Частота_единичного_усиления_операционного_усилителя

Частота_единичного_усиления_операционного_усилителя

Характеристики операционных усилителей

Усилительные характеристики

Коэффициент усиления К равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряжению (току) при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от 10 3 до 10 7 .

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 1.3).

Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Рис. 1.3

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +U вых (max) , -U вых (max) . Эти напряжения близки к напряжению источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления.Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: K uоу = U вых / U вх . Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами,которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Амплитудные характеристики, представленные на (рис. 1.3), проходят через нуль. Состояние, когда U вых = 0 при U вх = 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U вх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (U вых = + U вых или U вых = — U вых ).

Дрейфовые характеристики

На (рис. 1.4) показан вид передаточной характеристики реального ОУ.

Рис. 1.4

Напряжение U смо , при котором U вых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения U смо и U вых связаны соотношением U смо = U вых / К uоу . Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.

Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на (рис. 1.5), из которого видно, что при достаточно больших значениях U сф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала К сф резко возрастает.

Рис. 1.5

Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала .

Входные характеристики

Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ , которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.

Входной ток смещения — ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада ОУ. Он обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входной ток сдвига — это разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов ОУ. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

Начальные входные токи смещения ОУ с дифференциальным каскадом на биполярных транзисторах определяются токами без транзисторов при заземленных выводах, а при наличии каскадов на полевых транзисторах — токами утечки затворов.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих входов включаются резисторы (рис. 1.6). При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах R1 и R2 будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и соответственно вызовет появление на выходе некоторого напряжения (разбаланса).

Рис. 1.6

Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада.Для защиты между входами ОУ включаются встречно — параллельно два диода и стабиллитрона.

Следует различать дифференциальное входное сопротивление т.е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т.е. сопротивление между объединенными обоими входами и землей.

Выходные характеристики

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

Энергетические характеристики

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов — его скоростными или динамическими параметрами.

Читайте также:  Методика_проведения_искусственного_дыхания_рот_в_рот

Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно — частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.

На (рис. 1.7) представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией.

На низких частотах коэффициент усиления без ОС очень велик. АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f ср . Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте f гр , которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в корень квадратный из 2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.

Рис. 1.7

Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Усиление без ОС на частоте равно полосе пропускания, деленной на частоту входного сигнала.

При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K, где K — числовое значение коэффициента усиления по напряжению.

Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом. Последовательная RC — цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6дБ/окт.

Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных R и C, то он также имеет скорость спада АЧХ 20дБ/дек. Для трехкаскадного ОУ коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом получается достаточно громоздкое выражение, поэтому часто пользуются весьма наглядной и простой для понимания диаграммой Боде — графиком зависимости десятичного логарифма Коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты. Это удобно, так как значения коэффициентов усиления каскадов, выраженные в децибелах, можно складывать, вместо того чтобы их перемножать. Таким образом, АЧХ его каскадов можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и графически их сложив.

Так как интегральные ОУ без ОС практически не применяются, необходимо определить влияние ОС на АЧХ ОУ. Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.

Коэффициент усиления по контуру ОС, как видно из (рис. 1.8), есть разность между коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.

Рис. 1.8

В том случае когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного усиления есть величина постоянная.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот Фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазочастотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC — цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно — частотной и фазово — частотной характеристик.

Критерий устойчивости ОУ иногда выражается через запас устойчивости по фазе, который представляется в виде суммы фаз Ф = 180° + . Положительный запас устойчивости ОУ по фазе является показателем его устойчивости. Отрицательный запас по фазе характерен для неустойчивого ОУ. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь запас устойчивости по фазе около 45° .

Устойчивость ОУ можно оценить и по частоте, находящейся в полосе его пропускания. Если половина периода этой частоты равна времени задержки распространения сигнала по контуру ОС, то в ОУ возникают колебания.

В реальных условиях работы ОУ всегда имеют место паразитные эффекты и паразитные элементы, которые могут приводить к дополнительному увеличению сдвигов фазы по петле ОС и нарушать устойчивое состояние ОУ.

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать АЧХ ОУ.

