Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (что равно частоте, на которой коэффициент усиления равен единице) у операционных усилителей обычно равно 1 МГц. Реальный частотный диапазон может быть значительно расширен при применении в схеме с ОУ отрицательной обратной связи, о чем будет подробно изложено далее.
Сноростпь нарастпанил выходного сигнала Скорость нарастания выходного сигнала относится к частотным параметрам ОУ. Когда входное напряжение меняет свое состояние от низкого к высокому или наоборот, соответствующее изменение выходного напряжения происходит неодновременно. Другими словами, выходному напряжению требуется конечное время, чтобы меняться в соответствии с изменениями входного. Скорость нарастания выходного сигнала является мерой того, как быстро выходное напряжение ОУ может меняться в ответ на изменение частоты и амплитуды на входе.
Максимальная скорость, с которой выходное напряжение может меняться, называется скорость нарастания входного сигнала, она измеряется в В/мкс. Скорость нарастания накладывает другие ограничения на параметры усилителя. Чем вызвана конечная скорость нарастания выходного сигналау В схемах ОУ обычно присутствуют конденсаторы (такие, как конденсатор емкостью 30 пФ в ОУ 741) как часть частотно-компенсирующей цепи для обеспечения стабильности и улучшающие малосигнгльные частотные характеристики усилителя.
Внутренним емкостям требуется время, чтобы зарядиться до уровня выходного напряжения, следовательно, внутренние емкости ограничивают возможность выходного напряжения немедленно следовать быстрым изменениям входного напряжения. Из теории электрических цепей известно, что скорость нарастания напряжения на конденсаторе можно выразить, следующим образом: ди,/с)1 = 1/С.
~~~374 Глава И. Дифференциальные и операционные усилиглели Когда изменение тока 1 достигает своего максимального значения, скорость нарастания напряжения становится постоянной. Если взять напряжение на конденсаторе как выходное напряжение, зарядный ток пакле дывает ограничение на скорость изменения выходного напряжения. Если максимальный ток заряда будет, например 60 мкА, тогда максимальная скорость изменения напряжения на конденсаторе 30 пФ див/Ж = дио/М = 60 мкА/30 пФ = 2 В/мкс.
Следовательно, чтобы выходное напряжение увеличилось до 10 В, требуется время 5 мкс. В технических характеристиках обычно указываетсл скорость нарастания выходного сигнала при единичном усилении (т. е. когда выходное напряжение = входное напряжение). Примем, что входное напряжение и; и выходное напряжение ио — синусоидзльные колебания с амплитудой 1~~ и частотой ы, тогда их можно выразить как и; = К„з1пю1 и ио ~ т з1п (о1. Скорость изменения выходного напряжения равна Йио/а1 = 1~~м сових. Она максимальна при соз и8 = 1, тогда скорость нарастания входного сигнала (оЯ ) равна иио/ив 1 ниах или ЯГс = 2я/~', (13.29) где / — частота входного сигнала, Ъ',и — амплитудное значение входного сигнала.
Если налагаемое уравнением (13.29) ограничение на входную частоту и максимальное выходное напряжение превышается, конечная скорость нарастания выходного сигнала вызовет его искажение. Уравнение (13.29) дает максимальную частоту работы при требуемой амплитуде сигнала как ЯЯ 2я$" ' При частотах / ) /п,аа синусоидзльное входное напряжение будет превращаться на выходе в треугольную форму — зто искажение от конечной скорости нарастания выходного сигнала. Для любых частот ниже /„,ах уравнение (13.29) определяет максимальное неискаженное колебание выходного напряжения.
Входной тон смещения В идеальном ОУ, когда инвертирующий или неинвертирующий вход за землен (к любому из входов не приложено никакого внешнего напряже- ния), предполагается, что постоянные токи смещения 1вь и 1нз, втекающие в инвертирующий или неинвертирующий вход, будут равны нулю (рис. 13.27). В реальных ОУ базовые токи 1в1 и 1нэ не равны нулю. Это происходит потому, что хотя все элементы схемы произведены в одном кристалле и при одинаковых технологических процессах, характеристики двух транзисторов каскада дифференциального усилителя не во всем идентичны.
В характеристиках ОУ приводится входной ток смещения 1в, который равен среднему +рос значению токов 1н1 и 1вэ,т.е. 1 = . (13.30) Ф + Значение входного тока смещения 1н очень ~~о мало, оно может быть в диапазоне от нескольких наноампер до нескольких сотен наноампер.
Например, у операционного усилителя дА741 1в = 500 нА при максимальном напряжении питания (Ъсс и Ъкк) = ж15 В. У более поздних -рлл СОВРЕМЕННЫХ ОУ ВХОДНОЙ тОК СМЕЩЕНИЯ ЕЩЕ рис. 13.27. Несовпадение более снижен. Чем меньше входной ток смеще- двух половинок дифференпиния, тем лучше ОУ. Величина входного тока аланого усилителя вызывает смещения отражает степень несовпадения эле- ненулевые Вазовы~ тонн прн нулевом входном напряжении ментов прибора.
Хотя входной ток и мал, он может вызывать выходное напряжение (называемое выходным напряжением смещения), при напряжении обоих входов, равных нулю. При изучении конкретных схем мы рассмотрим способы минимизации влияния конечного (ненулевого) значения входного тока смещения. Разность входных токов В реальных ОУ из-за внутренних несовпадений элементов в схемах ОУ токи 1н1 и 1вэ (рис. 13.27) не равны между собой.
