Характеристики операційного підсилювача

1. Передавальна характеристика ОП

Передавальна характеристика ОП – це залежність вихідної напруги U _вихвід вхідної диференціальної напруги U _{вх д}. Передавальну характеристику ОП наведено на рис. 6.4, яка апроксимована шматково-ламаною лінією.

У передавальній характеристиці ОП можна виділити три характерні області: лінійну область і області насичення. У лінійній області вихідна напруга прямо пропорційна вхідній диференціальній напрузі

U _вих = K _ОП U _вхд. (6.5)

Лінійна область з обох боків (зверху і знизу) обмежена областями насичення. У будь-якому випадку напруга на виході ОП не може перевищити напругу будь-якого з джерел живлення, тобто Е _ж. Максимально можлива вихідна напруга, як правило, приблизно на 2 В менша абсолютної величини живлячої напруги, а при низькоомному навантаженні діапазон зміни вихідної напруги скоротиться ще більше. Отже, можна вважати, що максимальна неспотворена вихідна напруга рівна

U _вихmax» E _ж– 2 В. (6.6)

Оскільки підсилення ОП велике (K _ОП = 10⁵...10⁶), то ширина лінійної зони передавальної характеристики мала. Максимальне значення вхідного диференціального сигналу можна розрахувати

U _{вхд max} » . (6.7)

Рис. 6.4. Передавальна характеристика операційного підсилювача

Наприклад, якщо напруга живлення дорівнює Е _ж = ±15 В, то максимальне значення вхідного диференціального сигналу буде рівне

U _{вхд max} » = 13 мкВ, (6.8)

тобто дорівнює дуже маленькому значенню.

Отже, щоб сигнал на виході ОП був рівний підсиленій вхідній напрузі без спотворень, амплітуда вхідної напруги повинна бути невеликою. При подачі великого вхідного сигналу ОП потрапляє в область насичення, форма вихідного сигналу буде «обрізаною», тобто сильно спотвореною.

У операційний підсилювач звичайно вводять негативний зворотний зв'язок, що створює ряд істотних переваг і дозволяє створити велику кількість різних електронних пристроїв. Оскільки коефіцієнт підсилення ОП має велике значення, то при введенні негативного зворотного зв'язку глибина зворотного зв'язку має велике значення: g = (1 + ВK _ОП) >> 1. Отже, негативний зворотний зв'язок виходить глибоким, тоді

K _ГНЗЗ = . (6.9)

В цьому випадку коефіцієнт підсилення пристрою, виконаного на ОП з глибоким негативним зворотним зв'язком, буде визначатися тільки елементами кола зворотного зв'язку В, тобто зовнішніми елементами, і не буде залежати від коефіцієнта підсилення ОП K _ОП. Змінюючи елементи кола зворотного зв'язку В, можна реалізувати різні електронні пристрої на операційних підсилювачах. використовувати повну формулу (3.9) для K _зв.

2. Амплітудно-частотна характеристика операційного підсилювача

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) операційного підсилювача – це залежність модуля коефіцієнта підсилення ОП K _ОПвід частоти вхідного диференціального сигналу. ОП є підсилювачем постійного струму (ППС), тому його частотна характеристика починається від нульової частоти.

Коефіцієнт підсилення K _ОПзалишається незмінним у невеликій області частот. При збільшенні частоти коефіцієнт підсилення K _ОПзменшується, бо зменшуються коефіцієнти підсилення каскадів, з яких складається ОП. ОП складається з трьох каскадів, тому три постійні часу і три граничні частоти (частоти зрізів) каскадів визначатимуть спад АЧХ операційного підсилювача у області верхніх частот.

Коефіцієнт підсилення трикаскадного ОП дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення його окремих каскадів.

K _ОП(f)= , (6.10)

де частоти зрізів каскадів дорівнюють граничним частотам і визначаються постійними часу цих каскадів.

f _c1 = f _вгр1 = , f _c2 = f _вгр2 = , f _c3 = f _вгр3 = . (6.11)

Граничні частоти каскадів не однакові, самим вузькосмуговим є, як правило, проміжний каскад, самим широкосмуговим – вихідний. Тому АЧХ операційного підсилювача матиме три перелома: на частотах f _c1, f _c2, f _c3. Кожний з каскадів дає спад АЧХ в області верхніх частот (–20 дБ/дек), тому загальний спад АЧХ трикаскадного підсилювача буде дорівнювати (–60 дБ/дек), а загальне фазове зміщення = 270°.

3. Стійкість операційного підсилювача із зворотним зв'язком

Операційні підсилювачі використовуються для створення великого числа функціональних вузлів, в яких застосовується негативний зворотний зв'язок. Трикаскадний підсилювач з негативним ЗЗ є потенційно нестійкою системою, тому що максимальне фазове зміщення в області верхніх частот такого підсилювача дорівнює Dj = . Отже, існує така частота, на якій фазовий зсув підсилювача буде дорівнювати Dj(f) = –p. На цій частоті загальний фазовий зсув у петлі зворотного зв'язку буде рівним j = p + Dj = p – p = 0, отже, на цій частоті зв'язок з негативного перейде в позитивний.

