М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 54
Текст из файла (страница 54)
10.17). Точно так же„как в интеграторе ОУ увеличивает эффективное значение емкости в число раз, равное коэффициенту усиления усилителя без обратной связи, ОУ в дифференциаторе уменьшает эффективное сопротивление резистора Я в цепи обратной связи в такое же число раз. Этим обеспечивается почти идеальное дифференцирование; в частности, при подаче на вход прямоугольного колебания на выходе возникают очень короткие импульсы, соответствуюшие скачкам входного сигнала (рис. 11.21). На практике работать с дифференциаторами на основе ОУ трудно из-за их большой восприимчивости ко всевозможным шумам во входной цепи, в частности, по отношению к импульсам помех, которые могут наводиться от электрических переключений и т.п.
Действуюшее напряжение шума может быть совсем небольшим, но часто скорость его изменения весьма велика и это приводит к большим по величине паразитным сигналам на выходе дифференциатора. По этой причине избегают применения дифференциаторов в практических схемах везде, где это только возможно. Если нельзя обойтись без дифференциатора, то можно понизить чувствительность к помехам, ослабляя эффективное усиление в усилителе на высоких частотах. Для этого последовательно с конденсатором С включают резистор (типичное сопротивление 1 кОм), а параллельно резистору Я,, — конденсатор небольшой Преобразователь тока в напряжение 299 "! Рис. ! !.2!. Входной сигнал прямоугольной формы и соответствуюшее ему выходное напряжение дифференпиатора на основе ОУ.
емкости (типичное значение 100 пФ), и экспериментально подбирают значения этих параметров так, чтобы достичь приемлемого компромисса между чувствительностью к помехам и точностью дифференцирования. 11.10 Преобразователь тока в напряжение В большинстве случаев электронные схемы предназначены для обработки сигналов, представленных в виде напряжения. Однако иногда приходится иметь дело с сигналом в виде тока; такие сигналы возникают, например, на выходе фотоумножителя или фотодиода. Тогда желательно при первой возможности преобразовать токовый сигнал в напряжение. Простейшим преобразователем тока в напряжение является одиночный резистор (рис. 11.22(а)), но у такого преобразователя относительно велики входное и выходное сопротивления (равные А). Для токового входного сигнала не требуется, чтобы входное сопротивление было большим; чем оно больше, тем хуже частотная характеристика на высоких частотах, когда значительной является собственная емкость источника сигнала.
На рис. 11.22(Ь) показан преобразователь тока в напряжение на основе ОУ; в этой схеме входной ток течет непосредственно в мнимую землю. Здесь входное сопротивление очень мало, и это значит, что емкость кабеля фактически не действует. Кроме того, выходное сопротивление схемы также мало благодаря ОУ. 300 «Строп(пельные йлокии аналоговой электроники на интегральных микросхемах (а) (Ь( е, И тачмнки питаюю паккчвчамм, как н» рна.
11.5 Рис. 11.22. Преобразователи тока в напряжение: (а) простой резистор, (Ц вариант с мнимой землей. Используя обычные предположения об ОУ, имеем Поскольку Š— это мнимая земля, то 1та1 )~('1/ )~/(ап ° (11.б) 11.11 Частотные характеристики схем на основе ОУ Чтобы обеспечить устойчивость при любой глубине обратной связи, ИС 741, подобно большинству ОУ, содержит внутренний конденсатор коррекции, который обеспечивает на высоких частотах спад первого порядка ( — 6 дБ на октаву).
Таким образом, максимальный сдвиг по фазе не может превосходить 90' на всех частотах, где коэффициент усиления без обратной связи больше единицы; следовательно, обратная связь не может стать положительной и вызвать неустойчивость (см. параграфы 4,6 и 7.7). Частотные характериопики схем на основе ОУ 301 Хотя в простых схемах с минимумом внешних компонентов и осуществляют внутреннюю коррекцию, это накладывает ненужное ограничение на ширину полосы усилителя с коэффициентом усиления напряжения больше единицы. Происходит это потому, что внутренняя коррекция должна быть достаточной для обеспечения устойчивости схемы в режиме повторителя напряжения (с единичным коэффициентом усиления, со 100%-ной обратной связью).
Устойчивость могла бы быть достигнута и при ббльших коэффициентах усиления с меньшим ослаблением на высоких частотах, но фиксированная коррекция в ОУ, подобных ИС 741, означает, что жертвуют шириной полосы, в пределах которой коэффициент усиления больше единицы. Произведение усиления на полосу фиксировано и равно примерно 1 МГц (ширина полосы измеряется на уровне — 3 дЬ), что приводит к частотным характеристикам, показанным на рис. 11.23. Например, при коэффициенте усиления, равном 100, частотная характеристика падает приблизительно на 3 дЬ на частоте !О кГц.
Это значение не соответствует требованиям, которые в большинстве случаев предъявляются к аппаратуре звукового диапазона; следовательно, для получения приемлемого качества коэффициент усиления олиночной ИС 74! с обратной связью в устройствах звукового диапазона должен быть ограничен значением порядка 20. Ограничения на ширину полосы, накладываемые внутренней коррекцией, будут менее жесткими если ИС 741 заменить на ОУ 748. Внутри ИС 748 идентична ИС 741, за исключением конденсатора коррекции, который отсутствует и должен быть подключен снаружи. Нужен только один конденсатоо, включенный так, как показано на рис.
11 24; его емкость определяется задаваемой глубиной отрицательной обратной связи и нужной шириной полосы. В табл. 1!.1 предлагаются минимальные значения емкости С,, обес- юе (О' :ю' фю( ь ы кв ы (ек (тх (и Чьсзсть (Га( Рис. 11.23. Частотные характеристики усилителя на основе ОУ 74! при различных значениях коэффициента усиленна с обратной связью.
302 «Строительные баакии аиалаювай электроники иа интел)ьзльиых микрасгемах печиваюшие устойчивость при различных коэффициентах усиления с об- ратной связью. Истсчники пиккннп пспкпючсни, кск нп рис П Л Рис. 11.24. Усилитель на основе ОУ 748: показано, как включается конденса- тор коррекции С, и как нужно собрать схему балансировки. Номера выводов даны для корпуса И(. с 8-ю выводами. Табл. 11.1 С, (пФ) В% (кГц) Аксь 30 5 2 1 ! 000 500 200 50 1 10 100 1000 Сравнивая значения ширины полосы (Вчч), указанные в табл.
11.1, со значениями из графика на рис. 11.23, относяшимися к ИС 741, видим, что в случае, когда требуется широкая полоса при большом усилении, ИС 748 является более предпочтительной. Имеется одно небольшое различие между ИС 748 и 741; оно касается балансировки (см. рис. ! 1.24). Поскольку в ИС 748 регулировка производится в другой части схемы, необходим потенциометр с сопротивлением 4,7 МОм, скользяший контакт которого через резистор с сопротивлением 4,7 МОм подключается к земле, а не к шине отрицательного питания.
11.12 Время установления и максимальная скорость нарастания Любой усилитель с внутренней коррекцией, подавляюшей усиление на высоких частотах, требует особого внимания, если нужно пропускать большие по величине скачки напряжения (прямоугольные импульсы). Простая теория ли- Время установления и максимальная скорость нарастания 303 нейного фильтра нижних частот не позволяет правильно предсказать результат. В параграфе 10.4 было показано, что время установления и время спада у ЯС-фильтров нижних частот первого порядка связаны следующим простым соотношением с шириной полосы фильтра: Гь м [(10. 9) [ 3/; где/; — верхняя граничная частота (на уровне — 3 дБ). Это соотношение с успехом применяется для всех линейных систем, но необходимо быть осторожным в отношении его применения к ОУ, поскольку, как правило, оно справедливо только при малых значениях выходного напряжения (обычно < 1 В).
Причина этого заключается в том, что схема на основе ОУ может зайти в режим значительной нелинейности при попытке заставить выходное напряжение изменяться (нарастать) быстрее, чем с определенной скоростью. Основная проблема в следующем: быстрое изменение выходного напряжения означает заряд или разряд корректирующего конденсатора с большой скоростью; для этого, в свою очередь, требуется отдача промежуточными каскадами усилителя значительного тока.
Но ток, который в состоянии отдавать промежуточные каскады, бывает ограничен из соображений экономии расходуемой мощности, и это, со своей стороны, накладывает ограничение на максимальную скорость нарастания напряжения на выходе усилителя. Временные диаграммы на рис. 11.25 иллюстрируют различие между малосигнальным временем установления и максимальной скоростью нарастания в режиме большого сигнала применительно к ИС 741, включенной как повторитель напряжения.
Тогда как время нарастания при малом сигнале составляет приблизительно 0,3 мкс и это согласуется с шириной полосы ! МГц при единичном усилении, изменение выходного напряжения на !О В занимает примерно 20 мкс, так как максимальная скорость нарастания ограничена величиной 0,5 В/мкс. Важно осознать, что, в отличие от времени установления в простой ЯС-цепи, невозможность превышения максимальной скорости нарастания — это следствие нелинейности, результат вхождения одного из каскадов усилителя в режим ограничения. Это означает, что в случае, когда усилителю приходится откликаться на большие по величине сигналы с кругыми перепадами, все другие сигналы в нем блокируются на то время, которое занимает нарастание как реакция на быстрый сигнал.
Это явление называют искажениями из-за конечной скорости нарастания (Ые~ч 1пдцсед 13!а!оп!оп, ЫР) или интермодуляцианньаии искажениями при переходном процессе (Тгапз(епг 1пгегМодц!абоп д(згопюп, Т1М), и оно может вызывать определенные проблемы, если на входе имеются высокочастотные сигналы большой амплитулы. Одно из достоинств ИС 748 состоит в том, что от нее можно получить ббльшие скорости нарастания выходного напряжения, чем от ИС 741, при коэффициентах усиления с обратной связью, ббльших единицы, и это имеет место благодаря тому, что корректирующую емкость можно уменьшить до минимального значения, необходимого для устойчивости. Когда необходимо, чтобы через усилитель проходилн большие сигналы с быстрыми перепадами, применяют такие усилители, как ХЕ5534 или ТЕ071, у которых максимальная скорость нарастания более 7 В/с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
