Переходная характеристика

Расчет искажений переходной характеристики: спада вершины

импульса ∆ и времени его нарастания t_н .

Для получения переходной характеристики обычно подают на вход каскада прямоугольные импульсы. В программе Fastmean предусмотрен генератор сигнала “меандр”. Он должен заменить генератор гармонического сигнала в схеме рис.1.18. Амплитуду входного сигнала можно оставить без изменений

Удобно начинать измерения искажений ПХ с измерения спада вершины импульса ∆.

Спад вершины импульса может быть измерен только при определенной длительности импульса t_И. Для измерения ПХ при установке генератора сигнала необходимо выставить “меандр” и его частоту f=1/Т, где Т-период последовательности импульсов. Период Т= t_И/к, где к-коэффициент заполнения. В Fastmean он указан в процентах.

ПРИМЕР 1.12. Определить частоту генератора прямоугольных импульсов длительностью 5мкс.

Дано: t_И=5мкс, к = 50%.

Решение: Определяем период Т =5мкс/0,5=10мкс

и частоту генератора f=1/10мкс=100кГц

Для получения переходной характеристики необходимо активировать кнопку “ переходный процесс”.

Если каскад поворачивает фазу на 180^о, то для удобства (чтобы выходное напряжение было положительным) можно выходное напряжение взять отрицательным. Для этого перед U_2Н надо поставить знак минус (- U(5)).

В выражение по оси X поставить t, а в выражение по оси Y – напряжение на выходном узле (например -U(5)). Можно также посмотреть форму входного сигнала, если в выражении по оси Y записать напряжение на входном узле U(7). Конечное время рекомендуем принять равным периоду Т.

Рис.1.21. Вид ПХ при длительности однополярного импульса 5мкс.

СПАД ВЕРШИНЫ ИМПУЛЬСА

Получив вид ПХ, вызываем линейку и измеряем максимальное выходное напряжение U_МАХ и выходное напряжение U_МIN при t= t_И.

Стрелка показывает, что максимального значения выходного напряжения U_МАХ =0,245В ПХ достигает при t=0,203 мкс.

ПРИМЕР 1.12. Вычислить спад вершины импульса на рис.1.21

Дано: U_МАХ=0,245 В, U_МIN=0,170 В.

Решение: ∆=((U_МАХ - U_МIN)/ U_МАХ)100 %=

=((0,245-0,170)/0,245)*100%=30,6%.

ВРЕМЯ НАРАСТАНИЯ

Для измерения времени нарастания t_н установить конечное время, равное времени увеличения выходного напряжения. Его показывает окно линейки при измерении U_МАХ. Установив новое значение конечного времени, переходим к измерению времени нарастания t_н. Если конечное время очень мало, то следует выделить на ПХ требуемый временной участок. Такая ПХ показана на рис.1.22.

Рис.1.22 Вид ПХ при определении времени нарастания

ПРИМЕР 1.13. Определить время нарастания t_н

Дано: Из рис.1.22 t_0,1 =5,4нс, t_0,9 =79нс.

Решение: По определению время нарастания t_н= t_0,9 -t_0,1 ,

где t_0,9- время, при котором выходное напряжение

равно 0,9* U_2MAX, а t_0,1- время, при котором вы-

ходное напряжение равно 0,1* U_2MAX.

Таким образом t_н=79-5,4=73,6 нс

Принято считать, что t_н=0,35/ f_В , где f_В - частота верхнего среза по уровню -3 д Б (1/ ) на АЧХ. Сравним результаты: время нарастания по АЧХ t_н(АЧХ) = 0,35/4,538 МГц = 77 нс, t_н(ПХ) = 73,6 нс.

Аналогичным образом можно производить анализ схем с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

На рис. 1.23 изображена принципиальная схема каскада с ОБ.

Резисторы цепей питания RЭ, RК, RБ1, RБ2 можно рассчитывать по примерам 1.2 или 1.3 и по эквивалентной схеме рис.1.7.

Рис.1.23 Принципиальная схема усилительного каскада с ОБ

Используя эквивалентную схему рис.1.24 можно вести расчеты на переменном токе, предварительно определив параметры транзистора (пример 1.10).

Рис.1.24 Эквивалентная схема усилительного каскада с ОБ

Все сказанное выше о схеме с ОБ можно отнести также и к схеме с ОК.

Принципиальная и эквивалентная схемы каскада с ОК представлены на рис.

1.25 и 1.26.

Рис.1.25 Принципиальная схема усилительного каскада с ОК.

Особенностью принципиальной схемы с ОК является то, что цепи питания

транзистора на постоянном токе во многих случаях не содержат резистор R_К, коллектор непосредственно подключается к источнику питания +Е_К. Это не оказывает заметного влияния на коэффициент усиления. Он в любом случае меньше единицы.

На переменном токе наличие резистора R_К в коллекторной цепи уменьшает частоту верхнего среза и увеличивает время нарастания.

Рис. 1.26 Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК

Рассмотренная методика расчетов транзисторных усилителей позволяет легко и эффективно исследовать различные структуры принципиальных схем в режиме малого сигнала.

2. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ НА ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЯХ

2.1 Общие сведения

Операционным усилителем (ОУ) принято называть усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом и однополярным выходом, характеризуемый высоким коэффициентом усиления, а также большим входным сопротивлением и малым выходным. ОУ предназначен для работы в схеме с отрицательной образной связью (ОС).

Название ОУ происходит от первоначального применения таких устройств для выполнения аналоговых математических операций.

Современный ОУ содержит значительное число компонентов, в частности, десятки транзисторов, находящихся в миниатюрном кремниевом кристалле.

Рис.2.1 Упрощенная принципиальная схема ОУ µ A 741.

На рис.2.1 показана упрощенная схема [9] “классического” ОУ широкого применения µ A 741 (полная схема включает 24 транзистора). Структурно схему можно разбить на три каскада. Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя (транзисторы VT1 и VT2). Вторую ступень усиления образует каскад с ОЭ на транзисторе VT10. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах VT11, VT12. Внутренний конденсатор обеспечивает устойчивую работу ОУ.

По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличаются от отдельно взятого транзистора. Реализация различных устройств с применением ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах.Благодаря своим многосторонним возможностям ОУ вытесняет устройства на дискретных транзисторах и ста­новит- ся базовым (унифицированным) узлом в аналоговой схемотехнике.

2.2. Условные графические обозначения ОУ

На рис.2.2 показаны условные обозначения ОУ. Они выполняются на основе треугольников или прямоугольников. Обозначение ОУ прямоугольником, у которого инвертирующий вход обозначают кружком, чаще используют в технической документации. В литературе (особенно иностранной) широко распространенно обозначение ОУ в виде треугольника. В учебной литературе по схемотехнике мы встречаем обозначения ОУ как в треугольниках [1,2], так и в прямоугольниках [3].

Рис. 2.2 Условные графические обозначения операционных усилителей

Выводы ОУ делятся на: входные, выходные и выводы, не несущие функциональной нагрузки, к которым подключаются цепи напряжения питания и элементы, обеспечивающие нормальную работу ОУ. К вспомогательным относятся выводы с метками FC – для подсоединения цепи, корректирующей АЧХ ОУ, выводы NC – для подключения элементов балансировки по постоянному току (установки нуля на выходе), а также вывод металлического корпуса (┴) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ (рис.2.2.в).

Входы показывают слева, выходы — справа. Входное и выходное напряжения измеряются относительно общей точки. Таким образом, интегральные ОУ должны иметь, как минимум, 5 выводов:

2—входных, выходной и 2 для подключения источников питания.

Большинство ОУ имеют один несимметричный выход и два входа, сим­метричных по отношению к общему проводу. Прямые входы и выходы обо­значают линиями, присоединяемыми к контуру графического изображения ОУ без каких-либо знаков, а с кружками в месте присоединения ─ инверсные входы и выходы (рис.2.2а, б).

Иное обозначение выводов с помощью знаков + и ─ показано на рис. 2.3. Прямой вход еще называют неинвертирующим, так как фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала, поданного на этот вход. Другой вход называют инвертирующим, так как фаза выходного сигнала сдвинута на 180° относительно входного сигнала.

Рис.2.3 Обозначение ОУ со знаками полярности

Для лучшего понимания и большей наглядности принципиальных cxeм допускается упрощенное обозначение ОУ, в котором сохраняются лишь ос­новное поле и сигнальные выводы (рис. 2.3.б). Входное и выходное напряжения измеряются относительно общей точки.

Выводы питания обычно на схемах не показывают, однако следует помнить, что без подачи питания ОУ не работает. Общий провод, играющий роль сигнального вывода, также может быть не показан.

Входы ОУ оказывают на выходное напряжение равное в количественном отношении, но противоположное по знаку влияние. Если к входам приложены синфазные, действующие одновременно одинаковые по величине и фазе относительно общего провода сигналы, то их влияние будет взаимно скомпенсировано и выход будет иметь нулевой по­тенциал, благодаря чему параметры ОУ мало чувствительны к изменениям напряжения питания, температуры и других внешних факторов. Напряжение на выходе ОУ должно быть лишь в том случае, когда на его входах действуютразличные по уровню сигналы.

Входной каскад ОУ выполняется в виде дифференциального каскада (ДК), поэтому он имеет два входа и реагирует на разность приложенных к ним напряжений, т. е. на дифференциальный сигнал U_D (рис.2.2а).

Все напряжения ОУ измеряются относительно общего провода.

2.3 Питание ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными так и с отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное напряжение питания. Для этого необходимо предусмотреть два источника напряжения, которые подключаются к соответствующим выводам ОУ. Их в общем случае обозначают латинской буквой U. Вместо буквы можно указывать номинальноезначение напряжения и его полярность (рис.2.2.в).

Для питания транзисторов двухтактного оконечного каскада необходимо либо 2 источника питания, либо 1 источник питания и 2 конденсатора очень большой емкости, либо 1 источник питания и выходной трансформатор. Поскольку ни трансформатор, ни конденсатор большой емкости по микроэлектронной технологии получить невозможно, то для питания ОУ почти всегда используют 2 источника питания.

При двух источниках питания упрощается схемотехника и технология изготовления не только оконечного каскада, но и входного. Кроме того, два источника питания позволяют увеличить входное сопротивление дифференциального каскада, так как при двух источниках питания можно обойтись без резистивных делителей в базовых цепях или цепях затворов входных транзисторов, уменьшающих входное сопротивление ДК.

Характерной особенностью ОУ при двух полярном питании является то, что он дает возможность получить близкое к нулю выходное напряжение при отсутствии входного сигнала. При этом потенциалы обоих входов будут близки к потенциалу выхода усилителя. Эти свойства ОУ позволяют подключать нагрузку и источники входных напряжений, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих. Поэтому расчет элементов цепей питания, как это делается в транзисторных каскадах, в ОУ не производится.

.

Значения напряжений источников питания различны от ±3 до ±18В. Существуют ОУ, рассчитанные на работу от однополярного источника питания.

Источник питания должен иметь общую точку, подключенную к корпусу. ОУ также должен быть подключен к корпусу своей средней точкой.

Типичная схема питания ОУ изображена на рис. 2.4.

