Обратная связь в операционных усилителях: 4.26. Влияние обратной связи на работу усилителей

Содержание

4.26. Влияние обратной связи на работу усилителей

Операционные усилители

Обратная связь и усилители с конечным усилением



Рассмотрим, как влияет обратная связь на работу схемы Действие обратной связи проявляется прежде всего в том, что можно заранее оценить усиление схемы и уменьшить искажения, а также в том, что изменяются входной и выходной импедансы.

Предварительная оценка усиления. Коэффициент усиления по напряжению равен А /(1 + АВ). Если считать величину коэффициента А бесконечно большой, то получим К = 1/В. Этот результат мы поручили раньше когда рассматривали не инвертирующий усилитель, в котором сигнал обратной связи подавался на инвертирующий вход с помощью делителя напряжения, подключенного к выходу (рис. 4.69). Коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи представляет собой величину, обратную коэффициенту передачи делителя напряжения. В том случае когда коэффициент А ограничен, обратная связь все равно уменьшает влияние изменений А (происходящих под воздействием частоты, температуры, величины сигнала и т.п.). Допустим, например, что зависимость коэффициента А от частоты можно представить в виде графика, показанного на рис. 4.67. Усилитель с такой характеристикой, без всякого сомнения, можно отнести к числу плохих (коэффициент усиления изменяется в 10 раз). Представим, что мы ввели обратную связь и В = 0,1 (подойдет простой делитель напряжения). Коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи изменяется от 1000/[1 + (1000 0,1)] или 9,9 до 10 000/[1 + (10 000 0,1)], или 9,99. В том же диапазоне частот изменение коэффициента усиления составляет всего 1%. Если пользоваться терминологией, принятой в технике звуковых частот, то неравномерность характеристики усилителя без обратной связи в полосе частот составляет ± 10 дБ, а при наличии обратной связи неравномерность характеристики составляет всего ± 0,04 дБ. Если включить последовательно три таких каскада, то коэффициент усиления вновь будет равен 1000, а неравномерность остается почти такой же малой, как у одного каскада с обратной связью. Подобная задача (а именно необходимость получения плоской характеристики телефонного усилителя) привела к изобретению отрицательной обратной связи. Изобретатель Гарольд Блэк писал (журнал Electrical Engineering, 53, 114 A934)): «Установлено, что если взять усилитель, коэффициент усиления которого больше, чем нужно, скажем на 40 дБ (10 000 - кратный запас по мощности), а затем подключить к нему цепь обратной связи таким образом, чтобы погасить избыточное усиление, то оказывается, что постоянство усиления заметно улучшается, а линейность увеличивается».

Рис. 4.67.

Если взять производную от G по А (dG/dA), то нетрудно показать, что уменьшение относительных изменений коэффициента усиления при замыкании петли обратной связи определяется величиной коэффициента грубости: ΔК/К = [1/(1 + АВ)]ΔА/А. Следовательно, для получения хорошей характеристики необходимо, чтобы коэффициент петлевого усиления АВ был значительно больше единицы. Это равносильно условию, согласно которому коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи должен быть намного больше, чем коэффициент усиления при замкнутой петле обратной связи.

Увеличение стабильности сопровождается уменьшением нелинейности, которая определяется изменениями коэффициента усиления в зависимости от уровня сигнала.

Входной импеданс. При построении схемы с обратной связью из входного напряжения или тока вычитается некоторая часть, пропорциональная выходу (такую обратную связь называют соответственно последовательной или параллельной обратной связью). Например, в не инвертирующем ОУ часть выходного напряжения вычитается из дифференциального напряжения, действующего на входе, а в инвертирующем происходит вычитание части входного тока. В этих двух случаях обратная связь противоположным образом влияет на входной импеданс. Обратная связь со сложением напряжения увеличивает входной импеданс при замкнутой петле обратной связи в (1 + АВ) раз (по сравнению с разомкнутой схемой). в то же время обратная связь со сложением тока уменьшает его во столько же раз. При стремлении коэффициента передачи петли обратной связи к бесконечности входной импеданс (со стороны входа усилителя) стремится к бесконечности или к нулю соответственно. Это и понятно, так как обратная связь со сложением напряжения стремится вычесть из входного такой сигнал, что в результате падение напряжения на входном сопротивлении усилителя будет меньше в АВ раз; это своего рода следящая связь. Обратная связь со сложением тока уменьшает сигнал на входе усилителя, подавляя его током, текущим по цепи обратной связи.

Посмотрим, как обратная связь меняет действующее значение входного импеданса на примере обратной связи со сложением напряжений. Аналогичные рассуждения вы можете провести и для второго случая. Используем модель ОУ с конечным входным сопротивлением (рис. 4.68). Входное напряжение U

вх уменьшается на величину ВUвых, и на выходах усилителя действует дифференциальное напряжение Uдиф = Uвх - ВUвых. Входной ток при этом равен

Iвх = Uвх - ВUвых/Rвх = Uвх[1 - AB(1 + AB)]/Rвх = Uвх/(1 + AB)Rвх.

Отсюда действующее значение входного сопротивления равно

Rвх = Uвх/Iвх = (1 + AB)Rвх.

Рис. 4.68.

Классическая схема не инвертирующего ОУ с обратной связью имеет точно такой вид, как показано на рис. 4.69. Для этой схемы В = R1/(R1 + R2), коэффициент усиления по напряжению определяется выражением KU = 1 - R2/Rl, для идеального случая коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи А равен бесконечности и входной импеданс также равен бесконечности. Для конечного коэффициента передачи в петле обратной связи справедливы выражения, полученные выше.

Рис. 4.69.

Схема инвертирующего ОУ отличается от схемы не инвертирующего ОУ и анализировать ее следует отдельно. Лучше всего рассматривать ее как сочетание входного резистора, управляющего схемой с обратной связью со сложением тока (рис. 4.70). В случае обратной связи со сложением тока параллельной) на входе усилителя (инвертирующем) суммируются ток из цепи обратной связи и входной ток (такой усилитель является фактически усилителем с передаточным сопротивлением; он преобразует входной ток в выходное напряжение). Обратная связь уменьшает импеданс со стороны «суммирующего входа» R2 в (1 + А) раз (попробуйте это доказать). При очень больших значениях коэффициента передачи в петле обратной связи (например, в ОУ) входной импеданс уменьшается до долей ома, что является хорошей характеристикой для усилителей с токовым входом. В качестве примеров можно привести усилитель фотометра (разд. 4.22) и логарифмический преобразователь (разд. 4.14).

Рис. 4.70.

Классический инвертирующий ОУ, показанный на рисунке, представляет собой сочетание усилителя с параллельной обратной связью и резистора, подключенного последовательно ко входу. Входной импеданс в этом случае равен сумме сопротивления R

1 и импеданса со стороны суммирующей точки. Для петли с высоким коэффициентом усиления Rвх и R1 приблизительно равны между собой.

Очень кстати сейчас в качестве упражнения вывести выражение для коэффициента усиления по напряжению для инвертирующего усилителя с конечным усилением в петле обратной связи. Выражение имеет вид

q = - A(1 - B)/(1 + AB),

где В определяется как и раньше, а именно В = R1/(R1 + R2). Для предельного значения коэффициента усиления А при разомкнутой цепи обратной связи, G = - 1/В + 1 (т.е. G = - R2/R1).

Упражнение 4.11. Выведите предыдущие выражения для входного импеданса и коэффициента усиления инвертирующего усилителя.

Очень кстати сейчас в качестве упражнения вывести выражение для коэффициента усиления по напряжению для инвертирующего усилителя с конечным усилением в петле обратной связи. Выражение имеет вид

q = - A(1 - B)/(1 + AB),

Выходной импеданс. Обратим теперь внимание на то, что цепь обратной связи передает с выхода на вход сигнал, пропорциональный либо выходному напряжению, либо току нагрузки. В первом случае выходной импеданс при замыкании обратной связи уменьшается в A + АВ) раз, а во втором - во столько же раз увеличивается. Рассмотрим это явление на примере напряжения. Начнем с модели, представленной на рис. 4.71. На этой схеме выходной импеданс показан в явном виде. Для упрощения вычислений воспользуемся следующим приемом: замкнем вход накоротко и положим, что выходное напряжение равно U; определив выходной ток I, найдем выходной импеданс R

вых = U/I. Напряжение U на выходе создает на входе усилителя падение напряжения, равное - B/U, которое в свою очередь создает во внутреннем генераторе усилителя напряжение - ABU. Выходной ток при этом равен

I = U - (- ABU)/Rвых = U(1 + АВ)/Rвых,

следовательно, действующий выходной импеданс определяется выражением

Rвых = U/I = Rвых/(l + AB).

Рис. 4.71.

Если используется обратная связь по току, т. е. сигнал обратной связи пропорционален току в нагрузке, то выражение для выходного импеданса принимает вид

Rвых

= Rвых/(1 + AB).

Можно использовать несколько цепей обратной связи как по току, так и по напряжению. В общем случае выходной импеданс определяется формулой Блэкмана:

Rвых = Rвых[1 + (AB)к.з./1 + (АВ)х.х.],

где (АВ)к.з., - коэффициент передачи цепи обратной связи при коротком замыкании выхода; (АВ)х.х. - коэффициент передачи цепи обратной связи при обрыве цепи нагрузки (на холостом ходу). Таким образом, с помощью обратной связи можно получить нужный выходной импеданс. Это выражение есть обобщение полученных выше результатов для произвольной комбинации обратных связей по току и по напряжению.

Цепь ОС и нагрузка усилителя. Выполняя расчеты для схем с обратной связью, обычно предполагают, что β - цепь не нагружает выход усилителя. В противном случае это следует учесть при расчете коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи. Точно так же, если подключение β - цепи на входе усилителя влияет на величину коэффициента усиления без обратной связи (обратная связь устранена, но подключение выполнено), следует использовать модифицированный коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи. И наконец, обычно предполагается, что β - цепь является направленной, т.е. она не передает сигнал со входа на выход.


Некоторые типичные схемы с операционными усилителями


Приручаем нестабильный ОУ

1 декабря 2018

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

В предыдущей публикации я рассмотрел две наиболее распространенные причины возникновения колебаний или нестабильности в схемах с операционными усилителями. При этом исходной причиной этих негативных явлений была задержка или сдвиг фазы в цепи обратной связи.

Простой неинвертирующий усилитель может быть неустойчивым или иметь чрезмерное перерегулирование и осцилляции, если сдвиг фазы или задержка, создаваемые входной емкостью ОУ (плюс некоторая паразитная емкость) совместно с сопротивлением цепи обратной связи, слишком велики (рисунок 29).

Рис. 29. Чрезмерное превышение выходного сигнала и осцилляции указывают на возможную неустойчивость

Можно немного улучшить ситуацию за счет уменьшения паразитной емкости на инвертирующем входе, например, уменьшив площадь проводника на печатной плате. Однако для конкретного операционного усилителя входная емкость (дифференциальная и синфазная) представляет собой фиксированное значение – с ней ничего поделать нельзя. Тем не менее, можно пропорционально снизить сопротивление резисторов в цепи обратной связи, чтобы сохранить коэффициент усиления без изменений.

Уменьшение сопротивлений резисторов ОС перемещает полюс, созданный входной емкостью, в область более высоких частот и снижает постоянную времени. В этом примере уменьшение сопротивлений резисторов до 5 кОм и 10 кОм позволяет добиться явного улучшения, но все же сохраняет примерно 10-процентное перерегулирование и колебания. Такое решение также увеличивает нагрузку на операционный усилитель, поэтому невозможно бесконечно идти по этому пути. Сумма двух резисторов – это нагрузка на ОУ, и она не должна быть также слишком низкой.

Лучшим решением проблемы в данном случае, скорее всего, будет использование дополнительного конденсатора Cc, подключенного параллельно с R2 (рисунок 30). Если R1 × Cx = R2 × Cc, то делитель напряжения оказывается скомпенсированным, и коэффициент импеданса является постоянным для всех частот. В таком случае фазовый сдвиг или задержка в цепи обратной связи будет мала.

Рис. 30. Конденсатор Cc, подключенный параллельно с R2, позволяет избежать фазового сдвига в цепи обратной связи

Вы можете сравнить цепь обратной связи в ОУ с компенсированным щупом в осциллографе (рисунок 31). Там используется та же концепция. Переменный конденсатор в щупе позволяет выполнять выравнивание постоянных времени. Можно заметить, что отклик этого щупа никогда не выглядит неустойчивым, даже если он настроен неправильно. Почему? Потому что он не входит в цепь обратной связи.

Рис. 31. Цепь обратной связи очень похожа на компенсированный щуп в осциллографе

В схеме на рисунке 30, как и при калибровке щупа осциллографа, может потребоваться подстройка конденсатора Cc. Точная величина Cx не всегда известна из-за наличия различных паразитных емкостей. Кроме того, может понадобиться настройка реакции схемы в соответствии с заданными требованиями, например, с небольшим перерегулированием для повышения скорости и пропускной способности.

Другой распространенной причиной неустойчивости является емкостная нагрузка операционного усилителя. Опять же, в этом случае возникает фазовый сдвиг в цепи обратной связи (задержка в цепи обратной связи), который является корнем проблемы. Здесь сложность заключается в том, что выходной резистор разомкнутого контура представлен внутренним сопротивление операционного усилителя. Невозможно включить компенсирующую емкость параллельно с этим резистором. На самом деле это не совсем резистор, это – эквивалентное выходное сопротивление внутренней схемы ОУ.

Вернитесь к схеме вашего последнего неустойчивого усилителя. Можете ли вы объяснить причину проблем с задержкой обратной связи?

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
  8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
  9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
  10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  11. Встроенная схема компенсации токов смещения в ОУ с биполярными входами
  12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Положительная и отрицательная обратная связь в усилителях

Обратная связь – процесс передачи сигнала с выхода усилителя обратно на его вход, а также цепь, осуществляющая эту передачу.

Обратная связь (ОС) называется отрицательной (ООС), если выходной сигнал усилителя вычитается из входного. Для простоты будем рассматривать установившийся режим работы всей системы, причем усилитель работает в активном режиме (т.е. нормально усиливает сигнал без всяких там перегрузок).

