Выход на полти мощности

СопЗпФ

1 г 5Б8Ю го so юо гоо ш то

Максимальная частота синусоидаяоного сигнала, кГЦ

Рнс. 10.8. Номограмма для быстрого определения f aKc.

10.3.4. Номограмма для определения fM.iKc. Рис. 10.8 упрощает нахождение /макс ДДЯ любой амплитуды выходного напряжения при скорости нарастания от 0,5 до 5 В/мкс. Например, чтобы ответить на вопрос п. а примера 10.10, следует определить, где горизонтальная линия с С/вых.пик=10 В пересекает линию со скоростью нарастания 0,5 В/мкс. Под точкой пересечения получаем значение /макс = 8 кГц.

10.4. Шумы на выходе

10.4.1. Введение. Нежелательные электрические сигналы, присутствующие на выходе усилителя, определяются как шумы. Дрейф (гл. 9) и сдвиги можно рассматривать как щумы на очень низких частотах. Если наблюдать за выходным напряжением при помощи чувствительного осциллографа (со шкалой 1 мВ/см), то будут видны хаотические колебания напряжения шумов, называемые помехами. Частота этих напряжений шумов лежит в диапазоне от 0,01 Гц до нескольких мегагерц.

Шумы возникают в любом веществе, находящимся при температуре выше абсолютного нуля (-273°С). Они генерируются также всеми электрическими устройствами и контролирующими их приборами. Например, в автомобиле система зажигания, свечи, регулятор напряжения, двигатель вентилятора, кондиционер и ге-

Рис. 10.9. Моделирование шумов ОУ включением последовательно с входом (-Ь)

генератора шума.

нератор генерируют шумы. Шумы возникают даже при включении (или выключении) фар, когда ток в них изменяется скачком. Такого рода шумы являются внешними по отношению к ОУ. Их влияние можно свести к минимуму выбором соответствующей схемы и конструкции (разд. 10.4.3-10.4.5).

10.4.2. Шумы в операционном усилителе. Даже в отсутствие внешних шумов в выходном напряжении могут оставаться шумы, вызванные самой схемой ОУ. Эти внутренние шумы ОУ проще всего моделируются источником напряжений шумов Ещ. Как показано на рис. 10.9, Еш включается последовательно с входом (-1-). В спецификациях на ОУ напряжения шумов указываются в микровольтах (эффективное значение) для различных величин сопротивления источника в определенном диапазоне частот. Например, ОУ 741 имеет суммарные шумы 2 мкВ в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц. Это значение справедливо для сопротивлений источника (/?вх) от 100 Ом до 20 кОм. При вх свыше 20 кОм напряжение шумов возрастает прямо пропорционально 7?вх. Поэтому для минимизации шумов на выходе 7?вх следует выбирать не более 20 кОм (см. приложение 1).

10.4.3. Коэффициент усиления по шумам. Напряжение шумов усиливается так же, как и напряжение сдвига, т. е. коэффициент 1/силения напряжения шумов равен коэффициенту усиления неинвертирующего усилителя, а именно:

Ro.c

l.i*

Что можно сделать для минимизации ошибок в выходном напряжении, вызываемых шумами? Во-первых, избегайте, по возможности больших величин Ro.c- Включите параллельно о.с конденсатор малой емкости (3 пФ), который будет шунтировать резистор по шумам на высоких частотах. При этом высокочастотные составляющие шумов будут усиливаться слабее. Во-вторых, не шунтируйте емкостью Rbk, в противном случае цепь Rby.C будет иметь на высоких частотах меньший импеданс, чем Rbx, и усиление с ростом частоты будет увеличиваться, что ухудшит ситуацию. И, наконец, старайтесь выбрать 7?вх~ Ю кОм.

Токи шумов, так же как и токи смещения, присутствуют на каждом из входных зажимов ОУ. Если в схему установлен резистор компенсации токов смещения (гл. 9), то влияние токов шумов на выходное напряжение будет ослаблено.

Как и в случае тока сдвига, влияние токов шумов зависит от величины сопротивления обратной связи. Поэтому по возможности уменьшайте величину Ro. с для минимизации влияния токов шумов.

10.4.4. Шумы в инвертирующем сумматоре. В инвертирующем сумматоре (разд. 3.2) коэффициент усиления напряжения по каждому из входов равен 1. Однако коэффициент усиления по шумам будет равен 1 плюс число входов; например, четырехвходовый сумматор имеет коэффициент усиления по шумам, равный 5. Таким образом, напряжение шумов усиливается в 5 раз сильнее, чем каждый из входных сигналов. Поэтому сигналы с малой амплитудой перед подачей на сумматор следует предварительно усилить.

10.4.5. Выводы. Для уменьшения влияния шумов ОУ:

1. Никогда не включайте параллельно входному резистору или со входа (-) на землю конденсатор. В любой схеме между входом (-) и землей имеется паразитная емкость соединительных линий в несколько пикофарад, поэтому

2. Всегда подключайте параллельно резистору обратной связи конденсатор малой емкости (3 пФ). Это уменьшит коэффициент усиления по шумам на высокой частоте.

3. Если возможно, избегайте применения резисторов с большим сопротивлением.

10.5. Внешняя частотная коррекция

10.5.1. Необходимость внешней частотной коррекции. Операционные усилители с внутренней частотной коррекцией (разд. 10.2 и приложение 1) сохраняют устойчивость независимо от частоты

Это целесообразно также из соображении устойчивости и монотонности переходных процессов. - Прим. ред.

Ml мала. Они не входят в состояние генерации ни самопроизволь-II. ПН под действием сигналов. Однако за эту устойчивость при-п.чнтся расплачиваться тем, что такие ОУ имеют ограниченные по-licy пропускания на малых сигналах, скорость нарастания и поим/кенную полосу пропускания на полной мощности. Операционные усилители с внутренней коррекцией хороши в качестве усили-и-.чей низкой частоты, но плохо работают на высоких частотах.

ОУ 741, который имеет произведение усиления на полосу про-.1\скания 1 МГц, будет давать усиление, равное 1000 только до 1.1СТ0ТЫ l кГц. Чтобы получить больший коэффициент усиления ма более высоких частотах, мы должны удалить конденсатор внутренней коррекции. Полученная при этом структура ОУ имеет бо-lee высокую скорость и большую полосу пропускания на полной мощности. Однако эти улучшения будут сведены на нет тем, что ОУ будет входить в генерацию. Как и везде, здесь приходится вы-оирать: частотная стабильность или большие полоса пропускания II скорость нарастания.

Чтобы сделать возможным такой выбор, изготовители ОУ вы-1ЮДЯТ из них от 1 до 3 выводов частотной коррекции. Эти зажимы позволяют пользователю выбрать наилучшую из возможных комбинаций стабильности и полосы пропускания. Делается это подключением к выводам коррекции внешних (навесных) конденсаторов. Операционный усилитель такого типа с гибким применением называется ОУ с внешней частотной коррекцией (см. приложение 2).

10 ЮО 1к Юк ЮОк /м ЮМ

Частота, кГц

Рис. 10.10. Расширение частотного диапазона включением конденсатора внешней коррекции.

АЧХ при коррекции конденсатором С. o5ecnevuBawuiUM подачу сигнала Вперед

1к 10к ЮОк Частота Гц

Рис. 10.11. Расширение полосы пропускания за счет частотной коррекции подачей сигнала вперед.

10.5.2. Коррекция одним конденсатором. Частотную характеристику ОУ 101 общего назначения можно изменять одним конденсатором Си подключенным к выводам / и 8. Как показано на рис. 10.10 и в приложении 2, при Ci = 3 пФ ОУ 101 имеет АЧХ без ОС с полосой пропускания на малых сигналах, равный 10 МГц. Увеличение Ci в 10 раз (до 30 пФ) влечет за собой десятикратное уменьщение малосигнальной полосы пропускания (до 1 МГц). Следовательно, ОУ 101 можно скорректировать внешними элементами таким образом, что он будет иметь такую же полосу на малом сигнале, что и ОУ 741.

При включении ОУ 101 в схему усилителя диапазон полезных частот усилителя будет зависеть от емкости корректирующего конденсатора. Например, при Ro.dRbx, задающем коэффициент усиления усилителя, равный 100, полоса пропускания усилителя на малом сигнале при Ci=30 пФ составит 10 кГц. Уменьшив Ci до 3 пФ, мы увеличим полосу до 100 кГц. Полоса пропускания на полной мощности при этом также увеличивается с 6 до 60 кГц.

10.5.3. Частотная коррекция подачей сигнала вперед. Существует много других видов частотной коррекции. Среди наиболее популярных - метод коррекции двумя конденсаторами или двухполосной коррекции, а также коррекция подачей сигнала вперед*К

> Этот метод называется также методом параллельных каналов или методом выключения каскадов. - Прим. ред.

Г. . мсцификациях изготовителей приводятся подробные инструкции, какой тип коррекции лучше всего подходит для вашего при-МЧКПИЯ.

Коррекция подачей сигнала вперед для ОУ 101 показана на IMi. 10.11. Конденсатор С, осуществляющий такого вида коррек-итп, включается с входа (-) на вывод коррекции /. Для обеспе-чгиия частотной стабильности необходим конденсатор малой ем-1.1 чти Со. с, включаемый параллельно Ro.c- Скорость нарастания г. гакой схеме увеличивается до 10 В/мкс, а полоса пропускания II.I полной мощности становится больше 200 кГц. Разумеется, уве-шчение усиления на высоких частотах увеличит также усиление -..1сокочастотных шумов.

Следует сделать вывод, что методы частотной коррекции не->Г)ходимо выбирать в соответствии с конкретным применением. Не пдавайте коэффициент усиления на высоких частотах сверх минимально необходимого; в противном случае вы будете иметь на пмходе ненужные высокочастотные шумы.

{адачн

10.1. Чему равно типичное значение коэффициента усиления ОУ без ОС на очень низких частотах?

10.2. Коэффициент усиления ОУ без ОС на постоянном токе равен 100 000. Чему равен его коэффициент усиления без ОС на сопрягающей частоте АЧХ?

10.3. Время нарастания переходного процесса при единичном усилении составляет 0,07 мкс. Найдите значение полосы единичного усиления на малом сигнале.

10.4. Чему равен коэффициент усиления но напряжению без ОС операционного усилителя из предыдущей задачи на частоте 5 МГц?

10.5. ОУ имеет полосу единичного усиления 2 МГц. Чему равен его коэффициент усиления без ОС на частоте 200 кГц?

10.6. Каково различие между коэффициентами усиления без ОС и с ОС?

10.7. В примере 10.6 Ко.с усилителя равен 50. Чему равна максимальная частота для ошибки усиления в 1%?

10.8. Чему равна максимальная частота для усилителя из предыдущей задачи при ошибке усиления б 10%?

10.9. Коэффициент усиления усилителя постоянного тока с ОС равен 10, а полоса единичного усиления ОУ составляет 10 МГц. Найдите полосу пропускания усилителя на малом сигнале.

10.10. За какое время выходное напряжение ОУ может изменяться на 10 В, если скорость нарастания ОУ равна 1 В/мкс?

10.11. Чему равна максимальная частота для ОУ из предыдущей задачи при амплитуде выходного напряжения 10 В?

10.12. Используйте рис. 10.8 для определения максимальной частоты выходного напряжения амплитудой 5 В при максимальной скорости нарастания 5 В/мкс.

10.13. Чему равен коэффициент усиления по шумам инвертирующего усилителя с Ко.с=Яо.с/Явх=т

10.14. Чему равен коэффициент усиления по шумам инвертирующего сумматора с шестью входами?

10.15. Увеличивает или, уменьшает увеличение емкости конденсатора коррекции полосу единичного усиления? , , ~