Электроника:Полупроводники/Операционные усилители/Практические аспекты ОУ

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Практические аспекты ОУ[1]

Реальные операционные усилители имеют некоторые недостатки по сравнению с их «теоретическими» моделями. Настоящее устройство и идеальный дифференциальный усилитель в вакууме – не есть одно и то же. На практике один минус один не всегда даёт нуль. Может оказаться смещение, как у аналогового измерителя, которое не обнулено. Входы тоже могут потреблять ток. Характеристики могут изменяться в зависимости от изношенности прибора и внешней температуры. Усиление может уменьшаться на высоких частотах, а фаза может сдвигаться от входа к выходу. Эти недостатки могут не вызывать заметных огрехов в одних приложениях и неприемлемых ошибок в других. В некоторых случаях эти погрешности можно компенсировать. Иногда требуется более качественное и дорогое устройство.

Синфазное усиление

Как упоминалось ранее, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разность напряжений между двумя своими входами. Если два входа дифференциального усилителя должны быть закорочены вместе (таким образом гарантируя нулевую разность потенциалов между ними), не должно быть изменений выходного напряжения для любого значения напряжения, приложенного между этими двумя закороченными входами и «землёй»:

Рис. 1. Усиление синфазных сигналов. VВыход должно оставаться неизменным, независимо от VСинфазн..
Рис. 1. Усиление синфазных сигналов. VВыход должно оставаться неизменным, независимо от VСинфазн..

Напряжение, являющееся общим между любым из входов и «землёй», называется синфазным напряжением (на схеме обозначено как VСинфазн.). По мере того, как изменяем это общее напряжение, выходное напряжение идеального дифференциального усилителя должно оставаться абсолютно стабильным (без изменения выходного сигнала при любом произвольном изменении синфазного входа). Это означает нулевое усиление синфазного напряжения.

Рис. 2. Нулевое усиление синфазного напряжения.
Рис. 2. Нулевое усиление синфазного напряжения.

Операционный усилитель, будучи дифференциальным усилителем с высоким дифференциальным усилением, в идеале также должен иметь нулевое синфазное усиление. Однако в реальности этого добиться нелегко. Таким образом, синфазные напряжения всегда будут оказывать некоторое влияние на выходное напряжение операционного усилителя.

Производительность реального операционного усилителя в этом отношении чаще всего измеряется с точки зрения его дифференциального усиления по напряжению (насколько он усиливает разницу между двумя входными напряжениями) по сравнению с его синфазным коэффициентом усиления напряжения (насколько он усиливает синфазный сигнал). Отношение первого ко второму называется коэффициентом отклонения синфазного сигнала, сокращенно CMRR (от англ. common-mode rejection ratio):

Рис. 3. Коэффициент отклонения синфазного сигнала.
Рис. 3. Коэффициент отклонения синфазного сигнала.

Идеальный операционный усилитель с нулевым синфазным усилением имел бы бесконечный CMRR. Реальные операционные усилители имеют высокий CMRR, вездесущий 741 имеет что-то около 70 дБ, что составляет чуть более 3000 с точки зрения соотношения дифференциального AV к синфазному AV.

Поскольку коэффициент подавления синфазного сигнала в типичном операционном усилителе очень высок, синфазное усиление обычно не вызывает большого беспокойства в схемах, где операционный усилитель используется с отрицательной обратной связью. Если синфазное входное напряжение схемы усилителя внезапно изменится, что приведёт к соответствующему изменению на выходе из-за синфазного усиления, это изменение на выходе будет быстро скорректировано как отрицательная обратная связь и дифференциальное усиление (намного больше, чем синфазное усиление) сработает, чтобы вернуть систему в равновесие. Конечно, на выходе можно увидеть изменение, но оно будет намного меньше, чем можно ожидать. Однако следует помнить о синфазном усилении в схемах дифференциальных операционных усилителей, таких как инструментальные усилители. За пределами герметичного корпуса операционного усилителя и чрезвычайно высокого дифференциального усиления мы можем обнаружить синфазное усиление, вызванное дисбалансом номиналов резисторов. Чтобы продемонстрировать это, мы запустим SPICE-анализ на инструментальном усилителе с закороченными вместе входами (без дифференциального напряжения), наложив синфазное напряжение, чтобы посмотреть, что произойдёт. Сначала мы проведём анализ выходного напряжения идеально сбалансированной схемы. Следует ожидать, что выходное напряжение не изменится при изменении синфазного напряжения:

Рис. 4. Анализ выходного напряжения идеально сбалансированной схемы инструментального усилителя.
Рис. 4. Анализ выходного напряжения идеально сбалансированной схемы инструментального усилителя.
instrumentation amplifier
v1 1 0
rin1 1 0 9e12
rjump 1 4 1e-12
rin2 4 0 9e12
e1 3 0 1 2 999k
e2 6 0 4 5 999k
e3 9 0 8 7 999k
rload 9 0 10k
r1 2 3 10k
rgain 2 5 10k
r2 5 6 10k
r3 3 7 10k
r4 7 9 10k
r5 6 8 10k
r6 8 0 10k
.dc v1 0 10 1
.print dc v(9)
.end

Результат:

v1 v(9)
0.000E+00 0.000E+00
1.000E+00 1.355E-16
2.000E+00 2.710E-16
3.000E+00 0.000E+00
4.000E+00 5.421E-16
5.000E+00 0.000E+00
6.000E+00 0.000E+00
7.000E+00 0.000E+00
8.000E+00 1.084E-15
9.000E+00 -1.084E-15
1.000E+01 0.000E+00

Помимо очень небольших отклонений (на самом деле из-за особенностей самой программы SPICE, а не реального поведения схемы), выход остаётся стабильным там, где он должен быть: при 0 вольт, с нулевым дифференциалом входного напряжения. Однако давайте внесём в схему дисбаланс резисторов, увеличив значение R5 с 10 тыс. Ом до 10,5 тыс. Ом, и посмотрим, что произойдёт (не будем заново рисовать схему и приводить список соединений – единственное, что изменилось, это значение R5): Новый результат с изменённым значением для R5:

v1 v(9)
0.000E+00 0.000E+00
1.000E+00 -2.439E-02
2.000E+00 -4.878E-02
3.000E+00 -7.317E-02
4.000E+00 -9.756E-02
5.000E+00 -1.220E-01
6.000E+00 -1.463E-01
7.000E+00 -1.707E-01
8.000E+00 -1.951E-01
9.000E+00 -2.195E-01
1.000E+01 -2.439E-01

Наш дифференциал входного напряжения по-прежнему равен нулю, но выходное напряжение значительно изменяется при изменении синфазного напряжения. Это указывает на синфазное усиление, чего мы пытаемся избежать. Более того, это наше собственное усиление синфазного сигнала, не имеющее ничего общего с недостатками самих операционных усилителей. При сильно регулируемом дифференциальном усилении (фактически равном 3 в этой конкретной схеме) и отсутствии отрицательной обратной связи вне схемы, это синфазное усиление не будет контролироваться в приложении сигнала прибора.

Есть только один способ исправить это синфазное усиление – сбалансировать все номиналы резисторов. При проектировании инструментального усилителя из дискретных компонентов (вместо того, чтобы покупать один в интегрированном корпусе), разумно предусмотреть некоторые средства выполнения точной настройки по крайней мере одного из четырёх резисторов, подключённых к конечному операционному усилителю, чтобы иметь возможность «обрезать» любое такое усиление синфазного сигнала. Предоставление средств «подгонки» резисторной сети также имеет дополнительные преимущества. Предположим, что все номиналы резисторов в точности такие, какими должны быть, но синфазное усиление существует из-за несовершенства одного из операционных усилителей. С помощью регулировки сопротивление может быть уменьшено, чтобы компенсировать это нежелательное усиление.

Одной из особенностей некоторых моделей операционных усилителей является фиксация выхода, обычно вызываемая превышением входного синфазного напряжения допустимых пределов. Если синфазное напряжение выходит за пределы, указанные производителем, выход может внезапно «закупориться» в высоком режиме (насыщение при полном выходном напряжении). В операционных усилителях с JFET-входом подобная фиксация может произойти, если синфазное входное напряжение слишком близко к отрицательному напряжению шины питания. Например, на операционном усилителе TL082 это происходит, когда синфазное входное напряжение находится в пределах 0,7 В от отрицательного напряжения шины питания. Такая ситуация может легко возникнуть в схеме с однополярным питанием, где отрицательная шина питания заземлена (0 вольт), а входной сигнал может свободно колебаться до 0 вольт. Блокировка также может быть вызвана превышенным синфазным входным напряжением напряжения шины питания, отрицательного или положительного. Как правило, вы никогда не должны допускать, чтобы входное напряжение поднималось выше положительного напряжения шины питания или опускалось ниже отрицательного напряжения шины питания, даже если рассматриваемый операционный усилитель защищён от «закупорки» (как модели операционных усилителей 741 и 1458). По крайней мере, поведение операционного усилителя может стать непредсказуемым. В худшем случае фиксация, вызванная входным напряжением, превышающим напряжения источника питания, может оказаться разрушительной для операционного усилителя.

Хотя может показаться, что этой проблемы легко избежать, вероятность такого исхода выше, чем вы думаете. Рассмотрим случай схемы операционного усилителя при включении питания. Если схема получает полное напряжение входного сигнала до того, как её собственный источник питания успевает зарядить конденсаторы фильтра, синфазное входное напряжение может легко превысить напряжение шины источника питания на короткое время. Если операционный усилитель получает напряжение сигнала от цепи, питаемой от другого источника питания, и его собственный источник питания выходит из строя, сигналы напряжений могут превысить напряжения шины питания на неопределённое время!

Напряжение смещения

Другой практической проблемой, связанной с производительностью операционного усилителя, является смещение напряжения. То есть эффект наличия выходного напряжения, отличного от нуля вольт, когда две входные клеммы закорочены вместе. Помните, что операционные усилители – это прежде всего дифференциальные усилители: они должны усиливать разницу в напряжении между двумя входными соединениями и ничего более. Когда эта разница входного напряжения составляет ровно ноль вольт, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет ровно ноль вольт. Однако в действительности такое случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевое синфазное усиление (бесконечный CMRR), выходное напряжение может отличаться от нуля, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение от нуля называется смещением.

Рис. 5. Смещение выходного напряжения ОУ.
Рис. 5. Смещение выходного напряжения ОУ.

Идеальный операционный усилитель выдавал бы ровно ноль вольт, если бы оба его входа были закорочены вместе и заземлены. Однако большинство имеющихся в продаже операционных усилителей выводят свои выходные сигналы на уровень насыщения, отрицательный или положительный. В показанном выше примере выходное напряжение насыщено положительным значением 14,7 В, что немного меньше +V (+15 В) из-за положительного предела насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение в этом операционном усилителе приводит выход к полностью насыщенной точке, невозможно определить, сколько смещения напряжения присутствует на выходе. Кто знает, если бы источник питания с разделением на + V/-V имел достаточно высокое напряжение, возможно, выходное напряжение было бы несколько сотен вольт в ту или иную сторону из-за эффектов смещения! По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину дифференциала входного напряжения, вызывающего этот эффект. Другими словами, мы представляем себе, что операционный усилитель идеален (никакого смещения), и небольшое напряжение подаётся последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение отклониться от нуля в ту или иную сторону. Поскольку дифференциальные коэффициенты усиления операционного усилителя настолько высоки, показатель «входное напряжение смещения» не должен быть большим, чтобы учесть то, что мы видим с закороченными входами:

Рис. 6. Входное напряжение смещения.
Рис. 6. Входное напряжение смещения.

Напряжение смещения будет вносить небольшие ошибки в любую схему операционного усилителя. Так как же нам это компенсировать? В отличие от синфазного усиления, производитель обычно предусматривает обрезку смещения корпусного операционного усилителя. Обычно две дополнительные клеммы на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра. Эти точки подключения помечены как нулевое смещение и используются следующим образом:

Рис. 7. Схема смещения нуля операционного усилителя.
Рис. 7. Схема смещения нуля операционного усилителя.

В одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, нулевыми точками подключения смещения являются контакты 1 и 5 на 8-контактном DIP-корпусе. Другие модели операционных усилителей могут иметь соединения нулевого смещения, расположенные на других выводах, и/или требовать немного отличающейся конфигурации соединения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не имеют смещенных нулевых выводов! За подробностями обращайтесь к спецификациям производителя.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление. То есть входные токи, входящие или выходящие из двух соединений входных сигналов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем операционных усилителей мы рассматриваем их так, как будто их вообще не существует. Мы анализируем схему так, как если бы на входе или выходе из входных соединений был абсолютно нулевой ток. Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторными входами, должны пропускать через свои входные соединения некоторое количество тока, чтобы их внутренние цепи были правильно смещены. Эти токи, что логично, называются токами смещения. При определённых условиях токи смещения операционного усилителя могут быть представлять проблему. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных состояний:

Рис. 8. Усиление сигнала с термопары.
Рис. 8. Усиление сигнала с термопары.

На первый взгляд, видимых проблем с этой схемой мы не видим. Благодаря термопаре, генерирующей небольшое напряжение, пропорциональное температуре (фактически, напряжение, пропорциональное разнице температур между измерительным спаем и «эталонным» спаем, образующимся там, где провода термопары из сплава соединяются с медными проводами, ведущими к операционному усилителю) операционный усилитель либо положительный, либо отрицательный. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между концевым спаем термопары и опорным спаем (рядом с операционным усилителем). Проблема заключается в следующем: проволочная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, потому что оба тока смещения пытаются пройти одинаковым путём (либо в операционный усилитель, либо из него).

Рис. 9. Нерабочая цепь компаратора.
Рис. 9. Нерабочая цепь компаратора.

Чтобы эта схема заработала, нужно заземлить один из входных проводов, тем самым обеспечивая путь к «земле» (или от неё) для обоих токов:

Рис. 10. Заземление одного из входных проводов решает проблему.
Рис. 10. Заземление одного из входных проводов решает проблему.

Не слишком очевидная проблема, но вполне жизненная!

Ещё один случай, когда входные токи смещения могут вызвать проблемы, – это падение нежелательных напряжений на сопротивлениях цепей:

Рис. 11. Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения.
Рис. 11. Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения.

Ожидается, что схема повторителя напряжения, подобная этой, будет точно воспроизводить входное напряжение на выходе. Но что насчёт сопротивления, включённого последовательно с источником входного напряжения? Если есть какой-либо ток смещения через общий неинвертирующий (+) вход, он будет подавать некоторое напряжение на RВход, таким образом делая напряжение на неинвертирующем входе неравным фактическому значению VВход. Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроампер, поэтому падение напряжения на RВход не будет очень большим, если только RВход не будет очень большим. Один пример приложения, в котором входное сопротивление (RВход) будет очень большим – это pH-электроды, где один из двух электродов содержит ионно-проницаемый стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы Ом).

Если бы мы действительно создавали схему операционного усилителя для измерения напряжения pH-электрода, мы, вероятно, хотели бы использовать входной операционный усилитель на полевых транзисторах или МОП-транзисторах (IGFET) вместо одного, построенного на биполярных транзисторах (для меньшего входного тока смещения). Но даже в этом случае небольшие токи смещения могут вызвать ошибки измерения, поэтому мы должны найти способ их смягчить за счёт удачной конструкции.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. В действительности они и впрямь часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называется входным током смещения. Если они одинаковы, то можно нейтрализовать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив такое же сопротивление последовательно с другим входом:

Рис. 12. Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении.
Рис. 12. Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении.

С дополнительным сопротивлением, добавляемым к схеме, выходное напряжение будет ближе к VВход чем раньше, даже если есть некоторое смещение между двумя входными токами.

Как для инвертирующих, так и для неинвертирующих схем усилителя, резистор для компенсации тока смещения включён последовательно с неинвертирующим (+) входом для компенсации падений напряжения тока смещения в цепи делителя:

Рис. 13. Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя.
Рис. 13. Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя.
Рис. 14. Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя.
Рис. 14. Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя.

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путём вычисления общего значения параллельного сопротивления R1 и R2. Почему значение равно параллельному эквиваленту R1 и R2? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, какое падение напряжения будет произведено инвертирующим (-) входным током смещения, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри операционного усилителя, и коротил все источники напряжения (VВход и VВыход). Это даёт два параллельных пути для тока смещения (на «землю» как через R1, так и через R2). Мы хотим дублировать влияние тока смещения на неинвертирующий (+) вход, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для последовательного включения с этим входом, должно быть равно R1 параллельно с R2.

Связанная с этим проблема, с которой иногда сталкиваются студенты, только обучающиеся построению схем операционного усилителя, вызвана отсутствием общего заземляющего соединения с источником питания. Это необходимо, чтобы надлежащая функция ОУ, что некоторые терминалы источника питания постоянного тока является общим для подключения «земли» входного сигнала (или сигналов). Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока (токов) обратной связи и тока нагрузки (выходного). Возьмём, к примеру, такую схему, на которой показан правильно заземлённый источник питания:

Рис. 15. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели ОУ.
Рис. 15. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели ОУ.

Здесь стрелками обозначен путь прохождения электронов через батареи источника питания, как для питания внутренней схемы операционного усилителя (внутренний «потенциометр», контролирующий выходное напряжение), так и для питания контура обратной связи резисторов R1 и R2. Предположим, однако, что заземление для этого «раздельного» источника питания постоянного тока необходимо удалить. Эффект от этого огромен:

Рис. 16. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка «земли» у источника питания удалена.
Рис. 16. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка «земли» у источника питания удалена.

Электроны не могут входить или выходить из выходного терминала операционного усилителя, потому что путь к источнику питания является «тупиковым». Таким образом, электроны не проходят через заземление слева от R1 и не проходят через контур обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может поддерживать ток ни через контур обратной связи, ни через заземлённую нагрузку, поскольку нет соединения ни от одной точки источника питания с «землёй». Токи смещения также останавливаются, потому что они зависят от пути к источнику питания и обратно к входному источнику через «землю». На следующей диаграмме показаны токи смещения (и только они), когда они проходят через входные клеммы операционного усилителя, через базовые клеммы входных транзисторов и, в конечном итоге, через клеммы источника питания и возвращаются обратно на «землю».

Рис. 17. Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе.
Рис. 17. Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе.

Без заземления на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути для цепи, и они остановятся. Поскольку транзисторы с биполярным переходом являются устройствами с управлением по току, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, поскольку оба входных транзистора будут принудительно отключены ввиду полного отсутствия базового тока.

Итог (ток смещения)

  • Входы операционного усилителя обычно проводят очень малые токи, называемые токами смещения, необходимые для правильного смещения первого каскада транзисторного усилителя, встроенного в схему операционных усилителей. Токи смещения малы (в диапазоне микроампер), но достаточно велики, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
  • Токи смещения на обоих входах должны проходить либо на одну из «шин» источника питания, либо на «землю». Недостаточно просто иметь токопроводящий путь от одного входа к другому.
  • Чтобы отменить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (называемым компенсирующим резистором). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
  • Любое отличие между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется входным током смещения.
  • Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-то выводе источника питания было заземление, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока (токов) обратной связи и тока нагрузки.

