1 и R2 — сопротивления делителя, V_ref — опорное напряжение.

Коэффициент усиления входного сигнала:

K = -R4 / R3

где R3 и R4 — сопротивления в цепи усилителя рассогласования.

Особенности моделирования ШИМ генератора

При моделировании ШИМ генератора на ОУ следует обратить внимание на следующие аспекты:

Корректный выбор шага моделирования — не более 1/100 периода ШИМ
Учет реальных параметров ОУ — скорости нарастания, GBW, насыщения
Моделирование переходных процессов при изменении управляющего напряжения

Анализ спектра выходного сигнала для оценки гармонических искажений

Рекомендуется использовать специализированные SPICE-симуляторы с точными моделями выбранных ОУ.

Практические рекомендации по реализации ШИМ генератора

При практической реализации ШИМ генератора на ОУ следует учитывать:

Разводка печатной платы:
- Минимизация длины проводников
- Экранирование чувствительных цепей
- Качественная развязка по питанию
Выбор компонентов:
- Использование прецизионных резисторов (0.1%)
- Применение конденсаторов с малыми потерями (NPO, C0G)
Настройка:
- Точная подстройка частоты и скважности
- Компенсация температурного дрейфа

Следуя этим рекомендациям, можно добиться стабильной работы ШИМ генератора с минимальными искажениями.

Области применения ШИМ генераторов на ОУ

ШИМ генераторы на операционных усилителях находят широкое применение в различных областях электроники:

Системы управления электродвигателями
Импульсные источники питания
Аудиоусилители класса D
Системы управления яркостью светодиодов
Преобразователи напряжения

В каких случаях ШИМ генератор на ОУ имеет преимущества перед другими схемами?

При необходимости точной регулировки частоты и скважности
Для работы на высоких частотах (сотни кГц — единицы МГц)
При требованиях к низким искажениям выходного сигнала
В прецизионных измерительных системах

Сравнение ШИМ генераторов на ОУ и специализированных микросхемах

Как ШИМ генераторы на ОУ соотносятся со специализированными микросхемами?

Параметр	ШИМ на ОУ	Специализированные ИС
Гибкость настройки	Высокая	Ограниченная
Точность	Очень высокая	Средняя-высокая
Сложность схемы	Средняя	Низкая
Стоимость	Средняя	Низкая
Энергопотребление	Среднее-высокое	Низкое

Выбор между ШИМ генератором на ОУ и специализированной микросхемой зависит от конкретных требований разрабатываемого устройства.

Перспективы развития ШИМ генераторов

Какие тенденции наблюдаются в развитии ШИМ генераторов?

Повышение рабочих частот (десятки-сотни МГц)
Снижение энергопотребления
Интеграция дополнительных функций (защита, диагностика)
Применение цифровых методов формирования ШИМ
Использование новых полупроводниковых технологий (SiC, GaN)

Эти тенденции открывают новые возможности для применения ШИМ в силовой электронике, аудиотехнике, системах связи и других областях.

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 12

7 февраля 2019

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаавтоматизациялабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования

. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

ШИМ-генератор на ОУ

Исходные данные к расчету представлены в таблице 34.

Таблица 34. Исходные данные к расчету

Вход		Выход		Питание
V_iMin	V_iMax	V_oMin	V_oMax	V_cc	V_ee	V_ref
-2,0 В	2,0 В	0 В	5 В	5 В	0 В	2,5 В

Описание схемы

Данная схема использует генератор треугольных импульсов и компаратор для формирования ШИМ-сигнала с частотой 500 кГц и коэффициентом заполнения, обратно пропорциональным входному напряжению (рисунок 42). Операционный усилитель (U₃) и компаратор (U₄) генерируют треугольный сигнал, подаваемый на инвертирующий вход второго компаратора (U₂). Входное напряжение схемы поступает на инвертирующий вход усилителя рассогласования (U₁) и далее на неинвертирующий вход компаратора (U₂). Выходной ШИМ-сигнал формируется при сравнении входного напряжения и треугольного сигнала. Сигнал с выхода U

2 используется для обратной связи и подается на вход усилителя рассогласования (U₁). Это сделано для улучшения точности и линейности при генерации ШИМ-сигнала.

Рис. 42. Схема ШИМ-генератора

Рекомендуем обратить внимание:

используйте компаратор c выходом типа “push-pull” и минимальным временем задержки;
Применяйте ОУ с подходящими значениями скорости нарастания, GBW и диапазона выходных напряжений;
частота полюса, создаваемого конденсатором С, должна лежать ниже частоты переключений и значительно выше слышимого звукового диапазона;
импеданс источника опорного напряжения должен быть минимальным. Для этой цели может быть использован выход ОУ.

Порядок расчета

Выбираем коэффициент усиления для входного сигнала по формуле 1:

$$GAIN=-\frac{R_{4}}{R_{3}}=-1\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Задаем R₃ = R₄ = 10 кОм.

Выбираем сопротивления R₁ и R₂ для деления опорного напряжения и получения единичного усиления сигнала на неинвертирующем входе (формула 2):

$$V_{O\_DC}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\times V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = 10 кОм.

Тогда V_{O_DC} = 2,5 В.

Амплитуда V_tri должна быть выбрана выше максимальной амплитуды входного напряжения (2,0 В), чтобы избежать коэффициента заполнения ШИМ-сигнала 0% и 100%. Выбираем V_tri = 2,1 В. Амплитуда V₁ = 2,5 В (формула 3):

$$V_{tri}\:(амплитуда)=\frac{R_{5}}{R_{6}}\times V_{1}\:(амплитуда)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Задаем R₆ = 10 кОм и определяем R₅ по формуле 4:

$$R_{5}=\frac{V_{tri}\:(амплитуда)\times R_{6}}{V_{1}\:(амплитуда)}=8.

4\:кОм\approx 8.45\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Задаем частоту ШИМ 500 кГц, исходя из формулы 5:

$$f_{t}=\frac{R_{6}}{4\times R_{7}\times R_{5}\times C_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Задаем С₃ = 100 пФ и рассчитываем R₇ по формуле 6:

$$R_{7}=\frac{R_{6}}{4\times f_{t}\times R_{5}\times C_{3}}=5.92\:кОм\approx 5.90\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Выбираем С₁ для ограничения полосы пропускания усилителя ниже частоты ШИМ (формула 7):

$$f_{p}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{4}\times C_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

С₁ = 100 пФ → f_p = 159 кГц

Выбираем С₂ для фильтрации шума V_ref и подставляем в формулу 8:

C₂ = 100 нФ (номинал).

$$f_{div}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{1}\parallel R_{2}\times C_{2}}=320\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) изображено на рисунке 43.

Рис. 43. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного

Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 44.

Рис. 44. Осциллограммы переходных процессов

OPA2365
V_ss	2,2…5,5 В
V_inCM	Rail-to-rail
V_out	Rail-to-rail
V_os	100 мкВ
I_q	4,6 мА
I_b	2 пА
UGBW	50 МГц
SR	25 В/мкс
Число каналов	2

TLV3502	OPA2353
V_ss	2,2…5,5 В	2,7…5,5 В
V_inCM	Rail-to-rail	Rail-to-rail
V_out	Rail-to-rail	Rail-to-rail
V_os	1 мВ	3 мкВ
I_q	3,2 мА	5,2 мА
I_b	2 пА	0,5 пА
UGBW	–	44 МГц
SR	–	22 В/мкс
Число каналов	2	2

Генератор ШИМ сигнала на LM358

Решил собрать шим регулятор на операционном усилителе. Не то что бы мне нужен был шим регулятор, просто валялся листочек с нарисованной схемой уже больше года и вот наконец дошли руки собрать схему и изучить ее характеристики. Вот сама схема:

На первом ОУ собран генератор треугольного сигнала, а второй ОУ играет роль компаратора, формируя прямоугольный сигнал. Вот осциллограммы сигналов на разных выводах LM358 снятые приложением для Android SmartScope, частота 670Гц:

На выводах 6 и 3 присутствует сигнал похожий на треугольный, а точнее сигнал сформированный из отрезков экспоненты. На выводах 5 и 7 сигнал имеет форму похожую на прямоугольную. Эти сигналы никак не зависят от положения движка резистора R7, коэффициент заполнения меняется только у сигнала на выводе 1:

Частота генерации зависит от емкости C2 и сопротивления R3, чем они меньше, тем выше частота. Также есть зависимость частоты от напряжения питания:

С2	100n	10n	1n
5V	670 Hz	5,7 kHz	21,8 kHz
12V	667 Hz	4,3 kHz	16,3 kHz

Потребляемый микросхемой ток 0,6мА при питании от 5В и 1,5мА от 12В. Напряжение питания до 32В, выходной ток не менее 20мА. Для управления большой нагрузкой можно использовать ключ на биполярном или полевом транзисторе:

Переменный резистор R7 нужно подбирать для более полной регулировки. При питании от 5В я ставил резистор на 22кОм и 47кОм для 12В. Если взять слишком маленький номинал этого резистора регулировка будет неполной, а если слишком большой — часть его не будет участвовать в регулировке.

Нигде не нашел максимальную частоту генерации LM358. В даташите нашел максимальную скорость нарастания выходного сигнала 0.6 В/мкс. То есть, чтобы выходной сигнал изменился от 0 до 12В потребуется как минимум 20мкс. Это только фронт прямоугольного сигнала. Допустим еще 20мкс сигнал имеет максимальную амплитуду, 20мкс идет спад и еще 20мкс сигнал имеет минимальную амплитуду. Итого 80мкс период одного колебания. Частота(обратная периоду величина) получается 12500 Гц. Сигнал при этом будет ближе к трапеции чем к прямоугольнику. Так что для получения приемлемой формы сигнала лучше ограничиться частотой в несколько килогерц или использовать ОУ с большей скоростью нарастания выходного сигнала. Правда такие ОУ стоят дороже, поэтому для высоких частот лучше выбрать другую схему.

Что касается приложения осциллографа SmartScope, вряд ли можно считать его измерительным прибором, но вот оценить форму сигнала вполне реально. Вот сигнал 5кГц со звуковой карты ноутбука:

А вот сигнал 4кГц с генератора на таймере NE555:

Сигнал на смартфон подается через разъем jack 3.5мм с четырьмя контактами и делителем напряжения на резисторах:

Для защиты входа от превышения напряжения желательно поставить стабилитроны на напряжение 1.9В или ниже. Следует помнить что стабилитрон срабатывает не мгновенно, а также что он может выйти из строя, поэтому к высоковольтным цепям лучше такой осциллограф не подключать.

Econ-O-Shim 20-Series, сплошная толщина 1/2 дюйма (150 шт.

) | Принадлежности для бетона/Строительные прокладки и оборудование для испытания бетона

Цвет прокладки:: Черный
Длина прокладки:: 3в
Слот для прокладки:: 13/16 дюймов
Толщина прокладки:: 1/2 дюйма
Ширина прокладки:: 2 5/16 дюйма
Артикул:: В009. 22С
Состояние:: Новый

Цена 59,98 долларов США

Ориентировочная доставка через 4-7 дней после заказа

* Ориентировочная стоимость указана только для клиентов США .
* Транспортные и импортные пошлины рассчитываются при оформлении заказа.

Часто покупают вместе

Общая стоимость:
добавить в корзину

Пожалуйста, выберите параметры для всех выбранных продуктов

Описание продукта
видео

Прокладки Econ-O-Shim серии 20, толщина 1/2 дюйма, цельные (150 карат) , отлиты из специальной пластмассы, которая сочетает в себе превосходную прочность на сжатие и хороший контакт с несущей поверхностью.

Прочность на сжатие 10 000 psi
Экономичный.
Толщина с цветовой маркировкой.
Доступны в различных размерах.
Отличная прочность на сжатие.
Экономьте время, деньги и труд.
Укажите «Econ-o-Shim» для ваших требований по выравниванию/выравниванию.
Econ-o-Shims невосприимчивы к микроорганизмам и щелочам, химическим веществам и жидкостям.
Econ-o-Shims не ржавеют, не гниют, не окрашиваются и не выщелачиваются.
Сделано в США.

Deslauriers 22S Econ-O-Shim 20-й серии, толщина 1/2 дюйма (150 карат)

Yoon Jae «Gun Oh» Shim Статистика ММА, фотографии, новости, видео, биография

ИСТОРИЯ БОЕВ — PRO

Результат	Истребитель	Событие	Метод/ Рефери	Р	Время
победа	Церендаш Азжаргал	Road FC 63 — Чемпионат по шоссейным боям 63 25 февраля 2023 г.	Дисквалификация (удар в пах) Сын Рюль Шин	2	0:12
победа	Дон Хён Бэ	Road FC 61 — Чемпионат по шоссейным боям 61 23 июля 2022 г.	Представление (замок) Сун Мин Ким	1	1:11
потеря	Крис Барнетт	Road FC 55 — Чемпионат по дорожным боям 55 Сентябрь / 08 / 2019	КО (пробойник)	1	3:44
победа	Ги Хун Рю	Road FC 54 — Чемпионат по дорожным боям 54 15 июня 2019 г.	ТКО (пуансоны)	1	0:54
победа	Джэ Хёк Хо	Road FC 50 — Чемпионат по дорожным боям 50 Ноябрь / 03 / 2018	KO (удары руками) Сын Рюль Шин	1	0:23
потеря	Крис Барнетт	Road FC 45 — Чемпионат по шоссейным боям 45 23 декабря 2017 г.	ТКО (пуансоны)	2	3:33
победа	Чан Хи Ким	Road FC 42 — Чемпионат по дорожным боям 42 Сентябрь / 23 / 2017	ТКО (пуансоны)	2	1:18
НЗ	Чан Хи Ким	Road FC 39 — Чемпионат по дорожным боям 39 10 июня 2017 г.	Нет соревнования (случайное столкновение голов) Косукэ Умэда	1	0:25
победа	Чжэньлинь Хоу	Road FC 34 — Чемпионат по дорожным боям 34 Ноябрь / 19 / 2016	Решение (единогласное)	3	5:00
потеря	Карлос Тойота	Road FC 29 — Чемпионат по дорожным боям 29 12 марта 2016 г.	ТКО (пуансоны)	1	0:17
потеря	Лукас Тани	Road FC 22 — Чемпионат по дорожным боям 22 21 марта 2015 г.	Подача (рука)	1	1:45
победа	Фред Слоан	Road FC 19 — Чемпионат по шоссейным боям 19 Ноябрь / 09 / 2014	Подача (ключ)	2	0:15

YOON JAE SHIM СВЯЗАННЫЕ НОВОСТИ

Ветеринар UFC Со Хи Хам разгромил Джин Ю Фрея Фаст, чтобы защитить титул в легком весе на Road FC 45 Кто лучшая женщина в легком весе на планете? Ну, теперь у нас есть некоторое обсуждение сейчас.

Джордан Брин

23 декабря 2017 г.

Последние новости

ALLUFCBELLATORPFLONE

Bellator 292 ‘Nurmagomedov vs.