Характеристика та параметри ОУ
Операційні підсилювачі характеризуються підсилювальними, вхідними, вихідними, енергетичними, дрейфовими, частотними та швидкісними параметрами.
3.1.1 Характеристики ОУ
Основні характеристики ОУ такі самі, як і УПТ: передавальні (амплітудні); амплітудно-частотні, фазочастотні, динамічні.
Найважливішими характеристиками ОУ є його амплітудні (передавальні) характеристики (рис. 3.2). Їх представляють у вигляді двох кривих, що відносяться відповідно до інвертируючого та неінвертованого входів. Характеристики знімають при подачі сигналу однією з входів при нульовому сигналі іншому. Кожна з кривих складається з горизонтальних та похилих ділянок.
Горизонтальні ділянки кривих відповідають режиму повністю відкритого (насиченого) чи закритого транзистора вихідного каскаду (емітерного повторювача). При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається без зміни і визначається напругою U + вих max і U - вих max.
Зазначені значення максимальних вихідних напруг близькі до напруги Ек джерел живлення.
Рисунок 3.2 – Передавальні характеристики ОУ(а),
передатні характеристики ОУ за наявності розбалансу (б)
Похилій (лінійній) ділянці кривих відповідає пропорційна залежність вихідної напруги від вхідної. Кут нахилу ділянки визначається коефіцієнтом посилення операційного підсилювача. Значення КU ОУ залежить від типу ОУ і може становити від кількох сотень до сотень тисяч і більше. Великі значення КU ОУ дозволяють при охопленні таких підсилювачів глибоким негативним зворотним зв'язком отримувати схеми з властивостями, які залежать тільки від параметрів ланцюга негативного зворотного зв'язку.
Криві, наведені на рис.3.2 а проходять через нуль. Стан, коли Uвых=0 при Uвх=0 називається балансом ОУ. Однак для реальних ЗУ умова балансу зазвичай не виконується (спостерігається розбаланс). При Uвх=0 вихідна напруга ОУ може бути більшою або меншою за нуль. На рис. 3.2 б пунктирними лініями показаний можливий вид передавальної характеристики реальних ОУ при вхідному сигналі, що подається на не інвертує вхід. Напруга Uсм0, при якому Uвых=0 називається вхідною напругою зміщення нуля. Воно визначає значення напруги, яку необхідно подати на вхід ОУ для створення балансу. Напруги Uсм0 і Uвих пов'язані співвідношенням . Основною причиною розбалансу ОУ є розкид параметрів елементів диференціального підсилювального каскаду (зокрема, транзисторів). Залежність від температури параметрів ОУ викликає температурний дрейф вхідної напруги усунення та температурний дрейф вихідної напруги.
Посилення гармонійних сигналів характеризується частотними параметрами ОУ, а посилення імпульсних сигналів – його швидкісними чи динамічними параметрами.
Частотні параметри визначають за амплітудно-частотною характеристикою ОУ (рис. 3.3 а), яка має спадаючий характер в області високої частоти, починаючи від частоти зрізу fср. Причиною цього є частотна залежність параметрів транзисторів та паразитних ємностей схеми ОУ. Частота f1, при якій коефіцієнт посилення ОУ дорівнює одиниці, називається частотою одиничного посилення. За граничною частотою fв.п, якій відповідає зниження коефіцієнта посилення ОУ в раз, оцінюють смугу пропускання частот підсилювача, що становить для сучасних ОУ сотні мегагерц.
Малюнок 3.3 – Амплітудно-частотна (а) та фазочастотна (б) характеристики ОУ;
реакція ОУ на вплив стрибканапруги на вході (в) та (г)
При посиленні сигналів ОУ зазвичай охоплюється негативним зворотним зв'язком по входу, що інвертує. Зважаючи на створюваний підсилювачем в області високих частот фазового зсуву вихідного сигналу щодо вхідного фазочастотна характеристика ОУ по входу, що інвертує, набуває додаткового (понад 180°) фазового зсуву (рис.3.3, б). Для деякої високої частоти повний фазовий зсув стає рівним 360°, що відповідає позитивному зворотному зв'язку по входу, що інвертує, на цій частоті. Це призводить до самозбудження схеми. Для усунення самозбудження в ОУ вводять зовнішні коригуючі RC-ланцюги, що дозволяють дещо змінити хід амплітудно-частотної та фазочастотної характеристик.