Таким чином, на якійсь частоті виконується одна з умов самозбудження: умова фаз (j = 0), зв'язок стає позитивним. Для того, щоб підсилювач із зворотним зв'язком перейшов в режим генерації, має бути виконана також умова амплітуд: петльове підсилення ВK _ОП = 1. Якщо обидві умови самозбудження будуть виконані, пристрій перетвориться на генератор, а всі його характеристики погіршають.

Оскільки працездатність ОП визначається його стійкістю, то забезпечення стійкості – одне з основних завдань при розробці операційних підсилювачів. Для забезпечення стійкості необхідно, щоб на тих частотах, де виконується умова амплітуд (ВK _ОП > 1), не виконувалася умова фаз. А на тих частотах, де виконується умова фаз (Dj ³ –p), не повинна виконуватися умова амплітуд. Стійкість повинна забезпечуватися з певним запасом.

Для забезпечення стійкості операційних підсилювачів використовують як внутрішню, так і зовнішню корекції. Внутрішня корекція ОП виконується в процесі виробництва шляхом підключення невеликої ємності до певних точок у схемі. Ця ємність зменшує частоту першого зрізу АЧХ, що забезпечує стійкість ОП. Перевагою операційних підсилювачів з внутрішньою корекцією є простота їх використання, оскільки вони будуть стійкі за будь-яких параметрів петлі зворотного зв'язку. Їх істотний недолік полягає у тому, що смуга пропускання пристрою з негативним зворотним зв'язком виходить невеликою.

Кола зовнішньої корекції підключаються до спеціальних виводів операційного підсилювача (FC). У цьому випадку зовнішні елементи можна підібрати з умови оптимальної роботи схеми. Такий підбір дозволяє одержати ширшу смугу пропускання пристрою.

Для апроксимації АЧХ операційного підсилювача можна використовувати одну постійну часу – максимальну. В цьому випадку АЧХ операційного підсилювача, побудована в логарифмічному масштабі за обома осями, матиме вигляд, наведений на рис.6.5. На цьому рисунку вказані дві частоти зрізу ОП:

f _с1 = – частота зрізу каскаду з максимальною постійною часу (як правило, проміжного); f _с2 – частота зрізу іншого каскаду з меншою постійною часу; частота зрізу третього каскаду f _с3 тут не показана, бо вона не визначає стійкість ОП. На АЧХ вказаний спад характеристики на різних ділянках.

АЧХ операційного підсилювача можна апроксимувати шматково-ламаною лінією, частоти перелома визначаються значеннями постійних часу каскадів ОП. Смугу пропускання ОП без зворотного зв'язку визначає частота зрізу f _с1 =

= f _сОП = f _{вгр ОП}. Значення частоти f _сОП складає десятки герц.

Параметром операційного підсилювача є частота одиничного підсилення f ₁, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП без зворотного зв'язку рівний одиниці (K _ОП = 1, K _ОПдБ = 0 дБ). У сучасних операційних підсилювачів частота одиничного підсилення має порядок декількох мегагерц (f ₁ » (1…10) Мгц).

Рис. 6.5. АЧХ операційного підсилювача

При введенні негативного зворотного зв'язку коефіцієнт підсилення зменшується, смуга пропускання при цьому розширюється. Значення частоти зрізу ОП можна визначити за формулою

f _сОП » , (6.12)

значення граничної частоти підсилювача з негативним зворотним зв'язком можна визначити за формулою

f _вгр » , (6.13)

відношення цих частот згідно формулам (6.12) і (6.13) буде дорівнювати

. (6.14)

Далі коефіцієнт підсилення пристрою з негативним ЗЗ позначатиметься K = K _НЗЗ.

Приклад. Частота одиничного підсилення операційного підсилювача рівна f ₁ = 4 МГц, коефіцієнт підсилення ОП K _ОП = 10⁵ (K _{ОП, дБ} = 100 дБ). Коефіцієнт підсилення підсилювача з негативним зворотним зв'язком рівний K = 10 (K _дБ = = 20 дБ). Визначимо значення частоти зрізу ОП

f _сОП » = 40 Гц

і смугу пропускання підсилювача з негативним зворотним зв'язком

f _вгр » = 400 кГц.

Таким чином, одержали широкосмуговий пристрій із заданим коефіцієнтом підсилення. При збільшенні K смуга f _{в гр} відповідно формулі (6.13) буде зменшуватися.

Наведені вище залежності справедливі тільки в тому випадку, якщо частота f _с2, відповідна другій точці перелому АЧХ операційного підсилювача, значно більша смуги пропускання підсилювача з негативним зворотним зв'язком, а також більша частоти одиничного підсилення, як показано на рис. 9.9: f _с2 >> f _вгр., f _с2 > f ₁.

Поиск по сайту: