Амплитудно-частотная характеристика ОУ

АЧХ ОУ остается плоской только в небольшом диапазоне частот. Рис. 1.12, повторяющий рис. 8 на рис. 1.8, в, изображает АЧХ ОУ 741.

 

 

Рис. 1.12. Зависимость усиления диф­ференциального напряжения большого уровня при разомкнутой цепи обратной связи от частоты f(предоставлено фирмой Texas Instruments, Inc.).

 

Наиболее широко распространенной характеристикой АЧХ ОУ является произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот, иногда на­зываемое шириной полосы частот единичного усиления, В1. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот (см. разд. 7.6.3) является частотой, на которой коэффициент усиления равен единице. Хотя В1 не приведена в технических характеристиках ОУ 741, но по характеристике на рис. 1.12 можно определить, что эта частота равна 1 МГц.

Пример 1.10

АЧХ ОУ 741 имеет плоский участок до 6 Гц, каково значение его коэффициента усиления на нижних частотах при разомкнутой цепи обратной связи?

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ

Входное напряжение ОУ может изменяться мгновенно в отличие от выходного. При подаче входного импульса напряжение на входе изменяется на несколько вольт почти мгновенно, тогда как выходное напряжение будет изменяться линейно от значения, имеющегося на выходе в момент подачи импульса, до нового значения, соответствующего изменению входного на­пряжения. Скорость изменения dV/dt этого напряжения называется макси­мальной скоростью нарастания выходного напряжения. Оно связано с АЧХ усилителя. Чем выше частотный диапазон АЧХ, тем быстрее может изменять­ся выходное напряжение и тем выше его скорость нарастания.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ 741 (см. рис. 1.8) равна 0, 5 В/мкс. На рис. 1.13, а изображен отклик 741 на 10-В скачок напряжения, а на рис. 11.13, 6 показана схема для определения макси­мальной скорости нарастания напряжения. Это повторитель напряжения. Из рис. 1.13, а видно, что в ответ на положительный перепад выходное напря­жение скачком изменяется на 2 В и затем нарастает по наклонной, но при отрицательном перепаде оно все время имеет наклонную форму.

 

Рис. 1.13. Характеристика (а) и тестовая схема определения (б) максимальной ско­рости нарастания выходного напряжения

Пример 1.11

По отрицательному перепаду, показанному на рис. 1.13, а, определить максимальную скорость нарастания напряжения ОУ 741.

 

Дрейф параметров ОУ

Другие типы ОУ

ОУ 741 является ОУ на биполярных плоскостных транзисторах. Все схемы, рассмотренные в этом разделе в качестве примера, были построены на этом ОУ, так как он реально доступен и очень широко используется как основной ОУ. Конечно, существует множество других ОУ, и читатель может выбрать по каталогам, поставляемым изготовителями, наиболее подходящий ОУ для конкретного применения.

TL080 является более новым и быстродействующим ОУ. Это комбинированный ОУ, выполненный на биполярных транзисторах, на его входе стоит полевой транзистор с управляющим /ш-переходом. В табл. 1.1 проведено сравнение параметров 741 и TL080. Так TL080, благодаря установке на входе полевого транзистора, имеет более высокое входное сопротивление и много меньшие токи смещения и сдвига. TL080 имеет также более высокое произ­ведение коэффициента усиления на ширину полосы частот и большую макси­мальную скорость нарастания напряжения. Коэффициенты усиления и КОСС этих ИС сравнимы. TL080 является более качественным ОУ, но он дороже и не так доступен. Во многих случаях преимущества TL080 не имеют особого значения, и достаточно использовать 741.

 

Интеграторы и дифференциаторы

Схемы, рассмотренные в предыдущих разделах, содержали на входе и в цепях обратной связи только резисторы. Конденсаторы, включенные в эти цепи наряду с резисторами, позволяют разработчику создать другие полезные схемы, такие, как интеграторы, дифференциаторы и фильтры. Особенно большой интерес представляет интегратор, который служит основой аналого­вых вычислительных машин (АВМ).

 

 

Интегратор на ОУ

 

Электронную интегрирующую цепь можно построить на основе ОУ (рис. 1.14).

 

 

Рис. 1.14. Основная схема интегратора на ОУ.

 

Так как виртуальное заземление поддерживает на входе —IN потенциал заземления, запишем

(1.11)

где Vc - начальное напряжение на конденсаторе. Знак минус возникает за счет инверсии ОУ.

В (1.11) падение напряжения на конденсаторе V no сути то же самое, что и Vвых, поскольку одна обкладка конденсатора подключена ко входу —IN, виртуально заземленному.

Чтобы получить начальное напряжение на конденсаторе, следует зарядить конденсатор до требуемого напряжения и затем разомкнуть механический или электрический ключ, когда начинается интегрирование. Этот процесс ил­люстрируется примером 1.12.