Структурная схема усилителя, охваченного ООС, показана на рис.1.

Здесь некоторый «виртуальный» усилитель с коэффициентом усиления по напряжению Ku ‘ получается из исходного «реального» усилителя, имеющего коэффициент усиления Ku , и охваченного цепью ООС. На самом деле термин «виртуальный» не совсем корректен, но я буду пользоваться им, потому что с точки зрения внешних устройств, подключенных к системе в целом, она представляет собой усилитель с параметрами, отличающимися от параметров реального исходного усилителя без ООС.

С выхода реального усилителя напряжение передается на его вход через цепь ООС с коэффициентом передачи β :

Обычно цепь ООС является пассивной, и β ≤ 1. Если цепь ООС усиливает, то это принципиально ничего не меняет, и все формулы в этом случае выводятся аналогично. Если β = 0, то это означает, что U оос = 0 и обратная связь отсутствует. Обратите внимание, что совершенно безразлично, какую именно схему имеет цепь ООС. Главное – это насколько (во сколько раз) она ослабляет напряжение.

В данной системе присутствует два разных входных напряжения, и чтобы не путаться, я им дам различные наименования:

1. Напряжение, подаваемое на вход «виртуального» усилителя от источника сигнала. Его будем обозначать U сигн .

2. Напряжение, приходящее на вход реального усилителя – U вх .

Итак, выходное напряжение усилителя U вых превращается цепью ООС в напряжение обратной связи U оос и вычитается из входного напряжения. Результат – входное напряжение реального усилителя:

Важный момент: U оос всегда меньше U сигн , поэтому U вх всегда больше нуля.

Реальный усилитель усиливает свой входной сигнал в Ku раз:

Преобразуем формулу (3):

Но U вых / U сигн – это коэффициент усиления Ku ‘ «виртуального» усилителя, как он проявляется для внешнего мира, поэтому:

Таким образом, мы получили формулу для вычисления коэффициента усиления для усилителя, охваченного ООС.

Теперь можно объяснить, почему U оос U сигн . Допустим, что U оос = U сигн . Тогда напряжение, приходящее на вход реального усилителя равно нулю: U вх = U сигн – U оос = 0. А раз так, то и выходное напряжение усилителя равно нулю: U вых = U вх ∙ Ku . Но ведь U оос получается из выходного напряжения: U оос = U вых ∙β , значит оно также будет равно нулю! Пришли к противоречию: предположив, что U оос = U сигн , получили, что U оос = 0. Так происходит только при отсутствии сигнала на входе всей системы, когда все напряжения равны нулю. Что будет, если U оос > U сигн , рассмотрите самостоятельно. С точки зрения математики, исходное утверждение доказывается элементарно:

Рассматривая физику процессов, следует помнить, что выходное напряжение усилителя появляется не само по себе, а является следствием его усиления и образуется из его входного напряжения: U вых = Ku ∙ U вх .

Итак, при охвате усилителя ООС, его коэффициент усиления уменьшается в (1+ β∙ Ku ) раз. Но введение ООС изменяет и другие параметры усилителя.

1. Отрицательная обратная связь изменяет в (1+ β∙ Ku ) раз входное и выходное сопротивления усилителя. При этом они могут как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от способа соединения цепи ООС со входом и выходом усилителя – последовательно или параллельно. Способы подключения цепи ООС ко входу усилителя показаны на рис. 2, а к выходу усилителя – на рис. 3.

Эти формулы несложно вывести, но мы это делать не будем, а будем пользоваться готовыми. И объяснить их с точки зрения схемотехники также несложно. Например, на рис. 2а, напряжение на входе усилителя после замыкания цепи ООС возросло в (1+ β∙ Ku ) раз: U сигн = U вх ∙ (1+ β∙ Ku ), а входной ток остался прежним. Значит, по закону Ома ( R = U / I ) и сопротивление возросло в (1+ β∙ Ku ) раз.

При последовательной по выходу ООС через ее цепь проходит выходной ток усилителя (ток нагрузки), поэтому ее часто называют обратной связью по току. Несколько примеров разных включений цепи ООС показано на рис. 4 и рис. 5. Цепь ООС является четырехполюсником, который обычно замыкается через «землю» цепи, явным образом это показано на рис. 4б.

2. Отрицательная обратная связь расширяет частотный диапазон усилителя. Нижняя f н и верхняя f в граничные частоты увеличиваются примерно в (1+ β∙ Ku ), если усилитель имеет спад АЧХ 6 дБ/октаву. На самом деле, при охвате усилителя ООС могут происходить самые разные процессы, вплоть до превращения усилителя в генератор, но если все работает, то частотный диапазон обязательно расширяется. Это иллюстрируют АЧХ исходного усилителя ( синяя ) и усилителя, охваченного ООС (красная) на рис. 6. Там же показаны границы частотного диапазона без ООС и с ней. Напоминаю, что граничной частотой считается такая частота, где коэффициент усиления уменьшается в корень из двух (примерно 1,41) раз.

3. Введение ООС уменьшает нелинейные искажения усилителя (коэффициент гармоник) примерно в (1+ β∙ Ku ) раз. Это происходит оттого, что ООС линеаризует систему и уменьшает ее ошибки. Изменяется и амплитудная характеристика усилителя (рис.7), на ней плавный переход к области насыщения превращается в довольно острый излом – ООС линеаризует этот участок и «пытается» вытянуть пропорциональное усиление даже там, где оно уже начинает уменьшаться.

На самом деле (1+ β∙ Ku ) – это очень приблизительная оценка, поскольку для анализа нелинейных цепей используется уже совсем другая математика и там все очень сильно зависит от нелинейности усилителя. Но, тем не менее, искажения усилителя снижаются тем сильнее, чем глубже ООС, и в «простых» случаях формула (1+ β∙ Ku ) работает достаточно хорошо.

Итак, мы видим, что охват усилителя отрицательной обратной связью изменяет ряд его основных параметров в (1+ β∙ Ku ) раз. Проанализируем это выражение сначала чисто математически, не вникая пока в его физический смысл. Очевидно, что тут возможны три варианта:

а) β∙ Ku β∙ Ku ≈ 1. В этом случае можно считать, что глубина ООС становится достаточно большой, чтобы начать оказывать влияние на параметры усилителя.

г) β∙ Ku >> 1. Тут обратная связь очень глубока. Интересно, что для очень глубокой ООС формула (4) превращается вот во что:

То есть, свойства усилителя (коэффициент усиления и АЧХ) определяются исключительно параметрами цепи ООС. При значении β∙ Ku = 100, погрешность применения вместо формулы (4) упрощенной формулы (5) составляет 1%, такой погрешностью в большинстве случаев можно пренебречь. А в реальных схемах на операционных усилителях величина β∙ Ku может достигать десятков тысяч, делая погрешность «упрощения формулы» практически незначимой.

Обратите внимание, что в формуле присутствует величина β∙ Ku , как произведение. При этом одинаковое значение этого произведения можно получить как при большой величине Ku и маленьком β, так и при большом β и небольшом Ku , так что в данном смысле эти два параметра равнозначны. Термин «глубина обратной связи» часто ассоциируется с термином «коэффициент передачи цепи ООС», который обозначает величину β, а хорошо было бы ввести некоторое понятие, отражающее именно величину β∙ Ku , как более важную для применения. Так сейчас и поступим, только не забывайте, что у нас β ≤ 1, так что понятие большое или маленькое β означает, например, такие значения: β = 0,1 или β = 0,0001.

Теперь давайте оценим степень влияния отрицательной обратной связи, исходя из физического смысла и электроники. Обратимся к рис. 1. Внутри усилителя присутствует два напряжения: U вх и U оос . Очевидно, что степень влияния ООС на усилитель зависит от соотношения этих напряжений. Если U оос U вх , то сигнал обратной связи незначителен на фоне входного сигнала усилителя, и ООС влияет слабо. И наоборот, если U оос >> U вх , то главную роль во входном сигнале «реального» усилителя играет именно ООС (т.к. U сигн = U оос + U вх и значит входной сигнал «виртуального» усилителя практически равен U оос ). С другой стороны, U оос получается из напряжения U вх , после усиления его усилителем и ослабления цепью ООС. Как оно получается? Мысленно разомкнем петлю обратной связи в точке А (разрывать цепь электрически можно не всегда – иногда от этого изменяется величина β), рис. 8.

Со стороны точки приложения сигнала ООС (это точка А), входной сигнал проходит два элемента – усилитель и цепь ООС. Общий коэффициент передачи последовательно соединенных устройств равен произведению их коэффициентов передачи: Ku ∙β. Эта величина является коэффициентом усиления сигнала в петле обратной связи и называется петлевым усилением:

С другой стороны:

Это то самое взаимоотношение между напряжением ООС и входным напряжением «реального» усилителя, которое показывает степень влияния обратной связи. Кроме того, оно полностью соответствует выражению, которое мы вывели, математически анализируя формулу коэффициента усиления усилителя с замкнутой ООС. Так что глубину обратной связи характеризует именно петлевое усиление, и именно его имеют ввиду , когда говорят о глубине ООС. Хотя иногда под глубиной ООС подразумевают коэффициент передачи цепи обратной связи β – в случаях, когда Ku велико, и величину A = β∙ Ku определяет в основном β .

Таким образом, именно петлевое усиление определяет свойства усилителя, которые он проявляет для внешнего мира. Именно на эту величину изменяются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, граничные частоты и коэффициент гармоник.

В некоторых случаях вычисление петлевого усиления по формуле (6) может быть затруднено, тогда можно найти его из изменения коэффициента усиления усилителя при охвате его ООС:

Последнее выражение достаточно точно, при А ≥ 100. Проще всего определять таким способом петлевое усиление по логарифмической АЧХ усилителя (диаграмме Боде ). На рис. 9 петлевое усиление А = 100 – 60 = 40 дБ, т.е. 100 раз. На самом деле А = 100 – 1 = 99 раз (39,9 дБ), но этим зачастую можно пренебречь, поэтому обычно в таких случаях говорят, что петлевое усиление равно ровно 40 дБ.

Пока что я ничего не говорил о свойствах и схеме самой цепи ООС. На самом деле, значение ее коэффициента передачи не обязательно являются константой. Эта цепь может быть частотнозависимой , тогда величина β меняется с частотой. Такое свойственно современным усилителям сигналов, когда для постоянного тока стремятся получить стопроцентную обратную связь ( β =1), дающую максимальную стабильность режима работы усилителя, а для переменного тока глубину ООС выбирают такой, чтобы Ku ‘ для него (усиливаемого сигнала) был равен 10…1000 ( β≈ 0,1…0,001). На самом деле при снижении частоты f ниже определенного значения, β начинает расти, доходя до единицы при f = 0, т.е. на постоянном токе. Но это все происходит ниже рабочего диапазона частот усилителя, поэтому в таких случаях глубину ООС принято оценивать двумя значениями: для постоянного тока, и для переменного тока (в рабочем диапазоне частот).

Если вернуться к формуле (5) для коэффициента усиления с замкнутой цепью ООС, то видно, что при достаточно большом значении петлевого усиления, свойства усилителя – это обратная величина от свойств цепи обратной связи. Такая ситуация лучше всего получается, если усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без ООС – десятки-сотни тысяч и миллионы. Для работы в таких условиях созданы специальные микросхемы, называемые операционными усилителями (ОУ).

Понятие операционного усилителя появилось во второй половине ХХ века, когда получили широкое распространение аналоговые электронно-вычислительные машины (АВМ). Принцип их применения был основан на том, что подбиралась соответствующая электрическая цепь, описываемая теми же уравнениями, что и исследуемый неэлектрический процесс. Измеряя напряжения и токи в цепи, получали значения параметров исследуемого процесса. Для АВМ требовались блоки (функциональные узлы), выполняющие определенные математические операции: масштабирование (усиление), сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и др. Довольно быстро пришли к выводу, что вместо того, чтобы разрабатывать каждый такой блок по-отдельности, проще получить их все из одинаковых усилителей, охваченных цепью ООС – так и появились ОУ. В настоящее время возможности цифровых вычислительных машин настолько велики, что моделирование (и управление) проще и точнее выполнять на них, и АВМ практически исчезли, а операционные усилители остались – они оказались очень удобными для применения, ведь из них можно получить практически любое устройство, всего лишь охватив их соответствующей ООС.

Так что получить, например, усилитель с нужной АЧХ достаточно просто, достаточно охватить его ООС, имеющей АЧХ «зеркальной» к требуемой (рис. 10).

Схемы, реализующие данные АЧХ показаны на рис. 11.

Однако, конструируя схемы на операционных усилителях, следует помнить, что их огромный коэффициент усиления сохраняется только на очень низких частотах, а потом начинает падать со скоростью 20 дБ/декада. У большинства ОУ широкого применения спад АЧХ начинается с частоты порядка 10 Гц. Поэтому на частотах в десятки килогерц Ku может быть довольно мал, и при попытке получить на такой частоте большое усиление, глубина обратной связи (петлевое усиление) может оказаться слишком маленьким. При этом возрастет погрешность выполняемой функции, и повышаются нелинейные искажения. На рис. 12 показаны АЧХ усилителя (см. рис. 10 и рис. 11) без ООС и с ООС. На частотах 20 Гц, 1 кГц и 20 кГц глубина ООС (петлевое усиление) составляет 39 дБ, 24 дБ и 11 дБ соответственно. Вполне можно считать, что на частоте 20 кГц обратная связь имеет очень низкую глубину и практически не улучшает параметров усилителя.

В заключение хотелось бы отметить, что это только элементарная теория обратной связи. Здесь, например, не учтен тот факт, что на переменном токе и коэффициент усиления «реального» усилителя, и коэффициент передачи цепи обратной связи обычно величины комплексные (петлевое усиление также является комплекным ). Поэтому формула (4) верна только для модулей, а «на все случаи жизни» ее надо записывать так:

При этом цепь ООС может изменять не только амплитуду сигнала, но и его фазу. Причем, если сдвиг фаз в петле ООС станет равным 180 градусам, то сигнал обратной связи будет не вычитаться из сигнала источника, а прибавляться к нему, и обратная связь из отрицательной превратится в положительную. Но это уже совсем другая история…

Главная цель этого материала – дать понимание основ обратной связи для дальнейшего углубленного ее изучения, тем более что физика и математика процессов показана совершенно правильно.

