10.4.2. Переходная характеристика – скорость нарастания.

Переходная характеристика имеет целый ряд параметров, из которых основным является максимальная скорость нарастания выходного напряжения – V_U.

Рис.10.10. К определению скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Выходное напряжение ОУ имеет конечную длительность фронта даже при подаче на вход идеального цифрового сигнала. Максимальная скорость нарастания V_U определяется, как ΔU/Δt. Быстродействующие ОУ имеют значения V_U до 50 В/мкс.

Позволяет ли значение V_U у быстродействующих ОУ работать непосредственно с входами ЦИМС?

Пример 10.2. Определить минимальную длительность фронта на выходе ОУ для U_ВЫХ = 5В, сигнал на входе идеальный.

Для современных ЦИМС, у которых задержки составляют менее 10нс, это очень большое время.

10.5. Основной принцип определения функции оу.

ОУ, имеющий очень большое значение K_D и не является функционально законченным устройством. В устройствах на основе ОУ обязательно применяется отрицательная обратная связь (ООС), соединяющая выход ОУ с И- входом через определенные внешние элементы.

Комплексная схема, состоящая из ОУ и внешних элементов, образующих ООС, носит название решающий усилитель (РУ).

Каким бы ни было аналоговое устройство на основе ОУ, в его составе обязательно должна присутствовать элемент ООС, показанный на рис.10.11а,б.

Рис.10.11. Основные структуры РУ (а – с U_НИ = 0В, б - с U_НИ  0В)

Структура любого РУ сводится к двум типам:

• НИ-вход используется в работе РУ (Рис.10.11а),

• НИ-вход имеет постоянный потенциал 0В (Рис.10.11б).

Определение функции РУ проводится в предположении идеального ОУ, т.е. основано на двух условиях:

• входной ток ОУ равен нулю,

• коэффициент усиления ОУ  ∞.

Рис.10.12. Условия определения функции РУ.

В соответствии с обозначениями на Рис.10.12

Равенство входного тока ОУ нулю превращается в условие

Входной ток И-входа I_ВХ.И равен току в цепи ООС I_OOC

(10.9)

Бесконечность коэффициента усиления ОУ превращается в условие

(10.10)

В частном случае, для структуры РУ типа Рис.9.13б

(10.11)

Условие (10.10) требует некоторых пояснений. Независимо от функции, которую выполняет РУ, сам ОУ всегда будет выполнять функцию

(10.12)

Если один из сомножителей → ∞, то конечное значение произведения может быть получено только при условии, что второй сомножитель равен нулю (правило Лопиталя).

Для структур с постоянным значением U_НИ = 0В (рис.10.13б) условие (10.11) получило название "виртуальный нуль":

"нуль" означает, что при U_НИ = 0В во всех расчетах можно принимать U_И = 0В,

"виртуальный" означает, что точку нельзя соединять с другими точками, в которых имеется реальный или виртуальный нуль.

Значение K_D очень велико, но все-таки конечно. Реально условие (10.10/10.11) просто соблюдается с очень хорошей точностью.

Пример 10.3. Оценка соблюдения условия "виртуального нуля".

РУ со структурой Рис.10.13б имеет на выходе U_ВЫХ = 1В, определить значение U_И, если K_D = 10⁶ (120dB)/

На цифровом вольтметре это шестой (!!!) знак после десятичной запятой.

10.6. РУ на основе ОУ

Для определения функций РУ достаточно условий (10.9) и (10.10/10.11), а также стандартных уравнение для расчета электрических цепей.

10.6.1. Инвертирующий (масштабный) усилитель.

Схема, приведенная на Рис.10.13а, является одной из наиболее распространенных в современной схемотехнике усилителей.

Рис.10.13. Инвертирующий усилитель (а – принципиальная схема, б – эквивалентная схема)

Из самых очевидных расчетов по рис.10.15б

(10.13)

Следует обратить внимание на входное сопротивление РУ. Учитывая, что в точке U_И потенциал 0В

(10.14)

ВНИМАНИЕ!!! При свойстве ОУ R_ВХ → ∞ значение R_ВХ для конкретного усилителя может быть достаточно небольшим.

Получив, наконец, нормальную (и очень распространенную!) схему усилителя, можно вернуться к рассмотрению АЧХ, теперь уже для схемы РУ (Рис.10.14).

Рис.10.14. Зависимость F_ГР от значения K_U.

Поведение АЧХ при уменьшении K_U объясняется следующими свойствами ОУ:

• значение f1 является паспортным данным и зависит от модели усилителя

• наклон АЧХ в области спада для простых усилительных каскадов также постоянный и составляет ~ 20dB/декада.

Примем за значение f_ГР. точку пересечения плоской части АЧХ и области спада ( в действительности f_ГР.ВЧ лежит на 3dB ниже)

При изменении K_U в N раз при постоянном наклоне спада АЧХ значение f_{Г Р.ВЧ} будет изменяться в 1/N раз.

(10.15)

Это справедливо для любой частоты, в т.ч. для f1, на которой K_U = 1.

Для усилителя постоянного напряжения область частот от 0 до f_ГР.ВЧ представляет собой полосу пропускания Δf.

(10.16)

Произведение ширины полосы пропускания на коэффициент усиления постоянно и равно частоте единичного усиления (т.е. зависит только от типа применяемого ОУ).

Условие (10.16) справедливо для любого усилителя на основе одного ОУ.

Пример 10.4. Определить ширину полосы пропускания Δf для РУ (Рис. 10.13).

Исходные данные: R1 = 2кОм, R2 = 20кОм, f1 = 10МГц.

Знак "" у K_U в данном случае несущественен.

10.6.2. Неинвертирующий усилитель.

Схема усилителя приведена на Рис.10.15. Расчет схемы сводится к расчету эквивалентной электрической цепи.

Рис.10.15. Неинвертирующий усилитель (а – принципиальная схема, б – эквивалентная схема)

Из расчета делителя в цепи ООС следует:

(10.17)

Отсюда получаем коэффициент усиления

(10.18)

Входное сопротивление РУ

(10.19)

10.6.3. Согласующий повторитель напряжения.

Повторитель является частным случаем неинвертирующего усилителя со 100%-ой ООС. В схеме на Рис.10.16 с учетом (10.9) присутствует очевидное равенство

Рис.10.16. Повторитель напряжения

(10.20)

В результате схема обладает очень высоким значением R_ВХ = R_ВХ.ОУ → ∞ и очень малым значением R_ВЫХ. Наличие ООС по напряжению делает значение R_ВЫХ еще меньшим, чем оно есть у самого ОУ, хотя эмиттерный повторитель на выходе ОУ уже обеспечивает достаточно малое значение R_ВЫХ.

ВНИМАНИЕ!!! РУ, выполненный на основе ОУ, имеет значения R_ВХ и R_ВЫХ, определяемые в первую очередь особенностями и параметрами схемы, а не самого ОУ.