Дрейф

Будучи полупроводниковыми приборами, операционные усилители могут незначительно изменять свое поведение при изменении рабочей температуры. Любые изменения производительности операционного усилителя в зависимости от температуры подпадают под категорию дрейфа операционного усилителя. Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п. Ознакомитесь с техническими данными производителя для получения информации о каждом конкретном операционном усилителе.

Чтобы свести к минимуму дрейф операционного усилителя, можно выбрать операционный усилитель с минимальным дрейфом, и/или можно сделать всё возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать обеспечение некоторой формы контроля температуры внутри оборудования, в котором находится операционный усилитель (операционные усилители). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Например, иногда известно, что в стандартных прецизионных генераторах опорного напряжения используются «печи» для поддержания постоянных температур своих чувствительных компонентов (таких как стабилитроны). Если требуется чрезвычайно высокая точность по сравнению с обычными факторами стоимости и конфигурационной гибкости, возможно, стоит обратить внимание на этот вариант.

Итог (дрейф)

  • Операционные усилители, будучи полупроводниковыми приборами, чувствительны к колебаниям температуры. Любые отклонения в характеристиках усилителя в результате изменений температуры известны как дрейф. Дрейф лучше всего минимизировать с помощью контроля температуры окружающей среды.

Частотный отклик

Благодаря невероятно высокому коэффициенту дифференциального усиления по напряжению операционные усилители являются первыми кандидатами на проявление эффекта, известного как колебания обратной связи (также известные как паразитные колебания или паразитное самовозбуждение). Вы, вероятно, «имели удовольствие» слышать звуковой эффект, когда (усиливающаяся) громкость на громкоговорителе или другой системе микрофонного усилителя установлена слишком высоко: этот высокий скрежет, возникающий из-за звуковой волны, «возвращается» через микрофон, чтобы, резонируя, снова усилиться. Схема операционного усилителя может проявлять аналогичный эффект, при этом обратная связь происходит электрически, а не в звуковом диапазоне.

Пример этого можно увидеть в операционном усилителе 3130, если он подключён как повторитель напряжения с минимальным количеством проводных соединений (два входа, выход и подключения источника питания). Выход этого операционного усилителя будет автоколебательным из-за его высокого коэффициента усиления, независимо от входного напряжения. Для борьбы с этим небольшой компенсационный конденсатор необходимо подключить к двум специально предусмотренным выводам на операционном усилителе. Конденсатор обеспечивает путь с высоким импедансом для возникновения отрицательной обратной связи в схеме операционного усилителя, уменьшая, таким образом, усиление переменного тока и подавляя нежелательные колебания. Если операционный усилитель используется для усиления высокочастотных сигналов, этот компенсационный конденсатор может не понадобиться, но он абсолютно необходим для работы с сигналами постоянного или низкочастотного переменного тока.

Некоторые операционные усилители, такие как модель 741, имеют встроенный компенсационный конденсатор, сводящий к минимуму потребность во внешних компонентах. Эта улучшающая простота имеет обратную сторону: из-за наличия конденсатора внутри операционного усилителя отрицательная обратная связь имеет тенденцию усиливаться с увеличением рабочей частоты (реактивное сопротивление этого конденсатора уменьшается с увеличением частоты). В результате дифференциальное усиление по напряжению операционного усилителя уменьшается с увеличением частоты: он становится менее эффективным усилителем на более высоких частотах.

Производители операционных усилителей предоставляют графики частотных характеристик своей продукции. Поскольку достаточно высокий дифференциальный коэффициент усиления абсолютно необходим для хорошей работы обратной связи в схемах операционного усилителя, коэффициент усиления / частотная характеристика операционного усилителя эффективно ограничивает его «полосу пропускания». Разработчик схемы должен учитывать это, если необходимо поддерживать приемлемые характеристики в требуемом диапазоне частот сигнала.

Итог (частотный отклик)

  • Из-за ёмкостей внутри операционных усилителей их дифференциальное усиление по напряжению склонно к уменьшению с увеличением входной частоты. Кривые АЧХ для операционных усилителей можно получить у производителя.

Фазовый сдвиг от входа к выходу

Чтобы проиллюстрировать фазовый сдвиг от входа к выходу операционного усилителя, модель OPA227 была протестирован в нашей лаборатории. OPA227 имеет типичную неинвертирующую конфигурацию:

Рис. 18. Модель ОУ OPA227 – неинвертирующий усилительный каскад.
Рис. 18. Модель ОУ OPA227 – неинвертирующий усилительный каскад.

Конфигурация схемы требует усиления сигнала в 340 раз (≈ 50 дБ). Входное возбуждение при VИсточник было установлено на пиковые 10 мВ и три интересующие частоты: 2,2 кГц, 22 кГц и 220 МГц. На графике показаны зависимости коэффициента усиления и фазы OPA227 от частоты в разомкнутом контуре.

Рис. 19. Усиление без обратной связи и фаза в зависимости от частоты.
Рис. 19. Усиление без обратной связи и фаза в зависимости от частоты.

Чтобы точнее предсказывать фазовый сдвиг замкнутого контура от входа к выходу, можно использовать коэффициент усиления разомкнутого контура и фазовую кривую. Поскольку конфигурация схемы требует усиления с обратной связью, или 1/β, 50 дБ, кривая усиления с обратной связью пересекает кривую усиления без обратной связи примерно на 22 кГц. После этого пересечения кривая усиления с обратной связью снижается до типичных 20 дБ/декада для усилителей с обратной связью по напряжению и повторяет кривую усиления без обратной связи.

Фактически здесь действует отрицательная обратная связь от замкнутого контура, изменяющая отклик разомкнутого контура. Замыкание контура с помощью отрицательной обратной связи устанавливает полюс замкнутого контура на частоте 22 кГц. Подобно доминирующему полюсу на фазовой кривой разомкнутого контура, мы ожидаем сдвига фазы в отклике замкнутого контура. Какой сдвиг фазы мы увидим?

Поскольку новый полюс теперь находится на частоте 22 кГц, это также точка -3 дБ, поскольку полюс снова начинает скатываться по замкнутому контуру со скоростью 20 дБ за декаду, как указано ранее. Как и в случае любого полюса в базовой теории управления, фазовый сдвиг начинается за одну декаду по частоте перед полюсом и заканчивается на 90° фазового сдвига за одну декаду по частоте после полюса. И что же это предсказывает для отклика замкнутого контура в нашей схеме?

Это позволит прогнозировать фазовый сдвиг, начиная с 2,2 кГц, с 45° фазового сдвига в точке -3 дБ на 22 кГц, и наконец, заканчивая 90° фазового сдвига при 220 МГц. Три рисунка ниже, представляют собой снимки осциллографа на частотах, представляющих интерес для нашей схемы OPA227. На первом рисунке из трёх настроено на 2,2 кГц, и заметного фазового сдвига нет. Затем настроено на 22 кГц, и записан сдвиг фазы 45°. Наконец, на последнем рисунке установлено значение 220 МГц, и регистрируется ожидаемый фазовый сдвиг 90°. Графики были сняты с помощью осциллографа LeCroy 44x Wavesurfer. На последнем графике использовался пробник x1 с триггером, установленным на отклонение на высоких частотах.

Рис. 20. OPA227 AV = 50 дБ при 2,2 кГц.
Рис. 20. OPA227 AV = 50 дБ при 2,2 кГц.
Рис. 21. OPA227 AV = 50 дБ при 22 кГц.
Рис. 21. OPA227 AV = 50 дБ при 22 кГц.
Рис. 22. OPA227 AV = 50 дБ при 220 МГц.
Рис. 22. OPA227 AV = 50 дБ при 220 МГц.

См.также

Внешние ссылки