Динамічна характеристика - це практично характеристика перехідного процесу в ОУ, рис.3.3, р.
Динамічними параметрами ОУ є швидкість наростання вихідної напруги (швидкість відгуку) та час встановлення вихідної напруги. Вони визначаються реакції ОУ на вплив стрибка напруги на вході (рис.3.3, в, г,). Швидкість наростання вихідної напруги VUвих знаходять по відношенню до збільшення вихідної напруги до часу на ділянці зміни вихідної напруги від 0,1Uвих до 0,9Uвих. Час встановлення вихідної напруги tуст оцінюють інтервалом часу, протягом якого вихідна напруга змінюється від рівня 0,1 до рівня 0,9 значення, що встановилося. Як правило для VUвих = 0,1÷100 В/мкс, а tуст=0,05÷2 мкс.
Випадкові новини
1.2 Робота діодного випрямляча за підвищеної частоти
Особливості роботи діодів при підвищених частотах зручно розглянути з прикладу однофазного випрямляча з виведенням нульової точки трансформатора, показаної на рис. 1.1.(а). Припустимо, що на первинну обмоткутрансформатора подається напруга u1 прямокутної форми, тривалістю фронтів якого можна знехтувати. Крім того, припустимо, що струм навантаження згладжений, а опір короткого замикання трансформатора має реактивний характер. У цьому випадку в стаціонарному режимі при включенні діода VD1 електромагнітні процеси в контурі комутації можна розрахувати, використовуючи еквівалентну схему, показану на рис. 1.1.(б). При цьому амплітуда комутуючою ЕДС Ek дорівнює амплітуді лінійної ЭДС вторинної обмотки трансформатора, а індуктивність комутаційного контуру дорівнює подвоєної індуктивності короткого замикання трансформатора, наведеної до вторинної обмотки трансформатора. Тимчасові розгортки процесів у схемі показано на рис. 1.2. При включенні діода VD1 виникає коротке замикання між висновками "а" і "х" вторинної обмотки трансформатора і починається процес переходу струму з діода VD2, що раніше працював, на включився діод VD1. Швидкість зміни анодних струмів діодів визначається величиною комутуючою ЕДС та індуктивністю комутаційного контуру:
У момент часу анодний струм вступає в роботу діода VD1 досягає рівня струму навантаження, а анодний струм діода VD2, що виходить з роботи, спадає до нуля. Однак, оскільки відновлення зворотного опору діода відбувається не миттєво, коротке замикання контуру комутації зберігається, і процес наростання комутаційного струму триває. При цьому в діоді VD2 формується імпульс зворотного струму, а в діоді VD1 амплітуда анодного струму дорівнює сумі струму навантаження і зворотного струму діода, що виходить з роботи.
Процес відновлення зворотної електричної міцності діода, що вийшов з роботи, займає час. Площа під кривою зворотного струму діода називається зарядом відновлення. Величина
зарядувідновлення та час зворотного відновлення є паспортними параметрами діодів та наводяться у довідниках, наприклад у [9]. Знаючи ці параметри діода, можна обчислити амплітуду зворотного струму діода за формулою:
де – заряд відновлення.
Багато зарубіжних фірм в інформаційних матеріалах на діоди замість величини заряду відновлення приводять залежності амплітуди зворотного струму від швидкості спаду анодного струму діода.
Процес відновлення напруги на діоді, що виходить з роботи, відбувається на етапі зниження зворотного струму протягом часу. Цей процес може відбуватися зі швидкістю, яка залежить від властивостей p-n переходу. Велика швидкість спаду зворотного струму ("обрив" зворотного струму) викликає значні перенапруги на діоді, що визначаються ЕДС самоіндукції на індуктивності комутаційного контуру. Пригнічення перенапруг, що виникають при обриві зворотного струму діодів, робиться за допомогою демпфуючих RC-ланцюгів, що включаються паралельно діодів. Для зменшення цих перенапруг випускаються спеціальні діоди з так званим "м'яким відновленням" (soft recovery).
Як видно на розгортці, показаній на рис. 1.2.(в), при перемиканні діодів у кривій вихідної напруги виникає провал, тривалість якого дорівнює сумі часу комутації струму навантаження та часу зворотного відновлення діода. Таким чином, при збільшенні частоти середнє значення вихідної напруги випрямляча зменшується і, отже, потужність, що віддається у навантаження, і, відповідно, ефективність процесу перетворення енергії теж падають.