Vac/пота, Гц

Рнс. 10.4. Порядок определения полезного или рабочего диапазона частот, в котором Кос определяется резисторами обратной связи с точностью в 10%.

Сравните с рнс. 10.3.

идеального значения, задаваемого Ro.c и Rbx, не более чем на 107о, необходимо проделать следующую процедуру, аналогичную описанной в разд. 10.2.3.

1. Вычисляем значение /io=fi/10. Фиксируем /ш в виде точки / на оси абсцисс АЧХ (рис. 10.4).

2. Проводим кривую 10%-ной ошибки из точки / параллельно АЧХ без ОС.

3. Проводим горизонтальную прямую, на уровне идеального Ло. с до пересечения с кривой 10%-ной ошибки (в точке 5 на рис. 10.4).

4. Отсчитываем значение максимальной частоты или диапазона частот для 10%-ной ошибки усиления на оси абсцисс прямо под точкой 3.

Пример 10.7. Чему равен диапазон частот 107о-ной точности уси.тения .для усилителя из примера 10.6?

Решение. Идеальное значение Ло.с=1-Ь/?о.с/Лвх= 101. Прямая с такой ординатой пересекает линию 10%-ной ошибки усиления в точке 3 (рнс. 10.4). Под этой точкой лежит значение /= I кГц. Таким образом, усилитель, показанный на рнс. 10.2, усиливает слабые сигналы в 101 раз с ошибкой, не превышающей 10%. в диапазоне от постоянного тока до частоты 1 кГц.

Продолжив пример 10.7, мы видим из рис. iO.4, что усилитель с 10 усиливает сигналы с точностью в 10% вплоть до ча-

I =5

Полоса пропускания и др. частотные характеристики Кд = iOO при /= 1000 /1

1/<

Рнс. 10.5. Полоса пропускания на малом сигнале.

стоты 10 кГц. Для усилителя с единичным усилением 10%-ный диапазон часто будет равен 100 кГц.

10.2.5. Полоса пропускания на малом сигнале. Диапазон рабочих частот для любого усилителя (с ОС или без нее) определяется предельными верхней /в и нижней / частотами. На этих частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до 0,707 максимального значения, которое он имеет в середине полезного диапазона частот. Выражая в децибелах, можно сказать, что на частотах fe и f усиление падает на 3 дБ. Указанные положения иллюстрируются АЧХ общего вида на рис. 10.5.

Полоса пропускания на малом сигнале есть разность ме.жду /в и / . Частота /н мала по сравнению с /в, а у усилителей постоянного тока она равна 0. Следовательно, полоса пропускания на малом сигнале приблизительно равна верхней предельной частоте /в. На рнс. 10.1 по точке А видно, что полоса пропускания ОУ на малом сигнале составляет 5 Гц.

Полоса пропускания усилителя на малом сигнале определяется как полосой единичного усиления В (разд. 10.1.3), так и коэффициентом усиления с ОС /Со. с- Она связана с ними простым соотношением:

Полоса пропускания на малом сигнале с OC=-J-. (10.3)

Ло.с

Это уравнение можно выразить графически, как это сделано на рис. 10.6. Вычислим идеальное значение Ло. с = /?о. с ?ех= ЮОО. Проведем из точки Ко.с на оси ординат горизонтальную прямую до пересечения с АЧХ без ОС в точке [в- Полоса пропускания на ма-

гмви

g { Л томный Ло.с =

в, полоса пропускания при единич- лом усилении

Ри.с. 10.6. Определение полосы пропускания на малом сиг а.пе по АЧХ без ОС

в котором используется данный OV с К частоте U усилителя,

в)тежепара.метры\ляуи с Й,; :.Г~ -

Решение, а) Из соотношения (10.3) имеем

10 Ги

полоса пропусканиям-щ-= 10 кГц.

б) /foc/f=100-0,707 70.

в) Из соотношения (10.3)

Полоса пропуска1шя= -ЮО кГц

/(о.с в=10-0,707 7.

Пример 10.8 и соотношение (Ю.З) показывают, что коэффициент усиления на малом сигнале и полоса пропускания связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Если мы \ величии коэффициент усиления в 10 раз, го полоса пропускания уменьшится во столько же раз. Обратите внимание на тот факт, что произведение коэффициента усиления с ОС на полосу пропускания на малом сигнале всегда равно полосе единичного усиления В. По этой причине полосу единичного усиления называют гакже произведением усиления на полосу пропускания, и она служит показателем качества ОУ.

10.3. Максимальная скорость нарастания и выходное напряжение

10.3.1. Определение скорости нарастания. Скорость нарастания ОУ говорит о том, как быстро может изменяться выходное напряжение. У операциониого усилителя общего назначения, такого, как, например, ОУ 741, максимальная скорость нарастания составляет 0,5 В/мкс. Это означает, что напряжение на выходе может изменяться за 1 мкс максимум на 0,5 В. Скорость нарастания зависит от многих факторов: коэффициента усиления усилителя, наличия и величины емкости корректирующих конденсаторов и даже от того, в каком направлении (положительном или отрицательном) изменяется выходное напряжение. Наихудший случай или наименьшая скорость нарастания имеет место при единичном усилении. Поэтому скорость нарастания указывают в спецификации для /Со. с = 1 (см. приложение 1 и 2).

10.3.2. Причина ограничения скорости нарастания. В самом ОУ или вне его всегда имеется по меньшей мере один конденсатор, необходимый для предотвращения генерации (разд. 10.1.1). К этому конденсатору подключается некоторая часть схемы ОУ; как и всякая цепь, она способна отдать ток, максимальная величина которого ограничена конструкцией ОУ. Отношение этого максимального тока / и емкости корректирующего конденсатора С и есть максимальная скорость нарастания. Пусть, например, ОУ 741 может отдать в имеющуюся у него корректирующую емкость С= = 30 пФ ток с максимальным значением 15 мкА (см. приложение 1). Тогда

Изменение выходного напряжения Скорость нарастания =-Время--~-~

15мкА

30 пФ

=0,5

(10.4)

Из этого уравнения следует, что для получения большей скорости нарастания требуется ОУ, либо Способный выдать больший

максимальный ток заряда корректирующего конденсатора, либс требующий меньшую емкость коррекции. Например, операцион! иый усилитель AD 518 имеет скорость нарастания 80 В/мкс г 400 мкА и С = 50 пФ.

Пример 10.9. На вход инвертирующего усилителя с единичным усплением , подается изменяющееся скачком напряжение 10 В. Если усилитель собран на] ОУ 741, то сколько времени потребуется на изменение выходного напряжения на 10 В?

Решение. Из выражения (10.4) находим

Скорость нарастания =

0,5В 10 В мкс ~ Время

Время:

ЮВ-мкс

0,5~В~

= 20 мкс.

10.3.3. Ограничение скорости нарастания в случае синусоидальных сигналов. В повторителе напрялуения на рис. 10.7 Евх - синусоидальное напряжение с амплитудным значением £пик Максимальная скорость изменения Еу. зависит от частоты сигнала и его амплитуды и равна 2nfEj,<. Если скорость изменения Ек превышает максимальную скорость нарастания ОУ, то форма выходного сигнала Lbmx будет искажена. Это значит, что Usv.x пытается, но не может следовать за Евх, поскольку скорость нарастания ограничена. Результатом будет искажение формы напряжения Свых, которая будет напоминать треугольную (рис. 10.7). Максимальная частота /макс, при которой .мы можем получить неиска-

Наклон=скорость /нарастания

- тв

Рис. 10.7. Пример искажения t/,in за счет ограничения скбрости нарастания.

.iviHHoe выходное напряжение с амплитудой f/вых. пик, определяет-i vi скоростью нарастания в соответствии с выражением

Скорость нарастания

= ~ 6,28 f/вых.пик

(10.5)

Де /макс - максимальная частота в герцах, Свых. пик--максималь-1юе неискаженное выходное напряжение в вольтах, а скорость нарастания измеряется в вольтах на микросекунду.

Пример 10.10. Скорость нарастания ОУ 741 равна 0,5 В/мкс На какой максимальной частоте можно получить неискаженное выходное напряжение с амплитудой а) 10 В и б) 1 В?

Решение, а) Из выражения (10.5)

/ макс - -

6,28-10В мкс

; 8 кГц.

б) Из (10.5)

; 80 кГц.

Пример 10.11. ОУ 741 при питании ±15 В может выдать напряжение с амплитудой 13 В. Это напряжение называется выходуш при полной мощностиК Чему равна максимальная частота для выхода ОУ 741 на полной мощности? Замечание: частота выхода на полной мощности часго приводится изготовителями в спецификации на ОУ (см. приложение 1, Шкала выхода как функция частоты ).

Решение. Из выражения (10.5)

1 0,5В

ыакс.п.м - 6,28- 13 В

: 6 кГц.

Примеры 10.10 И 10.11 показывают, что скорость нарастания ограничивает сверху частоту выходных напряжений большой амплитуды. При уменьшении требуемой от ОУ амплитуды выходного напряжения верхний частотный предел, налагаемый скоростью нарастания ОУ, возрастает.

Напомним, что верхний частотный предел, налагаемый малосигнальной характеристикой ОУ, увеличивается при уменьшении Ко.с. в каждой конкретной схеме усилителя необходимо вычислять верхние частотные пределы, налагаемые ограничением скорости нарастания (разд. 10.3.3) и полосой пропускания на малом сигнале (разд. 10.2.5). Наименьшее из этих двух значений определяет фактическую предельную верхнюю частоту. В общем случае скорость нарастания есть ограничивающий частоту фактор в условиях больших сигналов, а АЧХ ограничивает частоту на малых сигналах.

В отечественной литературе обычно называется шкалой выходного напряжения. - Прим. ред.