Как мы видели, отрицательная обратная связь является невероятно полезным инструментом применительно к операционным усилителям. Она позволяет нам создавать все эти практические схемы с возможностью точно устанавливать коэффициенты усиления, скорости и другие значимые параметры с помощью всего лишь нескольких изменений номиналов резисторов. Отрицательная обратная связь делает все эти схемы стабильными и самокорректирующимися.

Основной принцип отрицательной обратной связи состоит в том, что выходной сигнал имеет тенденцию двигаться в направлении, которое создает условие равновесия (баланса). В схеме на операционном усилителе без обратной связи отсутствует корректирующий механизм, и выходное напряжение будет насыщаться при минимальной величине дифференциального напряжения, приложенного между входами. Результатом является компаратор.

С отрицательной обратной связью (выходное напряжение каким-то образом подается обратно на инвертирующий вход) схема имеет тенденцию препятствовать тому, чтобы выходное напряжение доходило до полного насыщения. Скорее выходное напряжение доходит до такого высокого или низкого значения, чтобы уравновешивать напряжения двух входов:

Отрицательная обратная связь

Независимо от того, будет ли выход соединен с инвертирующим (-) входом напрямую или через набор компонентов, эффект будет тем же: чрезвычайно высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя будет «приручен», и схема будет реагировать в соответствии с предписанием «петли» обратной связи, соединяющей выход с инвертирующим входом.

Другой тип обратной связи, а именно положительная обратная связь (ПОС), также находит применение в схемах на операционных усилителях. В отличие от отрицательной обратной связи, когда выходное напряжение подается обратно на инвертирующий (-) вход, при положительной обратной связи выходное напряжение каким-либо способом направляется обратно на неинвертирующий (+) вход. В простейшей форме мы могли бы подключить просто кусок провода от выхода до неинвертирующего входа и посмотреть, что произойдет:

Положительная обратная связь

Инвертирующий вход остается неподключенным к петле обратной связи и может принимать внешнее напряжение. Посмотрим, что произойдет, если соединим инвертирующий вход с землей:

Положительная обратная связь, инвертирующий вход соединен с землей

Когда инвертирующий вход соединен с землей (удерживается на нуле вольт), выходное напряжение будет определяться величиной и полярностью напряжения на неинвертирующем входе. Если это напряжение будет положительным, операционный усилитель будет так же выдавать положительное напряжение, подавая это положительное напряжение обратно на неинвертирующий вход, что приведет к полному положительному насыщению на выходе. С другой стороны, если напряжение на неинвертирующем входе отрицательно, на выходе операционного усилителя будет так же отрицательное напряжение, которое будет подаваться обратно на неинвертирующий вход, и в результате получится полное отрицательное насыщение.

Здесь мы имеем схему, выход которой бистабилен: стабилен в одном из двух состояний (насыщенное положительное или насыщенное отрицательное). Как только он достигнет одного из этих насыщенных состояний, он будет оставаться в этом состоянии неизменным. То, что необходимо для его переключения, – это напряжение, приложенное к инвертирующему (-) входу с той же полярностью, но немного большему по величине. Например, если наша схема насыщена при выходном напряжении +12 вольт, то для изменения выходного напряжения необходимо напряжение не менее +12 вольт на инвертирующем входе. Когда состояние на выходе изменится, то это будет полностью насыщенное отрицательное состояние.

Таким образом, операционный усилитель с положительной обратной связью имеет тенденцию оставаться в любом состоянии выхода, в котором он уже находится. Он «защелкивается» в одном из двух состояний, насыщенном положительном или насыщенном отрицательном. Технически это явление известно как гистерезис.

Гистерезис может быть полезным свойством для схемы компаратора. Как мы видели ранее, компараторы могут быть использованы для создания прямоугольного сигнала из сигнала любого типа (синусоидального, треугольного, пилообразного и т.д.). Если входной сигнал переменного тока является бесшумным (то есть «чистым» сигналом), простой компаратор будет работать нормально.

«Чистый» входной сигнал переменного напряжения создает предсказуемые точки перехода в выходном напряжении прямоугольной формы

Однако если имеются какие-либо аномалии в форме сигнала, такие как гармоники или «выбросы», которые вызывают значительное повышение и падение напряжения в течение одного периода, выход компаратора может переключать состояния неожиданно:

Реагирование компаратора на «грязную» синусоиду

Каждый раз, когда происходит переход через опорный уровень напряжения, независимо от того, насколько крошечный этот переход может быть, выход компаратора будет переключать состояние, создавая прямоугольный сигнал с «глюками».

Если мы добавим в схему компаратора небольшую положительную обратную связь, мы введем гистерезис в выходной сигнал. Этот гистерезис заставит выход оставаться в своем текущем состоянии, если только входное переменное напряжение не претерпит существенного изменения величины.

Введение положительной обратной связи в схему компаратора

То, что создает резистор обратной связи, является двумя опорными уровнями в схеме компаратора. Напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход в качестве опорного уровня, который сравнивается с входным переменным напряжением, изменяется в зависимости от значения выходного напряжения операционного усилителя. Когда выход операционного усилителя насыщен положительно, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более положительным, чем ранее. С другой стороны, когда выход ОУ насыщен отрицательно, то опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более отрицательным, чем ранее. Результат легче понять на графике:

Реагирование компаратора с положительной обратной связью на «грязную» синусоиду

Когда выход операционного усилителя насыщен положительно, действует верхнее опорное напряжение, и выходное напряжение не будет падать до отрицательного уровня насыщения, если входное напряжение не поднимется выше этого верхнего опорного уровня. С другой стороны, когда выход ОУ насыщен отрицательно, действует нижнее опорное напряжение, и выходное напряжение не поднимется до положительного уровня насыщения, если входное напряжение не упадет ниже этого нижнего опорного уровня. В результате получается чистый прямоугольный выходной сигнал, несмотря на значительное количество искажений входного сигнала переменного напряжения. Для того чтобы «выброс» вызвал переключение компаратора из одного состояния в другое, он должен быть, по крайней мере, столь же большим (высоким) как разность между верхним и нижним уровнями опорного напряжения и произойти в нужный момент времени, чтобы пересечь оба этих уровня.

Другим применением положительной обратной связи в схемах на операционных усилителях является построение схем генераторов. Генератор представляет собой устройство, которое создает переменное или, по меньшей мере, импульсное выходное напряжение. Технически он известен как нестабильное устройство: не имеет стабильного выходного состояния (нет какого-либо равновесия). Генераторы – это очень полезные устройства, и они легко реализуются с помощью простого операционного усилителя и нескольких внешних компонентов.

Схема генератора, использующая положительную обратную связь

Когда выход насыщен положительно, Vопор будет положительным, и конденсатор зарядится в положительном направлении. Когда Vнакл превышает Vопор на минимальную разницу, выход будет насыщен отрицательно, и конденсатор будет заряжаться в противоположном направлении (полярности). Колебание происходит, потому что положительная обратная связь мгновенна, а отрицательная обратная связь имеет задержку (с помощью постоянной времени RC цепи). Частоту этого генератора можно регулировать, изменяя размер любого компонента.

Обратной связью называется такая электрическая связь между каскадами усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя подается обратно на его вход.

Обратная связь может быть полезной, если она возникает в результате применения специальных схем и служит для улучшения свойств усили­теля, или паразитной, если она возникает за счет нежелательного влияния различных цепей друг на друга.

На рис. 14.1 показаны различные способы подключения цепи обратной связи к выходной и входной цепям усилителя. Элемент схемы, обозначенный буквой β, является элементом обратной связи, посредством которого часть напряжения с выхода усилителя попадает обратно на его вход.

Если цепь обратной связи подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке ZH, то напря­жение обратной связи Uβ будет прямо пропорционально напряже­нию на выходе; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению (рис. 14.1, а и в).

Если же цепь обратной связи подключена к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет прямо пропорционально току в нагрузке IН; такую обратную связь называют обратной связью по току (рис. 14.1, б). Возможна комбинация этих способов подключения цепей обратной связи к выходу, при которой напряжение Uβ состоит из двух составляющих, пропорциональных выходному на­пряжению и току. Такая обратная связь называется смешанной.

Если цепь обратной связи подключается к Uβ ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала, то обратную связь называют последовательной (рис. 14.1, а, б).

Если же цепь обратной связи подключается к входу параллельно источнику сигнала, то обратную связь называют параллельной (рис. 14.1, в). Обратная связь может быть положительной или отрицательной.

Положительная обратная связь возникает в том случае, когда напряжение обратной связи Uβ совпадает по фазе с входным напря­жением UВХ.

Отрицательной обратной связью называется такая связь между выходом и входом, когда напряжение обратной связи Uβ, противоположно по фазе входному напряжению UВХ, т. е. оба эти напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°. Наиболее распространенной в усилителях является последо­вательная отрицательная обратная связь по напряжению.

Следует обратить внимание на то, что параметры, характери­зующие усилитель с обратной связью, в общем случае имеют комп­лексный характер.

Влияние обратной связи на коэффициент усиления

и входное сопротивление усилителя

Для вывода формулы коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью, воспользуемся структурной схемой, приведенной на рисунке. Здесь усилитель с коэффициентом усиления охвачен обратной связью, которая

осуществляется с помощью специальной цепи, обозначенной β.

Отношение напряжения обратной связи Uβ, поступающего через цепь обратной связи на вход усилителя, к напряжению на выходе UВЫХ называется коэффициентом передачи цепи обратной связи, т. е.

. (1)

Коэффициент β может принимать значения

от 0 до +1 при положительной обратной связи,

от 0 до −1 при отрицательной обратной связи.

По мере увеличения численного значения β обратная связь становится все более глубокой. Таким образом, напряжение обратной связи в общем случае определяется выражением

Коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, можно выразить отношением выходного напряжения на нагрузке UВЫХ, к напряжению источника сигнала UВХ

(3)

Напряжение поступающее на вход усилителя, в общем случае является суммой напряженийUВХ и Uβ.

= UВХ + Uβ.

Принимая во внимание выражение (2), получаем

=UВХ + (±βUВЫХ) (4)

UВХ = — (±βUВЫХ)

Подставляя значение UВХ в формулу (3), получаем

Разделим числитель и знаменатель на . Тогда

В окончательном виде выражение для коэффициента усиления усилителя с обратной связью принимает вид

(5)

Произведение ±βК называется фактором обратной связи; знак при нем совпадает со знаком самой обратной связи.

При положительной обратной связи знаменатель дроби уменьшается, а коэффициент усиления возрастает.

При отрицательной обратной связи знаменатель возрастает, а коэффициент усиления падает.

Т. е. коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицатель­ной обратной связью, падает в (1 + βК) раз.

Несмотря на уменьшение усиления, отрицательная обратная связь широко используется в усилителях, так как при ее введении удается улучшить ряд других параметров. Особое значение для работы усилительной схемы имеет стабильность коэффициента усиления. Следует отметить, что при работе усилителя его коэффициент усиления может изменяться вследствие ряда причин. Ос­новные из них следующие: непостоянство напряжения источников питания, температуры, давления или влажности окружающей среды, старение усилительных элементов и деталей и т. п.

При βК >> 1 (при глубокой обратной связи)

т. е. коэффициент усиления схемы, охваченной глубокой от­рицательной обратной связью, практически не зависит от коэффи­циента усиления собственно усилителя, а определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи.

Рассмотрим, как будет влиять отрицательная обратная связь на изменения коэффициента усиления, на примере. Пусть усилительный каскад с коэффициентом усиления К = 80 охвачен отри­цательной обратной связью, причем коэффициент передачи цепи обратной связи β = 0,2. В соответствии с формулой (14.8) коэффициент усиления каскада с обратной связью составляет

Предположим далее, что коэффициент усиления К изменился (увеличился) на 10 %. Тогда коэффициент усиления каскада о об­ратной связью составит

Следовательно, при использовании отрицательной обратной связи коэффициент усиления каскада изменился менее чем на 1%. Фи­зически стабилизация коэффициента усиления при введении отри­цательной обратной связи объясняется следующим образом. Если за счет каких-либо причин усиление изменилось на величину ΔК, то напряжение обратной связи изменится на соответствующую величину ΔUβ, причем, если усиление возросло, то возрастет на­пряжение обратной связи, что вызовет уменьшение входного на­пряжения; если усиление упало, то уменьшится напряжение обратной связи, что вызовет увеличение входного напряжения. Таким образом, отрицательная обратная связь препятствует лю­бым изменениям величины коэффициента усиления.

Найдем входное сопротивление усилителя при последовательной отрицательной обратной связи (рис. 14.1, а и б):

где ZBX— входное сопротивление усилителя без обратной связи.

Из выражения 14.10 видно, что при введении последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя возрастает в (1 + βК) раз. Это объясняется тем, что напряжение обратной связи Uβ вычитается из напряжения UBX, поступающего на вход сигнала, и поэтому к входу самого усилителя приложено разностное напряжение UBX = UBXUβ. В результате входной ток усилителя уменьшается, а входное сопротивление возрастает, что, как правило, благоприятно сказывается на работе усилителя.

AD8047 Техническое описание и информация о продукте

Особенности и преимущества

  • Широкая полоса, G = +1
    • Режим малого сигнала: 250 МГц
    • Режим большого сигнала (размах 2 В): 130 МГц
  • Типичный потребляемый ток 5.8 мА
  • Низкие искажения (SFDR)
    • -66 дБн, тип. при 5 МГц
    • -54 дБн, тип. при 20 МГц
  • Низкий шум: 5.2 нВ/√Гц
  • Работает на емкостную нагрузку 50 пФ
  • Высокое быстродействие
    • Скорость нарастания: 750 В/мкс
    • Время установления до 0.01%: 30 нс при ступенчатом изменении напряжения на 2 В
    • Диапазон напряжений питания от ±3 В до ±6 В

Подробнее о продукте

AD8047 и AD8048 – это обладающие очень высоким быстродействием и широкой полосой усилители. AD8047 стабилен при единичном коэффициенте усиления. AD8048 стабилен при коэффициентах усиления 2 и более. Эти усилители, имеющие архитектуру с обратной связью по напряжению, отвечают требованиям многих задач, в которых прежде требовалось применение усилителей с обратной связью по току.