Разность входных токов 1;„, указываемая в технических характеристиках, показывает, насколько максимально эти токи могут отличаться. То есть, 1во = ~1н1 — 1вэ). ОУ 741 имеет максимальный 1не равный 200 нА, что означает, что ток базы 1н~ может быть больше или меньше 1вз максимум на 200 нА. У операционных усилителей с входным каскадом на полевых транзисторах значение 1во чрезвычайно мало, 1 нА или меньше. Разность входных токов 1;, вызывает разность потенциалов между двумя входами ОУ, что приводит к смещению выходного напряжения. Однако в действительности 1ы намного меньше, чем входной ток сме- ~~~376 Глава И.
Дифференциальные и операционные рсилипзвли Входное напряжение смещения Входное напряжение смещения щв — дифференциальное входное напряжение, существующее, когда входы ОУ никуда не подключены. У иде. ального ОУ входное напряжение смещения равно нулю. В реальных ОУ невозможность получения точно одинаковых параметров у двух транзисторов входного (первого) дифференциального усилительного каскада приводит к ненулевому значению инв Оно усиливается последующими каскадами ОУ и приводит к появлению выходного напряжения смещения ив (рис.
13.28). Выходное напряжение смещения и„является ошибкой и должно быть минимизировано. Далее и, является постоянным напряжением, которое может быть положительно или отрицательно, в зависимости от знака щв. Чтобы уменьшить ивв до нуля, требуется между входами ОУ приложить напряжение соответствующей полярности, равное по амплитуде входному напряжению смещения. Например, ОУ 741 имеет и;„= 6 мВ, что означает, что максимальная разность потенциалов между входами может быть до 6 мВ. Это напряжение может быть положительным или отрицательным у ОУ одного типа (даже из одной упаковки) и может отличаться от прибора к прибору, но всегда будет не больше 6 мВ (у операционных усилителей 741). +15 (+ксс) +иве 10 ком Рис.
13.29. Регулировка входно- го нвнряжения смещения Рис. 13.28. Входное напряжение смещенил создает выходное на- пряжение смещения е„, ОУ 741 имеет встроенную цепь, называемую цепью компенсации входного напряжения смещения, чтобы установить щ„с требуемой полярностью и значением. Для этого следует к выводам регулирования смещения 1 и 5 подключить потенциометр сопротивлением 10 кОм, движок ко- щения Ен (уравнение (13.30)). Следовательно, достаточно принять меры только для устранения влияния 19 и игнорировать меньшее влияние раз- ности входных токов.
торого подключается к источнику отрицательного напряжения (вывод 4), как это показано на рис. 13.29. Регулировкой потенциометра выходное напряжение снижается или доводится до нуля. На рис. 13.30 изображен способ компенсации напряжения смещения внешней схемой. Потенциометр регулируется так, чтобы входное напряжение смещения е,с, вызванное им, удаляло выходное напряжение смещения. Элементы схемы Л, Лл и Вв подбираются так, чтобы не нарушить нормальную работу схемы усилителя. й/2 Р нгмк е а) б) +Усс Ущенах) = Усе Уи,(тах) = -Уса (П) е) ать р на Ун г) Рнс. 13.30. Комиенсенин смещении внешней схемой Схему компенсации можно проанализировать при помощи эквивалентной схемы правой части от точки Р (рис. 13.30, а). Максимальное эквивалентное сопротивление Вть сх) получается, когда движок потенциометра ровно посередине потенциометра.
Из рис. 13.30, б получаем В В В )1ть(пих) = 2 2 4 Максимальное эквивалентное напряжение 1гта~ ) равно Ъсс или — 1гнн ~~~378 Глава 1у. Ди4ференциальные и операционные усилители при двух крайних положениях движка потенциометра, как изображено на рис. 13.30, в. С помощью Ъсть<тлл) и Вть~~ ) схему компенсации на рис. 13.30, а можно представить в виде рис. 13.30, б, тогда имеем Вв исо (Вт В В ) тЫ,тьл) ( ) Следует выбрать Вл > Втю чтобы Вл незначительно влиял на Ъум Так же и Вл » Вн, чтобы большая часть тока смещения ОУ протекала черезВн.
А Вн обычно выбирается менее 100 Ом. При условии Вл > > Вть > Вв уравнение (13.31) можно приблизительно записать как исо = ВВ ' 1 ЯА~ где (13.32) Ъ' = )ть = !Рсс1 = 1Рии1 13.13. Заключение Среди многотранзисторных схем особый интерес представляет дифференциальный усилитель.
В нем применены совпадающие по характеристикам транзисторы, чтобы они могли усиливать разность двух сигналов, приложенных к двум его входам и в то же время подавлять синфазные сигналы. Требования к симметрии дифференциального каскада легко удовлетворяются в большей степени в формате интегральной схемы. Характеристики дифференциального усилителя можно улучшить примене. нием смещения источником стабильного тока. Для этого есть несколько способов, таких как смещение постоянным током с диодной компенсацией или применение биполярного транзистора в режиме стабильного тока. Можно также применять смещение стабильным током на основе стабилитрона. Другой важный параметр дифференциального усилителя — это его высокий входной импеданс.
Биполярные усилители обычно имеют входной импеданс в сотни килоом, а дифференциальные каскады на полевых транзисторах — несколько сотен мегаом. Операционные усилители чрезвычайно удобны, и становятся почти обязательными для любой аналоговой схемы. Они также широко применяются и в цифровых схемах. Операционный усилитель по существу является многокаскадным усилителем с непосредственной связью, с большим коэффициентом усиления, с двумя входами. Первый каскад ОУ вЂ” дифференциальный входной каскад В р 179)) Дополнительная литература по теме 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
