ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ в устройствах на микросхемах

August 26, 2014 by admin Комментировать »

В главе рассматриваются основные характеристики операционных усилителей, такие как АЧХ, ФЧХ, предельная рабочая частота, напряжение и ток питания, напряжение смещения, его температурный дрейф, коэффициент ослабления синфазного сигнала и многие другие.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — одна из важнейших характеристик ОУ, характеризует зависимость коэффициента его передачи (усиления) от частоты.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — характеризует частотную зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного.

Модуль коэффициента усиления — значение коэффициента усиления, взятое по абсолютной величине (по модулю).

Предельная рабочая частота — соответствует значению частоты на АЧХ, при которой модуль коэффициента усиления становится равным единице.

Скорость изменения уровня выходного сигнала — характеризует быстродействие усилителя и его предельные частотные характеристики.

Минимальное сопротивление нагрузки — определяет минимальное значение сопротивления, на которое может быть нагружен ОУ неопределенно долгое время.

Напряжение и ток питания, напряжение смещения, его температурный дрейф, коэффициент ослабления синфазного сигнала… — не менее важные характеристики ОУ, значения которых можно узнать из справочников для каждой конкретной микросхемы.

Для наглядности и удобства использования частотные характеристики модуля коэффициента усиления операционных усилителей принято изображать в координатах lg|x| – lg /, рис. 2.1.

Такую зависимость можно описать уравнением прямой: у = —ах + Ь, где y = lg|iCyc |;x = lg/. Тогда lg|x j = —a lg / -ь έ». Коэффициенты а и b можно определить, приравняв у = lg|Kyi. | = 0; х = lg / = 0. В общем случае

Разумеется,

прямой линией в представленных на рис. 2.1 координатах идеально описывается только идеальная амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя. Напомним, что под этой характеристикой понимают частотную зависимость модуля коэффициента передачи. Реально, в силу различных причин конструкционного характера, АЧХ ОУ на практике выглядит несколько иначе, рис. 2.1.

При визуальном анализе амплитудно-частотной характеристики ОУ, рис. 2.1, 2.2, может показаться, что произведение коэффициента усиления на верхнюю граничную частоту (частоту среза f ) не изменяется, однако это не так. В этом несложно убедиться, подсчитав количество квадратиков на рис. 2.2, залитых серым цветом. В порядке сопоставления на рис. 2.2 наряду с АЧХ ОУ приведены им соответствующие фазочастотные характеристики.

Интересной особенностью операционных и не только усилителей является скорость отклика выходного параметра на изменение входного, рис. 2.3, иными словами, скорость изменения уровня выходного сигнала, характеризующая быстродействие усилителя и его предельные частотные характеристики.

Эти характеристики, называемые переходными, сугубо индивидуальны для каждого конкретного типа (разновидности) микросхем. Они определяются особенностями их внутреннего строения, в частности, RC-элементами, входящими в состав микросхемы, или подключаемыми к ее цепям коррекции. Как правило, повышенные значения емкостей полупроводниковых элементов, слагающих микросхему, наличие паразитных емкостей, емкостных связей ограничивает скорость реакции микросхемы на изменение уровня входного сигнала, ограничивает предельную частотную область применения микросхемы.

При анализе зависимости выходного напряжения от уровня входного для любого усилителя можно выявить ярко выраженную нелинейность.

Примечание.

Рис. 2.1. Идеальная (предельная) и реальная амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя k = 201дК, дБ

Она обусловлена тем, что в своей основе усилитель, как сложнотехническое устройство, содержит множество нелинейных элементов.

Рис< 2.2. Типовые амплитудно-частотные (слева) и им соответствующие фазочастотные (справа) характеристики операционных усилителей при изменении глубины обратной связи

Так, например, величина максимально возможного выходного сигнала усилителя ни в коей мере не может превышать напряжения питания. В области малых входных напряжений нелинейности ярко проявляются в связи с тем, что нелинейные свойства полупроводниковых приборов наиболее ярко выражены в области пониженных напряжений.

Рис. 2.3. Переходные характеристики операционного усилителя при ступенчатом изменении уровня входного сигнала

Зависимость нормированного значения выходного напряжения усилителя U

—от уровня входного UBX можно выра-

^тах

зить в виде:

где Umax — предельно достижимый уровень выходного напряжения; А и В — взаимосвязанные нормировочные коэффициенты; а — постоянная.

На рис. 2.4 приведены примеры упрощенных вариантов применения этого уравнения для описания зависимостей UBbDt = /(UBX). Показанные зависимости характерны для простых ОУ. На рисунке отчетливо можно выделить зоны насыщения (область повышенных входных напряжений), зону нечувствительности (область малых входных напряжений), область релейного переключения из состояния «выключено» в состояние «включено». Идеальной следует считать строго линейную зависимость ивых. = / (UBX ), реализовать которую особенно на начальном и завершающем участке характеристики (область малых и больших сигналов, соответственно) затруднительно.

Нелинейность зависимости уровня выходного сигнала от уровня входного обуславливает для любого усилителя привнесение искажений: выходной сигнал по уровням частотных составляющих не отвечает исходному спектру. Для количественной оценки уровня нелинейных искажений исходного гармонического сигнала идеальной синусоидальной формы используют коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник), определяемый отношением квадратного корня из суммы мощностей высших гармоник (выше первой) к мощности исходной первой гармоники.

Таким образом, предполагается, что при подаче на вход усилителя сигнала идеально синусоидальной формы частотой/на выходе устройства помимо основного сигнала частотой/появляются паразитные сигналы с частотами 2/, 3/, 4/и т. д.

Рис. 2.4. Зависимости нормированного выходного напряжения усилителей от уровня входного напряжения (амплитудная характеристика усилителя)

Органолептически, т. е. на слух, в зависимости от степени его развития, можно выявить искажения, имеющие уровень 3—10 %, а визуально, на экране монитора и осциллографа — 15—25 %.

Обычно любой операционный усилитель в силу неидеальности элементов, его составляющих, имеет небольшое флуктуирующее во времени положительное или отрицательное начальное смещение на входе, рис. 2.5. Для операционных усилителей, выполненных на биполярных транзисторах, величина этого смещения лежит в пределах единиц милливольт; для ОУ на полевых транзисторах может достигать десятков милливольт.

Соответственно, если не предпринять меры по компенсации этого смещения, на выходе усилителя будет присутствовать постоянная составляющая.

Коэффициент усиления операционного усилителя, рис. 2.5, определяют как отношениеили, что тождественно, как тангенс угла

наклона касательной к кривой амплитудной характеристики усилителя. Разумеется, величина этого коэффициента на различных участках кривой амплитудной характеристики, рис. 2.5, заметно разнится: на краях она падает до нуля, а в центральной части графика приближается к максимуму.

Рис. 2.5. Амплитудные характеристики операционного усилителя:

1           — без обратной связи;

2           — с обратной связью

Определение.

Отношение уровня максимального входного сигнала при заданном (оговоренном) уровне нелинейных искажений к минимальному уровню входного сигнала при заданном (оговоренном) уровне соотношения сигнал/шум называют динамическим диапазоном усилителя, обычно выражаемым в дБ.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты