Главная | Обратная связь

Частотная характеристика ОУ

Практическое занятие

Учет характеристик неидеальности операционного усилителя при проектировании схем

Дрейф нуля выходного напряжения

Настройка нуля сохраняется только при тех условиях, в которых она производилась (температура, напряжение источника питания). Однако даже при сохранении этих условий будет иметь место уход (дрейф) нуля выходного напряжения вследствие старения ОУ. Для операционных усилителей широкого назначения температурные изменения тока сдвига находятся на уровне нА/°C, а входного напряжения сдвига – мкВ/°C.

Дрейф при различных значениях температуры может иметь различную величину и даже знак. Поэтому в справочниках дается либо среднее, либо максимальное значение дрейфа в определенном диапазоне изменения температур. Может также приводиться график температурной зависимости дрейфа.

Рассмотрим в качестве примера ОУ LM301, рис. 1. Параметры, характеризующие дрейф следующие:

в интервале изменения температуры от +25°С до +75°С входной ток сдвига изменяется не более чем на 0,3 нА/°С, а входное напряжение сдвига не более чем на 30 мкВ/°С.

Положим, что балансировка (установка нуля выходного напряжения) производилась при температуре +25°С. Требуется оценить максимальную ошибку вносимую в выходное напряжение дрейфом U_{ВХ. СДВ} и I_{ВХ. СДВ} при температуре +75°С.

 

Изменение входного напряжения сдвига и входного тока сдвига составят соответственно:

;

;

а составляющие ошибок выходного напряжения, обусловленные этими приращениями, будут равны:

ΔU_ВЫХ (ΔU_ВХ.СДВ) = ΔU_ВХ.СДВ (1+R_ОС / R_ВХ) = ± 1,5 мВ· 101 = ± 150 мВ;

ΔU_ВЫХ (ΔI_ВХ.СДВ) = ΔI_ВХ.СДВ R_ОС = ± 15 нА· 1 МОм = ± 15 мВ.

Следовательно, искомая величина ошибки выходного напряжения равна:

ΔU_ВЫХ = ΔU_ВЫХ (ΔU_ВХ.СДВ) + ΔU_ВЫХ (ΔI_ВХ.СДВ) = 150+ 15 = 165 мВ.

 

Частотная характеристика ОУ

 

Этот параметр характеризует ОУ как усилитель переменного тока. При этом необходимо различать, какой величины переменные напряжения будут на выходе – малой (с амплитудой ниже 0,5…1,0 В) или большой (с амплитудой свыше 1,0 В). Если на выходе присутствуют только малые сигналы переменного напряжения, то наиболее важными параметрами ОУ являются частотная характеристика и шумы. Если на выходе должны быть сигналы переменного напряжения большой амплитуды, первостепенную важность приобретает такой параметр ОУ, как максимальная скорость нарастания.

Внутренняя частотная характеристика.Многие ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю (встроенную) коррекцию частотной характеристики, для реализации которой в структуре усилителя организуется местная частотозависимая обратная связь через конденсатор (емкостью около 30 пФ). Благодаря введению корректирующей цепи снижается усиление ОУ на высоких частотах и предотвращается паразитная генерация колебаний в схеме (с ростом частоты увеличивается фазовый сдвиг сигнала в операционном усилителе и на достаточно высокой частоте общий петлевой сдвиг фазы достигает 360°).

Амплитудно-частотная характеристика ОУ.На рисунке 2 представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией, таких как μА741, μА747.

На низких частотах (менее 1 Гц) К≈200000 ед (106 дБ). Именно эта величина дается в справочниках или листках-спецификациях на ОУ. С ростом частоты К уменьшается. Так уже при f_ср= 5 Гц наблюдается падение усиления на 3дБ (точка А). Частота 5 Гц называется частотой среза или сопрягающей частотой. Можно заметить, что между точками С и D, характеристика усиления уменьшается в 10 раз при десятикратном увеличении частоты, то есть общий спад АЧХ составляет 20 дБ на декаду (–20 дБ/дек) или –6дБ на октаву.

Полоса единичного усиления.Точка В на рис. 2 обозначает полосу (частоту f₁) единичного усиления ОУ на малом сигнале (коэффициент усиления по напряжению ОУ без обратной связи равен 1).

Иногда вместо АЧХ и полосы единичного усиления в спецификациях на ОУ указывается время нарастания переходного процесса (при единичном усилении) t_Н.

Полоса (частота f₁) единичного усиления в этом случае определяется следующим образом:

В=0,35 / t_Н.

Например, для μА741

t_Н=0,35 мкс и .

Зная В, можно рассчитать коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ на любой частоте:

,

где f_C - частота входного сигнала. Например, для ОУ имеющего полосу единичного усиления 1,5 МГц для частоты сигнала f_С=1 кГц

 

Время нарастания. Если подать на вход ОУ включенного по схеме повторителя напряжения прямоугольный импульс напряжения, выходное напряжение устанавливается не мгновенно, рис. 3.

Это связано с задержкой распространения сигнала через все транзисторы ОУ. Время нарастания t_Н определяется как время, необходимое для нарастания выходного напряжения с 10 до 90% от своего конечного значения. Для μА741 (t_Н=0,35 мкс) включенного по схеме повторителя напряжения U_ВЫХ изменяется с 2 до 18 мВ за 0,35 мкс при Е_ВХ=20мВ.

Влияние коэффициента усиления без ОС на величину усиления с ОС.При включении ОУ с ОС как это имеет место, например, в не инвертирующем усилителе (рис. 2.18.) следует различать два коэффициента усиления:

коэффициент усиления разомкнутого ОУ ( собственный коэффициент усиления ОУ без ОС) K₀ = U_ВЫХ / U_ВХ.Д , ;

коэффициент усиления ОУ с ОС

Если в схеме неинвертирующего усилителя рис. 2.18, R_ОС=1 МОм, R=10 кОм (К_ОС=101), Е_ВХ=1 мВ, выходное напряжение должно быть равным 101 мВ. Такой вывод основан на предположении, что разность напряжений между входами ОУ Е_Д приблизительно равно нулю. Однако, если К₀ имеет не очень большую величину Е_Д будет значимо отличаться от нуля. В случае если величина Е_Д составляет более 1 % от величины U_ВХ.ДЕ_ВХ, напряжение U_ВЫХ будет определяться не только значением выражения ( , но также и величиной К₀,

При бесконечно большом коэффициенте усиления ОУ коэффициент усиления схемы инвертирующего усилителя будет равен -R₂/R₁ и от параметров ОУ зависеть не будет. Это желаемый результат, обозначим его как K_∞ = -R₂/R₁.

При конечном коэффициенте усиления ОУ К₀ коэффициент усиления схемы

Точность, с которой реализуется коэффициент усиления, обратно пропорциональна коэффициенту усиления по обратной связи.

Таблица 1

Влияние коэффициента усиления разомкнутого ОУ на коэффициент усиления ОУ с ОС

К	Eд, В	КОС	Ошибка, %
фактический	идеальный
	0,0099	99,9
	0,091	91,8

Как следует из таблицы 1 при значениях отношения К/К_ОС равным единицам или десяткам реальный коэффициент усиления схемы будет отличаться от расчетного приблизительно на 10%. Если отношение К/К_ОС равно сотням единиц, отклонение реального коэффициента усиления от расчетного ≈1%.