Скоростные характеристики

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Скорость нарастания выходного напряжения U вых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U вых до 0,9U вых . Время установления выходного напряжения t уст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. В ряде схем ОУ допускается введение корректирующих цепей, улучшающих параметры U вых и t уст . Для ОУ U вых = 0.1:100 в/мкс, а t уст = 0.05:2 мкс.

Читайте также:  Сетка_для_склеивания_бампера

1.6. Параметры операционных усилителей

Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Для полной характеристики ОУ необходимо учитывать более 30 параметров. Знание параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет не только выбрать наиболее подходящий тип ОУ для конкретной цели, но зачастую обходиться без дополнительных испытаний.

Коэффициент усиления ОУ ) равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному сигналу (току) при отсутствии ОС (рис. 1.11, ,). Коэффициент усиления ОУ является функцией частоты и с ее увеличением падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из характеристик отдельных внутренних каскадов, каждый из которых имеет свою собственную постоянную времени и может быть представлен в виде RC-цепочки.

Суммарная частотная характеристика ОУ аппроксимируется диаграммой Боде (рис. 1.11, а). Каждый каскад вносит фазовый сдвиг 90°, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид (рис.1.11, а, кривая 2) . Поскольку на выходе ОУ уже имеется сдвиг фазы 180° относительно инвертирующего входа, на который подается отрицательная ОС, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фазы достигает 360°. Если на этой частоте

где β – коэффициент ОС, то отрицательная ОС превращается в положительную, что приводит к самовозбуждению схемы.

Частотная коррекция предотвращает самовозбуждение схемы. Для этого вводят специальные частотно-зависимые корректирующие цепи, которые снижают коэффициент усиления на высоких частотах, приближая характеристику ОУ к звену первого порядка (рис.1.12). Частотная коррекция может быть как внутренняя (140УД7, 544УД1), так и внешняя (553УД2, 140УД5).

Входное сопротивление (RВХ) определяется как отношение ∆UВХ/∆IВХ при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это два разных понятия,

значения их могут отличаться на несколько порядков. Типовые значения RВХ на низких частотах для биполярных входов – 10 4 – 10 8 Ом, для полевых – 10 7 – 10 12 Ом.

Выходное сопротивление (RВЫХ) – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания (UХХ/IКЗ), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков-сотенОм. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротивление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовые значения RВЫХ для ОУ широкого применения 100– 1000Ом.

Входной ток смещения (IВХ) ток, протекающий во входную цепь ОУ, необходимый для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых – ток утечки затвора). Под IВХ подразумевают среднее арифметическое двух токов IВХ+ и IВХ. Для ОУ разных типов входной ток смещения изменяется в широких пределах: для биполярных входных транзисторов – 10 -5 – 10 -8 А, для полевых – 10 -9 – 10 -12 А. В справочных данных обычно приводятся сильно завышенные значения IВХ.

Разность входных токов (ток сдвига) (ΔIВХ=|IВХ+– IВХ-|) определяется при заданном значении входного напряжения. Разность ΔIВХ вызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет 1 – 5мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).

Напряжение смещения (UСМ) определяется как разность напряжений на входах, при котором UВЫХ=0 при оговоренных сопротивлениях резисторов, подключаемых к входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют электродвижущая сила (ЭДС) смещения (EСМ). Для ОУ с биполярными транзисторами на входе UСМ зависит в основном от разброса напряжений (ΔUЭБ) эмиттерно-базовых переходов и составляет 1 – 10мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе UСМ обычно в несколько раз больше (до 30мВ), что объясняется их меньшей крутизной.

Если на оба входа ОУ, не охваченного отрицательной обратной связью, подать точно равные напряжения (наприм
ер, оба входа заземлить), на выходе, скорее всего, будет наблюдаться уровень, близкий к одному из питающих напряжений, то есть ОУ войдет в режим ограничения:

Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выходное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балансировка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного дифференциального усилителя (ДУ) с помощью переменного резистора, подключаемого к специальным выводам. Операционные усилители некоторых типов таких выводов не имеют и балансируются по входу.

Средний температурный дрейф напряжения смещения (∆UСМ/∆T) максимальное изменение UСМ при изменении температуры на 1 °C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в микровольтах на градус Цельсия (мкВ/°C). Типовые значения для биполярных входов 5 – 20мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20 – 100мкВ/°C. Если UСМ можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток (IВХ) и разность входных токов (ΔIВХ) тоже изменяются с температурой.

Читайте также:  Клумба_с_фиолетовыми_цветами

Частота единичного усиления (f1) – это частота, на которой

Характерная зависимость коэффициента усиления от частоты приведена на рис.1.11, а и 1.12, где логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) пересекает уровень 0дБ в точках f1.

Граничная частота (fГР) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3децибела:

Область частот 0– fГР называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу пропускания (см. рис.1.12, кривая 2).

Скорость нарастания выходного напряжения определяется как dUВЫХ/dt при воздействии импульса большой амплитуды. Измеряется в вольтах на микросекунду (В/мкс). Для разных ОУ меняется в пределах от 0,1В/мкс (прецизионные ОУ) до 100В/мкс (быстродействующие ОУ). Этот параметр становится важным, если ОУ используется в качестве компаратора (различителя) уровней сигналов в быстродействующих схемах.

Диапазон выходного напряжения (ΔUВЫХ) это диапазон значений выходного напряжения, при котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходе верхняя и нижняя границы диапазона различны. Например, для операционного усилителя:

544УД2 ΔUВХ = 10 В при ЕП =±15 В (симметричный выход);

140УД5 ΔUВХ =+6 В/4 В при ЕП =±12 В (несимметричный выход).

Диапазон синфазных входных напряжений (ΔUВХ.СФ) это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. Примерно на 3 – 5В меньше ЕП.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному, вызывающих одно и то же UВЫХ. Измеряется в децибелах. Для разных ОУ изменяется в пределах от 50дБ (140УД5А) до 120дБ (140УД24).

Максимальный выходной ток (IВЫХ.MAX). Для ОУ, имеющих внутреннюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ – предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1– 400мА.

Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применениях любой из этих параметров может стать самым важным и определяющим выбор типаОУ.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Частота — единичное усиление

Частота единичного усиления fi ( от сотен килогерц до 20 — 30 МГц), на которой К и становится равным единице ( 0 дБ), является максимально реализуемой для данного ОУ частотой усиления. [1]

Частота единичного усиления / i — значение частоты, на которой коэффициент усиления микросхемы равен единице. [2]

Частота единичного усиления ft — значение частоты, на которой коэффициент усиления микросхемы равен единице. [3]

Частота единичного усиления f — частота, на которой коэффициент усиления ОУ равен единице. Максимальное значение f для ОУ может доходить до нескольких десятков мегагерц. [4]

Частота единичного усиления f — значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. [5]

Частота единичного усиления fi — значение частоты, на которой коэффициент усиления интегральной микросхемы равен единице. [6]

Частота единичного усиления f — значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. [7]

Частота единичного усиления , на которой Kvoy -, т.е. ОУ не усиливает входной сигнал, лежит в пределах от 1 до 100 МГц. Это объясняется влиянием емкостей р-п переходов и распределенных емкостей микросхемы. [8]

Частота единичного усиления / ь — частота, на которой коэффициент усиления уменьшается до единицы, изменяется от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц. Этот параметр позволяет оценить динамические свойства ОУ. Из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения на частоте f возможна передача сигнала только малой амплитуды. [9]

Измерение частоты единичного усиления производится по схеме, изображенной на рис. 7.7. Напряжение на выходе УВых выбирается небольшим, чтобы ОУ работал заведомо в линейном режиме. При увеличении сигнала на входе ОУ в два раза это отношение не должно изменяться. [11]

С целью увеличения частоты единичного усиления в схеме входного каскада применены двухколлектор-ные транзисторы, что позволяет уменьшить крутизну входного каскада gmi Ii / PT за счет ответвления части тока эмиттеров VT6 и VT10 через второй коллектор в цепь смещения. [13]

Частотная полоса ОУ определяется так называемой частотой единичного усиления , под которой понимают ту частоту, при которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. [14]

Следует уточнить, что произведение коэффициента усиления на частоту единичного усиления остается постоянным и имеет линейную зависимость только при скорости спада АЧХ — 20 дБ / дек. [15]

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector