Аналоговые устройства на операционных усилителях

Быстродействие ОУ определяется несколькими параметрами, из которых наиболее часто используются такие, как малосигнальная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента усиления, АЧХ полной мощности сигнала и скорость нарастания выходного напряжения.

Малосигнальная АЧХ отображает закон изменения коэффициента усиления К0 при увеличении частоты и имеет две особые точки: значение частот

ы fC, на которой K0 падает до уровня 0,707 (то есть снижается на -3 дБ), и значение частоты единичного усиления f1, на которой K0 становится равным единице (то есть K0 = 0 дБ).Кроме того, часто используется параметр «площадь усиления» – произведение коэффициента усиления на частоту fC,такжехарактеризующий широкополосность усилителя.

По АЧХ для неискажённого синусоидального сигнала определяется максимальное значение амплитуды, которое может обеспечить усилитель на заданной частоте. Частота, на которой усилитель ещё отдаёт в нагрузку максимальный сигнал неискажённой амплитуды, определяет полосу максимальной мощности.

Универсальной характеристикой быстродействия ОУ является скорость нарастания выходного напряжения n, которая имеет размерность [В/мкс]. Измерить скорость нарастания можно, например, подавая на вход усилителя прямоугольный сигнал с крутизной фронтов, заведомо многократно превышающей ожидаемую скорость его отклика. Значение n может существенно отличаться в инвертирующем и неинвертирующем включении.

В общем случае частотную характеристику ОУ можно представить на комплексной плоскости или в операторной форме, воспользовавшись выражениями (1) и (8), считая, что K0 = F (jw) или K0 = F(p), а также, в свою очередь, считая цепь обратной связи b = Z (jw) или b = Z(p):

(16в)

(16г)

Современные ОУ с внутренней коррекцией выполняются таким образом, чтобы АЧХ K0 была однополюсной, то есть передаточная функция для K0 описывалась операторным выражением первого порядка:

, (16д)

где р – оператор Лапласа;

t =1/2pfC – постоянная времени, соответствующая частоте среза;

K0 – собственный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе.

Воспользовавшись упрощённой моделью ОУ, представленной на рисунке 6, можно получить связь между частотой единичного усиления и параметрами входного дифференциального каскада и цепи коррекции.

Для спада АЧХ в области частот, близких к частоте единичного усиления f1, можно считать, что нагрузка дифференциального каскада чисто реактивная, поэтому можно записать:

, (17)

где S = I0 / 2jT – крутизна прямой передачи дифференциального каскада.

При КU (f1) = 1 частота единичного усиления:

. (18)

Характерно, что в этом случае частота среза fC = K0 f1.

При подаче на вход ОУ скачка большого сигнала выходное напряжение усилителя меняется с конечной скоростью. Обусловлено это тем, что усилитель имеет ограниченную полосу пропускания и перегружается высокочастотными составляющими входного сигнала. Физически это означает, что при ограниченных токах в схеме ОУ требуется определённое время для перезаряда ёмкостей, в первую очередь ёмкости конденсатора коррекции С.

На рисунке 6 показано распределение токов во входном каскаде ОУ при подаче на вход скачка напряжения, перегружающего усилитель. В этом режиме транзистор VT1 полностью открыт, поэтому и через транзистор VT4 протекает полный ток источника тока I0. Именно этим током перезаряжается конденсатор коррекции С, поэтому скорость изменения выходного напряжения UВЫХ определяется скоростью изменения напряжения на конденсаторе UC:

. (19)

Скорость нарастания выходного напряжения связана с частотой f1 и параметрами входного дифференциального каскада, выполненного на биполярных транзисторах, следующим образом (учитывая выражение (18)):

, (20)

где UГР – граничное напряжение диапазона активной работы дифференциального каскада.

Существует несколько путей повышения скорости нарастания выходного напряжения:

- увеличение f1 – для современных интегральных транзисторов может превышать 1–10 ГГц;

- снижение крутизны S при сохранении относительно большого тока I0дифференциального каскада;

- увеличение диапазона активной работы дифференциального каскада (например, выполнение дифференциального каскада на полевых транзисторах);

- применение так называемой нелинейной коррекции.

Полоса максимальной мощности напрямую связана со скоростью нарастания выходного напряжения. Максимально возможное напряжение на выходе усилителя при заданной частоте можно най-ти, воспользовавшись следующей методикой.

При существовании на выходе ОУ гармонического сигнала его можно представить как:

,

откуда скорость его нарастания:

.

Максимальная скорость нарастания, естественно, будет вблизи перехода сигнала через нуль:

, (21)

так как эта скорость не может превышать быстродействие усилителя. То есть выражение (21) устанавливает связь между максимальными частотой сигнала и его амплитудой и быстродействием усилителя:

(22)

или

. (23)

Для усилителей типа К140УД7 n » 0,67 В/мкс, поэтому максимальная амплитуда выходного напряжения 10 В может быть получена на предельной частоте, составляющей 10,7 кГц. Дальнейшее повышение частоты входного сигнала потребует снижения амплитуды выходного напряжения для получения неискажённого сигнала, несмотря на то что малосигнальная полоса пропускания усилителя может составлять 1000 кГц и более.

2. Исследование неинвертирующего включения ОУ

Благодаря большому собственному коэффициенту усиления ОУ, на его основе легко выполнить усилитель с заданным коэффициентом усиления, так называемый масштабирующий усилитель.

Исследование неинвертирующего включения ОУ можно начать со схемы повторителя (рис. 7).

В качестве усилителя можно выбрать макромодель любого ОУ с биполярными транзисторами на входе, имеющуюся в библиотеке, например К140УД7 (mA741).

 Скачать реферат