Патентованная схема, применяемая в данном усилителе, позволила совместить многие положительные черты как усилителей с обратной связью по току, так и усилителей с обратной связью по напряжению. При небольшом потребляемом токе (6.6 мА, макс.) AD8047 и AD8048 обладают превосходным импульсным откликом (время установления в пределах погрешности 0.01% - 30 нс), а также низкими искажениями и крайне широкой полосой в режимах большого и малого сигналов. AD8047 поддерживает уровень искажений -54 дБн при частоте сигнала 20 МГц; ширина полосы составляет 250 МГц в режиме малого сигнала и 130 МГц в режиме большого сигнала.

Низкий уровень искажений и способность работать на емкостную нагрузку делают AD8047/AD8048 идеальным выбором для буферизации входных сигналов быстродействующих АЦП. Они подходят для совместного применения с 12-разрядными АЦП, имеющими быстродействие до 10 миллионов отсчетов в секунду (MSPS), или 8-разрядными АЦП, имеющими быстродействие до 60 MSPS. Кроме того, балансные, высокоимпедансные входные каскады архитектуры с обратной связью по напряжению позволяют добиться максимальной свободы при проектировании активных фильтров.

AD8047 и AD8048 работают в промышленном температурном диапазоне (от -40°C до +85°C) и выпускаются в 8-выводных корпусах PDIP и SOIC.

Для данных продуктов имеется оценочная плата, которую можно заказать по следующим наименованиям: AD8047-EB и AD8048-EB. Принципиальная схема и топология оценочной платы приведена в техническом описании продукта.

AD8047 (стабилен при единичном усилении): PDIP и SOIC

AD8048 (стабилен при коэффициенте усиления 2): PDIP и SOIC

Цепи с обратной связью с отрицательной обратной связью - таблицы аналоговых интегральных схем

Схемы OpAmp с отрицательной обратной связью

Аналоговые интегральные схемы

Вопрос 1

Не просто сидеть там! Постройте что-нибудь !!

Обучение математическому анализу схем требует большого изучения и практики. Как правило, студенты практикуют, работая над множеством пробных проблем и проверяя их ответы на ответы, полученные от учебника или инструктора. Хотя это хорошо, есть намного лучший способ.

Вы узнаете гораздо больше, фактически создавая и анализируя реальные схемы, позволяя вашему тестовому оборудованию предоставлять «ответы» вместо книги или другого человека. Для успешных упражнений для построения схем выполните следующие действия:

  1. Тщательно измерьте и запишите все значения компонентов до построения схемы.
  2. Нарисуйте схему схемы, подлежащей анализу.
  3. Осторожно постройте эту схему на макете или другом удобном носителе.
  4. Проверьте правильность конструкции схемы, следуя каждому проводу каждой точке подключения и проверив эти элементы по одному на диаграмме.
  5. Математически проанализируйте схему, решив для всех значений напряжения и тока.
  6. Тщательно измерьте все напряжения и токи, чтобы проверить точность анализа.
  7. Если есть существенные ошибки (более нескольких процентов), тщательно проверьте конструкцию вашей схемы на диаграмме, затем тщательно пересчитайте значения и заново измерьте.

Избегайте использования операционного усилителя модели 741, если вы не хотите бросить вызов своим навыкам проектирования схем. Существуют более универсальные модели операционных усилителей, обычно доступные для новичков. Я рекомендую LM324 для цепей постоянного и низкочастотного переменного тока и TL082 для проектов переменного тока с использованием аудио или более высоких частот.

Как обычно, избегайте очень высоких и очень низких значений сопротивления, чтобы избежать ошибок измерения, вызванных «загрузкой» счетчика. Я рекомендую значения резисторов между 1 кОм и 100 кОм.

Один из способов экономии времени и снижения вероятности ошибки - начать с очень простой схемы и постепенно добавлять компоненты, чтобы повысить ее сложность после каждого анализа, а не создавать целую новую схему для каждой проблемы с практикой. Другой способ экономии времени - повторное использование тех же компонентов в различных конфигурациях схем. Таким образом, вам не придется измерять значение какого-либо компонента более одного раза.

Показать ответ

Пусть сами электроны дают вам ответы на свои «практические проблемы»!

Заметки:

По моему опыту, студенты требуют много практики, чтобы провести анализ схем, чтобы стать опытным. С этой целью инструкторы обычно предоставляют своим ученикам множество практических проблем для работы и дают ответы студентам, чтобы проверить их работу. Несмотря на то, что этот подход позволяет студентам хорошо разбираться в теории схем, он не может полностью обучить их.

Студентам нужна не только математическая практика. Они также нуждаются в реальных практических схемах построения практики и использовании испытательного оборудования. Поэтому я предлагаю следующий альтернативный подход: ученики должны создавать свои «практические проблемы» с реальными компонентами и пытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока. Таким образом, математическая теория «оживает», и ученики получают практическое знание, которое они не получат, просто путем решения уравнений.

Еще одна причина следовать этому методу практики - научить студентов научным методам : процесс проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента. Студенты также будут разрабатывать реальные навыки устранения неполадок, поскольку они иногда вызывают ошибки построения схемы.

Проведите несколько минут с вашим классом, чтобы просмотреть некоторые «правила» для построения схем до их начала. Обсудите эти проблемы со своими учениками в том же сократическом ключе, что обычно обсуждаете вопросы рабочего листа, а не просто рассказываете им, что им нужно и чего не следует делать. Я никогда не перестаю удивляться тому, как плохо учащиеся понимают инструкции, когда они представлены в типичном формате лекции (инструктор-монолог)!

Обратите внимание на тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потраченное впустую» время, требуя, чтобы учащиеся строили реальные схемы вместо того, чтобы просто математически анализировать теоретические схемы:

Какова цель студентов, которые берут ваш курс «панель панелей панелей панелей по умолчанию»,

вопрос 2

В схеме с общим эмиттерным транзисторным усилителем наличие емкости между коллекторным и базовым терминалами, независимо от того, является ли оно транзистором или внешним соединением, приводит к тому, что схема усилителя превращается в фильтр нижних частот, причем коэффициент усиления напряжения обратно пропорционален к частоте:

Объясните, почему это так. Почему именно емкость, помещенная в этом месте, влияет на коэффициент усиления напряжения «# 2»> Показать ответ Скрыть ответ

Емкость обеспечивает путь для сигнала обратной связи переменного тока, идущего от коллектора к основанию. Учитывая обратную фазовую зависимость между напряжением коллектора и базовым напряжением, эта обратная связь является дегенеративной.

Заметки:

Студенты должны понимать, что это не гипотетический вопрос. Внутренняя емкость действительно существует между коллектором и базой транзистора с биполярным соединением (называемым емкостью Миллера ), и это имеет вырождающийся эффект усиления напряжения с увеличением частоты. Если позволит время, вы можете обсудить, как избежать общих проблем с конфигурациями усилителей с общим коллектором и общим основанием.

