Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
30. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ.
1. Передаточная характеристика ОУ по постоянному току
Передаточная характеристика ОУ по постоянному току – это зависимость
UВЫХ от UВХ. Схема для измерения передаточной характеристики ОУ по постоянному току показана на рис.2.1.
Рис.2.1. Схема включения ОУ по постоянному току
Передаточные характеристики ОУ для инвертирующего и неинвертирующего включения приведены на рис.2.2.
Рис.2.2. Передаточные характеристики ОУ по постоянному току для
инвертирующего (1) и неинвертирующего (2) включения ОУ
При отсутствии обратной связи тангенс угла наклона характеристик в диапазоне −Uвх.макс.…+Uвх.макс. равен коэффициенту усиления Ко. Максимальное напряжение Uвых.макс. близко к напряжению источников питания ±Еп. В реальных ОУ наблюдается разбаланс, который устраняется подачей на вход ОУ внешнего напряжения смещения нуля ±Uсм.
На рис.2.3 приведена эквивалентная схема компенсации разбаланса ОУ, а на рис.2.4 - передаточные характеристики ОУ с учетом напряжения смещения нуля и его компенсации.
Рис.2.3. Эквивалентная схема компенсации разбаланса ОУ
Рис.2.4. Передаточная характеристика ОУ по постоянному току с уче-
том смещения нуля (1,2) и его компенсации (3)
2. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ
для малого сигнала
Операционные усилители, имеющие трехкаскадную структуру для малого сигнала обладают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами.
Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ, снятые в режиме малого сигнала, имеют вид, изображенный на рис.2.5.
Плавные кривые линии - реальные характеристики, ломаные прямые – их аппроксимации. Наиболее распространенной является аппроксимация частотной характеристики отрезками прямых, наклон которых соответствует n·20дБ на декаду, а фазовой - участками, фазовый сдвиг на которых равен
n· , где n = 0,1,2,... (так называемые диаграммы Боде).
Диаграммы Боде соответствуют внутренней структуре частотной и фазовой характеристик многокаскадного ОУ, которые складываются из характеристик отдельных каскадов
Рис.2.5. Малосигнальные характеристики трехкаскадного ОУ:
а) амплитудно-частотная;
б) фазово-частотная
Характеристики отдельных каскадов близки к характеристикам эквивалентной RC-цепи:
При :
.
При :
.
где - верхняя граничная частота i-го каскада,
Таким образом, частоты излома характеристик ОУ соответствуют (примерно) граничным частотам отдельных каскадов. Погрешность аппроксимации не превышает обычно 3дБ для частотной и π/4 для фазовой характеристики, что часто достаточно для практических целей пользования ОУ. Следует иметь в виду, что если граничные частоты отдельных каскадов близки друг к другу,
то реальные характеристики не показывают в явном виде изломы, соответствующие аппроксимации по Боде.
Параметры амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик:
fв - верхняя граничная частота ОУ с разомкнутой обратной связью, измеренная в режиме малого сигнала. Ее величина определяется частотной характеристикой самого инерционного каскада ОУ и, в свою очередь, определяет ход переходной характеристики ОУ;
f1 - частота единичного усиления – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице;
fπ - частота, на которой внутренний фазовый сдвиг в ОУ достигает величины π радиан (180º). При применении ОУ с внешней частотно-независимой отрицательной обратной связью именно на этой частоте возникает самовозбуждение, если на ней петлевое усиление.
Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что АЧХ обладает только двумя полюсами и имеет только две частоты излома fв1 и fв2.
В целях обеспечения устойчивости ОУ вводится коррекция АЧХ. В трехкаскадном ОУ используются две RC – цепи, подключаемые к УН и УА, которые создают дополнительную задержку по фазе высокочастотного сигнала до π и тем самым обеспечивают устойчивую работу усилителя. Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что для коррекции его АЧХ в целях обеспечения устойчивости при ООС необходима лишь одна емкость к C . На рис 2.6 приведена упрощенная структурная схема двухкаскадного ОУ с учетом коррекции АЧХ.
Рис.2.6. Упрощенная структурная схема двухкаскадного ОУ
с коррекцией АЧХ
(К1, К2, К3 – коэффициенты усиления ДУ, УА, ЭП соответственно)
Полагая, что АЧХ ОУ будет определять в основном второй каскад, практически выполняющий операцию интегрирования, АЧХ имеет вид
где К1- коэффициент усиления ДУ,
К2- коэффициент усиления УА в области средней частоты,
К3= 1 - коэффициент усиления ЭП,
- постоянная времени.
Рис.2.7. Малосигнальная АЧХ двухкаскадного ОУ
Таким образом, малосигнальная АЧХ двухкаскадного ОУ принимает вид, изображенный на рис.2.7, отображает закон уменьшения коэффициента усиления КΣ с изменением частоты f и имеет две особые точки: граничную частоту fв и частоту единичного усиления f1.
3. Переходная характеристика ОУ
Наиболее универсальной и наглядной характеристикой ОУ является переходная характеристика (рис.2.8), позволяющая в режиме малого сигнала определить линейные искажения импульсного сигнала, в том числе время нарастания выходного сигнала при воздействии единичного напряжения на входе усилителя.
Рис.2.8. Переходная характеристика ОУ
( tнар = t0.9 – t0.1 - время нарастания)
4. Скорость нарастания выходного напряжения ОУ
При большом уровне сигнала ОУ характеризуется скоростью нарастания выходного напряжения, которая определяется внутренними токами и емкостями схемы. Из-за ограниченной скорости отклика большого сигнала с ростом частоты снижается амплитуда неискаженного выходного сигнала ОУ.
При воздействии синусоидального сигнала на входе ОУ имеем
Скорость изменения выходного сигнала является функцией времени
При этом максимальная скорость изменения выходного сигнала наблюдается при t = 0 и не может превышать быстродействие ОУ VUвых
Условие для максимального неискаженного выходного сигнала имеет вид:
а для максимальной частоты входного гармонического сигнала при заданных величинах VUвых.макс. и Uвых
На рис.2.9 показаны диаграммы, иллюстрирующие изменение неискаженной амплитуды на выходе ОУ при различных частотах входного сигнала.
Рис.2.9. Диаграммы, показывающие образование треугольных,
ограниченных по скорости нарастания, выходных сигналов ОУ (б)
при одинаковых амплитудах выходных сигналов с разными частотами (а)