Пример 1.12

Для схемы на рис. 11.15, а определить Vвых как функцию времени, если ключ S1 разомкнут, a S2 в это же самое время замкнут.

 

 

 

Рис. 1.15. a-схема и 5-формы выходно­го напряжения к примеру 1.12.

 

Практический интегратор

В идеальном конденсаторе ток утечки отсутствует. Поэтому, если в ин­тегрирующей схеме (рис. 1.14) используется идеальный конденсатор, по­стоянная составляющая от входа к выходу не передается. К сожалению, это означает, что схема будет интегрировать и напряжение смещения нуля и ток сдвига, и на выходе будет формироваться линейно-изменяющееся напряжение даже в отсутствие входного напряжения. В конечном итоге это линейно-нарастающее напряжение переведет ОУ в режим насыщения.

 

.

 

Рис. 1.16. Интегратор с коррекцией ошибки постоянного тока

Примечание.Ключ S предназначен для периодической установки нулевого потенциала на обкладках С в отсутствие входного сигнала.

На рис. 1.16 приведена схема интегратора, которая дает три варианта минимизации влияния напряжения смещения нуля и токов сдвига. Ключ, который может быть или механическим, или электрическим, можно исполь­зовать для периодического разряда конденсатора, или установки начальных условий. Во многих схемах ключ замыкается для разряда конденсатора и установления начального напряжения на выходе, равным 0 В. Интегрирование начинается при разомкнутом ключе.

Резистор Rd иногда используется для уменьшения влияния напряжения смещения нуля. Без этого резистора постоянное выходное напряжение равно А0l V0S при наличии Rd в схеме оно становится равным V0S Rd /R1.

Пример 1.13

а.

 

 

б.

1.17. Отклик интегратора на прямоу­гольные входные импульсы: а-вход; б-вы­ход.

 

Схема интегратора с R = 10 кОм и С = 0, 22 мкФ была испытана в лабора­тории. Прямоугольные импульсы подавались на вход, а с выхода снимались сигналы треугольной формы (рис. 1.17). Если Rd не было включено в схему, выходной сигнал смещался до тех пор, пока его положительная или отрица­тельная вершина не достигала насыщения. Когда параллельно конденсатору включалось Rd = 1 МОм, становилось возможным удерживать выходное на­пряжение на границе выхода из режима насыщения.

Пример 1.14

Какова наименьшая частота интегрирования для только что рассмотрен­ной схемы?

Решение

Поскольку Rd = 1 МОм и С=0, 22 мкФ, то

Если требуется точное интегрирование, наименьшая частота интегрируе­мого сигнала должна быть равна полученному значению, умноженному на 10, т. е. 7, 2 Гц. Точность этой схемы снижается на очень низких частотах.

Резистор Rs можно использовать для уменьшения влияний входных токов смещения и сдвига. Как и прежде, Rs должно быть равно параллельно включенным R1 и Rd. Однако, поскольку Rd имеет высокое значение, Rs можно брать равным R1. Этот выбор также справедлив, если Rd в схеме отсутствует.

 

Дифференциатор

ОУ можно также использовать для создания схем дифференциаторов, где выходное напряжение пропорционально производной входного напряжения. Схема на рис. 1.18 является схемой идеального дифференциатора и описыва­ется уравнениями:

 

 

 

 

Рис. 1.18. Дифференциатор на ОУ

 

Таким образом, выходное напряжение пропорционально производной входного напряжения.

К сожалению, дифференцирующие схемы имеют большой коэффициент усиления на высоких частотах. Если синусоидальное колебание A sin со/ по­дается, например, на интегратор, выходное напряжение будет (—A/ω ) cosω t. Это выходное напряжение уменьшается при увеличении частоты. Если та же самая синусоида подается на дифференциатор, то теперь выходное напряже­ние равно A ω cosω и возрастает при увеличении частоты. Так как дифферен­циатор усиливает высокочастотные сигналы, он чувствителен к шумам и колебаниям. Это является причиной, по которой интеграторам часто отдается предпочтение по сравнению с дифференциаторами.

В [1] показано, что схемы дифференциаторов можно откорректировать таким образом, что они будут подавлять высокочастотные сигналы. На рис. 1.19 приведена схема дифференциатора с частотной коррекцией. Он дифференцирует частоты ниже f1, где

f1 = 1/(2π Rс, C)

и интегрирует частоты выше f2, где f2 = 1/(2 π RCc).

 

 

Рис. 1.19. Дифференциатор с частотной Примечание: Тонкой линией изображена коррекцией (а) и его АЧХ (б) [1] (©и АЧХ при разомкнутой цепи обратной связи, разрешение фирмы John Wiley & Sons, толстой-АЧХ дифференциатора.Inc.).

 

Значения f1 и f2 могут устанавливаться резисторами и конденсаторами схемы. Как правило, f2 выбирается равной или немного выше f1. Эта схема является стабильным дифференциатором для частот несколько выше f1.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание