Рефераты. Операционные усилители






при больших значениях K (и, соответственно, малых ) условие (15)

выполняется, причем имеется достаточный запас устойчивости по фазе. При

K1 должен быть по абсолютной

величине меньше 120°. При этом для любого коэффициента обратной связи 01 она была аналогична характеристике фильтра нижних частот

первого порядка (т.е. имела бы вид рис. 2). Так как нежелательные

инерционные звенья с частотами среза f2 и f3, как это показано на рис. 13,

не могут быть устранены из схемы усилителя, то необходимо путем выбора

конденсатора коррекции Ск (см. рис. 10) так уменьшить частоту среза f1

основного инерционного звена, чтобы условие |KU| 1. Как видно из рис. 16, ширину полосы

пропускания ОУ без обратной связи можно увеличить с 10 Гц до 100 Гц

уменьшением Ск от 30 пФ до 3 пФ. При этом полоса пропускания усилителя с

обратной связью возрастет со 100 кГц до 1 МГц.

[pic]

Рис. 16. Зависимость полосы пропускания от коэффициента усиления при

подстраиваемой частотной коррекции

Для того, чтобы можно было осуществить такие изменения частотной

коррекции, выпускаются операционные усилители, у которых отсутствует

корректирующий конденсатор, а вместо него выведены соответствующие точки

схемы (например, 153УД6, 140УД14). В других вариантах, например, в

усилителях 544УД2, осуществляется неполная частотная коррекция с

уменьшенным значением корректирующей емкости. Для подключения

дополнительного конденсатора (чтобы обеспечить устойчивость при значениях

b, близких к единице) также имеются соответствующие выводы. В паспортных

данных некоторых типов ОУ указываются минимальные значения коэффициентов

усиления ОУ в неинвертирующем включении, при которых усилитель сохраняет

устойчивость. Например, для ОУ AD840K это значение составляет 10, для

ОРА605К - 50 и т.д. Изготавливаются усилители с одинаковой схемотехникой,

одни из которых имеют встроенный корректирующий конденсатор, а другие - без

такого конденсатора. Например, некоторые фирмы выпускают ОУ типа ОР-27 и ОР-

37 (отечественные аналоги, соответственно, 140УД25 и 140УД26). Первый из

них имеет встроенный корректирующий конденсатор, частоту единичного

усиления fт = 8 МГц, максимальную скорость нарастания - 2,8 В/мкс, и

работает устойчиво вплоть до 100%-ной обратной связи. ОУ типа ОР-37 не

имеет корректирующего конденсатора. Его частота единичного усиления fт = 60

МГц, скорость нарастания - 17 В/мкс. Он работает устойчиво при

коэффициентах усиления входного сигнала более пяти.

В комплексе мероприятий по обеспечению устойчивости схемы с операционным

усилителем (особенно быстродействующим) важное место занимает его

правильный монтаж. Проводники, соединяющие резисторы обратной связи с

инвертирующим входом усилителя, должны иметь минимальную длину. При

невыполнении этого правила на входе ОУ образуется паразитная емкость,

которая при наличии плоскостей заземления может составлять 0,4 пФ на

миллиметр проводника. Эта емкость совместно с резисторами обратной связи

образует дополнительное инерционное звено в петле обратной связи,

уменьшающее запас устойчивости по фазе. Некоторую компенсацию этого эффекта

дает включение конденсатора равной емкости между выходом ОУ и инвертирующим

входом.

Скорость нарастания

Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает

еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения

ограничивается при этом довольно малой величиной. Максимальное значение

скорости нарастания r определяется в основном скоростью заряда

корректирующего конденсатора:

[pic]

Максимальный выходной ток дифференциального каскада (см. рис. 10) равен

току источника в цепи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2. Принимая его равным

20 мкА, найдем для емкости корректирующего конденсатора Ск=30 пФ:

pмакс = 0,67 В/мкс.

Вследствие ограниченного значения этой величины, при быстрых изменениях

выходного напряжения возникают характерные искажения сигнала, которые не

могут быть устранены путем введения отрицательной обратной связи. Их

называют динамическими искажениями. Если входной сигнал усилителя -

синусоида, то, чем больше ее амплитуда, тем при меньшей частоте появляются

динамические искажения.

Компенсация емкостной нагрузки

Если операционный усилитель имеет емкостную нагрузку, то последняя вместе

с выходным сопротивлением усилителя образует инерционное звено, которое

дает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения. Все это уменьшает

запас по фазе, и схема усилителя может самовозбудиться уже при

незначительной величине нагрузочной емкости. Порой достаточно коснуться

выхода усилителя щупом осциллографа, чтобы усилитель начал

самовозбуждаться. Для устранения этого явления в цепь обратной связи

включается дополнительный конденсатор Сф (рис. 17). В этом случае обратная

связь представляет собой интегродифференцирующее фазо-опережающее звено,

создающее в окрестности частоты среза положительный фазовый сдвиг,

компенсирующий запаздывание, вносимое емкостью нагрузки.

[pic]

Рис. 17. Компенсация емкостной нагрузки

1.8. Параметры операционных усилителей

Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы:

точностные, динамические и эксплуатационные.

К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления

по напряжению KU, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС,

напряжение смещения нуля Uсм, входной ток Iвх, разность входных токов по

инвертирующему и неинвертирующему входам Iр, коэффициент влияния источников

питания Kв.ип и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных

параметров. Действие точностных параметров проявляется в том, что при

постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от

расчетного, определяемого выражением (4). Для сопоставления погрешности

приводят ко входу ОУ.

Определим погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального

коэффициента усиления. Пусть на вход неинвертирующего усилителя с

коэффициентом передачи звена обратной связи подано постоянное напряжение

Uвх. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом KU определится

соотношением:

Uвых = Uвх (16)

При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину Uвых:

Uвых+Uвых = UвхKU/(1+KU) (17)

Вычтя из (17) (16), получим:

Uвых = -Uвх /(1+KU) (18)

Как следует из (16), соответствующее отклонение, приведенное ко входу, с

точностью до величин второго порядка малости:

Uвх=Uвых,

откуда находим окончательно относительную погрешность, приведенную ко

входу:

|[pic] |(19) |

Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного

сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого

усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное

соотношение:

|[pic]. |(20) |

Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть

определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является

функцией как дифференциального Uд=Up-Un, так и синфазного Uc=(Up+Un)/2

входных напряжений:

Uвых=Uвых(Uд,Uс)

Приращение этого напряжение определяется соотношением:

[pic]

, или

Uвых =KUUд +KсUс , (21)

где Kс - коэффициент усиления синфазного сигнала. При Uвых = 0 из (21)

следует:

[pic]

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение

дифференциального входного напряжения Uд следует приложить ко входу

усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.

Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля усилителя. Смещение нуля

ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при

отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля,

приведенное ко входу, т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на

коэффициент передачи цепи обратной связи. Смещение нуля является

результатом действия двух факторов: собственно напряжением смещения Uсм, и

постоянными входными токами усилителя I +вх и I-вх (см. рис. 11). Величина

Uсм определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых

переходов входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на

биполярных транзисторах или напряжений затвор-исток в ОУ с полевыми

транзисторами на входах. Эта величина составляет 0,1 - 5 мВ для усилителей

общего назначения с биполярными и 0,5 - 20 мВ с полевыми транзисторами на

входе. Путем лазерной подгонки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ

(МАХ400М) у первого типа усилителей и до 100 мкВ (ОРА627В) у второго.

Дальнейшее снижение смещения нуля достигается применением схем

автоматической компенсации смещения нуля. Например, ОУ с прерыванием имеют

типичное напряжение смещения нуля менее 1 мкВ (ICL7650S, MAX430). Снизить

Uсм можно подстройкой внешним резистором, для подключения которого

некоторые операционные усилители (например, 140УД7, 140УД8) имеют

специальные выводы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.