Рис 2.4 Цепи питания ОУ

Два источника питания подключаются соответствующими выводами к ОУ, а два других вывода подключаются к земле или общей точке оборудования. Включение защитных диодов рекомендуется для всех источников питания, у которых можно случайно перепутать подводящие провода. Диоды D1,D2 пропускают ток только в правильном направлении. Конденсаторы обеспечивают развязку шин питания по переменному току, защищая усилитель от самовозбуждения по цепям питания. Обычно здесь используются дисковые керамические конденсаторы. Их всегда необходимо подключать по возможности ближе к выводам интегральной схемы

2.4 Параметры и характеристики ОУ

2.4.1. Понятие об идеальном ОУ

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Он также предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако ОУ специально создан для использования в схемах с глубокой ОС так, чтобы параметры устройства определялись преимущественно параметрами цепи ОС, а сам он был функционально незаметен. Такой ОУ по своим характеристикам должен приближаться к идеальному. С идеальным ОУ обычно связывают бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно большой полосе пропускания, бесконечное входное и нулевое выходное сопротивления.

Эти свойства даже теоретически полностью достигнуты быть не могут, поэтому в каждом случае можно говорить лишь о доступной степени приближения к идеальным свойствам. Близость параметров реального ОУ к идеальным определяет точность, с которойможет работать данный ОУ в тех или иных устройствах. Знание основных параметров позволяет выяснить ценность конкретного ОУ, быстро и правильно сделать выбор подходящего, проектировать устройства практическибез проведения макетирования, предотвращать работу ИС в недопустимомрежиме и уменьшать вероятность отказа. Наиболее важные параметры и характеристики ОУ рассмотрены ниже.

2.4.2. Статические параметры ОУ

Коэффициент усиления является основным параметром ОУ на низкой частоте. Он определяется отношением выходного напряжения

U выхбез ОС в режиме холостого хода к дифференциальному (разностному) напряжению U _D=U₍₊₎ – U_(─)на входе ОУ.

ОУ имеет очень высокий коэффициент усиления, типичное значение которого составляет 200000, т.е. 106 дБ. Это внутренний собственный коэффициент усиления ОУ, называемый коэффициентом усиления при разомкнутой цепи ОС.

Учитывая, что входное сопротивление ОУ очень велико (будем считать его бесконечным), а выходное очень мало (или равно нулю), можно представлять ОУ без ОС в виде активного четырехполюсника типа ИНУН (источник напряжения, управляемый напряжением). В теории собственный коэффициент усиления ИНУН обозначают буквой µ. Выходная цепь ОУ представлена эквивалентным генератором (рис 2.5), развивающим напряжение, пропорциональное внутреннему коэффициенту усиления и разности напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах. Полярность выходного напряжения зависит от полярности разности входных напряжений.

Рис 2.5 Представление ОУ в виде активного четырехполюсника ИНУН

Коэффициент усиления ОУ µ, определяется из соотношения

U_вых = µ(U₍₊₎ – U_(─)), (2.1)

где U₍₊₎ – напряжение на прямом входе “+”, а U_(─) – напряжение на входе “─”.

В справочных данных собственный коэффициент усиления ОУ имеет разные обозначения: А, К, А_D, K_D, К_U и др.

Значения K = U_вых/U_Dбольшинства ОУ заключены в пределах 10⁴... 10⁵, т. е. от 80 до 100 дБ., они также приводятся под символом В/мВ

Идею бесконечного коэффициента усиления представить трудно.

Важным для понимания является то, что U_Dдолжно быть бесконечно

мало по сравнению с любым значением U_ВЫХ, встречающимся на

практике. Идеализируя ОУ, при­нято считать U_D = 0, а U ₍₊₎ =U _(─).

ПРИМЕР 2.1

Определить максимальную разность напряжений U_D между входами ОУ.

Дано: Выходное напряжение ОУ ограничивается Um=12В,

Коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС µ=150000.

Решение: Из (2.1) имеем U₍₊₎ – U_(─)= U_D=U _вых/µ=

=12 В/15000=80мкВ.

Это напряжение так мало, что цифровые вольтметры, считывающие до трех десятичных разрядов, не смогут его обнаружить [ 4].

Полученный результат дает основание считать напряжение на входе идеального ОУ U_D = 0.

2.5 ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОУ

Напоминаем, что ОУ предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с глубокой отрицательной обратной связью.