Вопрос 3

Какая из следующих схем усилителей будет больше всего затронута емкостью базового коллектора (показана здесь как внешний 10pF конденсатор) с увеличением частоты? Объяснить, почему.

Показать ответ

Усилитель с более высоким сопротивлением коллектора будет больше зависеть от емкости обратной связи, поскольку его естественное усиление напряжения приводит к увеличению сигнала напряжения, подаваемого обратно на базу, для любого заданного уровня входного сигнала.

Заметки:

Цель этого вопроса - заставить учащихся видеть на дискретном уровне компонент, что для усилителя с общим эмиттером существует компромисс между максимальным коэффициентом усиления и максимальной рабочей частотой. Этот вопрос предвещает концепцию Gain-Bandwidth Product (GBW) в схемах рабочего усилителя.

Вопрос 4

Общей проблемой, возникающей при разработке схем транзисторных усилителей, является нежелательная вибрация, возникающая из-за паразитной емкости и индуктивности, образующих цепь обратной связи от выхода к входу. Часто эти паразитические параметры довольно малы (наноэндры и пикофарады), что приводит к очень высоким частотам колебаний.

Другим паразитным эффектом в схемах транзисторных усилителей является емкость эффекта Миллера между транзисторными терминалами. Для схем с общим эмиттером емкость базового коллектора (C BC ) особенно затруднительна, поскольку она вводит канал обратной связи для сигналов переменного тока для непосредственного перемещения с выхода (клеммы коллектора) на вход (базовый терминал).

Разделяет ли эта паразитная емкость база-коллектор или препятствует высокочастотным колебаниям в схеме усилителя с общим эмиттером «# 4»> Показывать ответ Скрыть ответ

Наличие C BC в схеме с общим эмиттером уменьшает высокочастотные колебания.

Заметки:

Обратите внимание, что я решил использовать слово «mitigate» вместо ответа на более простой английский. Часть моих рассуждений здесь заключается в том, чтобы скрывать данный ответ от непосредственного понимания, чтобы ученики могли подумать немного больше. Другая часть моих рассуждений - заставить студентов расширить словари.

Вопрос 5

Студент подключает операционный усилитель модели CA3130 в качестве последователя напряжения (или буфера напряжения), который является самым простым типом схемы ОУ с отрицательной обратной связью:

С неинвертирующим входом, подключенным к земле (средняя точка в блоке питания + 6 / -6 В), студент рассчитывает измерить 0 вольт постоянного тока на выходе операционного усилителя. Это то, что вольтметр постоянного тока регистрируется, но когда он установлен на переменную, он регистрирует значительное напряжение переменного тока!

Теперь это странно. Как простой буфер напряжения выдает переменный ток, когда его вход заземлен, а источник питания чистый DC "# 5"> Показывать ответ Скрыть ответ

Некоторые операционные усилители по своей природе нестабильны при работе в режиме с отрицательной обратной связью и будут самостоятельно колебаться, если только «с фазовой компенсацией» от внешнего конденсатора.

Последующий вопрос: Существуют ли какие-либо приложения с ОУ, например, CA3130, где компенсаторный конденсатор не нужен или, что еще хуже, будет препятствием для успешной работы схемы? Подсказка: некоторые модели операционных усилителей (например, модель 741) имеют встроенные компенсационные конденсаторы!

Заметки:

Ваши ученики должны были исследовать данные для CA-3230 для поиска ответа на этот вопрос. Спросите их, что они нашли! Какие терминалы на CA-CA3030 вы подключаете конденсатор между? Какой размер конденсатора подходит для этой цели?

Учитывая тот факт, что некоторые модели операционных усилителей оснащены собственным встроенным компенсационным конденсатором, что это говорит о необходимости CA3130 для внешнего конденсатора? Почему производитель не просто интегрировал компенсаторный конденсатор в схему CA3130, как в случае с 741? Или, чтобы более подробно сформулировать вопрос, попросите своих учеников объяснить, какой недостаток заключается в подключении компенсационного конденсатора к операционному усилителю.

Вопрос 6

Некоторые операционные усилители оснащены встроенными компенсационными конденсаторами. Классический дизайн 741 - один из таких операционных усилителей:

Найдите конденсатор конденсатора на этой принципиальной схеме и определите, как он обеспечивает частотно-зависимую отрицательную обратную связь в операционном усилителе, чтобы уменьшить коэффициент усиления на высоких частотах.

Показать ответ

Идентификация конденсатора проста: он единственный во всей цепи! Он соединяет сигнал из коллектора Q 17, который является активным усилителем общего излучателя, к основанию Q 16, который является водителю Q 17 эмиттера-повторителя. Поскольку Q 17 инвертирует сигнал, подаваемый на базу Q 16, обратная связь является дегенеративной.

Заметки:

Ответ на этот вопрос потребует обзора базовой теории транзисторных усилителей, в частности, различных конфигураций транзисторных усилителей и их соответствующих фазовых отношений сигнала.

Вопрос 7

Некоторые операционные усилители внутренне компенсируются, а другие компенсируются извне . Объясните разницу между ними. Подсказка: примеры каждого включают классические операционные усилители LM741 и LM101. Изучите их соответствующие таблицы, чтобы узнать, что вы найдете при компенсации!

Показать ответ

Разница заключается в физическом расположении компенсирующего конденсатора, будь то часть интегральной схемы или внешняя к ней.

Последующий вопрос: покажите, как внешний компенсационный конденсатор может быть подключен к операционному усилителю, например, LM101.

Заметки:

Попросите ваших учеников объяснить, почему мы хотели бы использовать любой тип операционного усилителя при построении схемы. В каких приложениях они считают, что операционный усилитель с внутренней компенсацией будет лучше, и в каких приложениях они считают, что операционный усилитель с внешней компенсацией будет предпочтительнее «панель панелей панелей панелей по умолчанию» itemscope>

Вопрос 8

Определите «Gain-Bandwidth Product» (GBW), поскольку этот термин применим к операционным усилителям.

Показать ответ

Продукт GBW является постоянным значением для большинства операционных усилителей, равным коэффициенту разомкнутого контура операционного усилителя, умноженному на частоту сигнала при этом усилении.

Заметки:

Существуют другие способы определения продукта Gain-Bandwidth, поэтому не удивляйтесь, если учащиеся представляют альтернативные определения во время обсуждения.

Вопрос 9

Определите «Unity-Gain Bandwidth» (B 1 ), поскольку этот термин применяется к операционным усилителям.

Показать ответ

Unity-Gain Bandwidth - это частота, при которой коэффициент усиления разомкнутого напряжения рабочего усилителя равен 1.

Заметки:

Это не требует большого понимания, чтобы понять, что полоса пропускания с единичным коэффициентом усиления (B 1 ) и продукт с полосой пропускания (GBW) - это почти то же самое. Это было бы неплохо поднять (в форме вопроса!) Для ваших учеников, если вы уже обсуждали GBW.

Вопрос 10

Объясните эффект, который имеет емкость компенсации для продукта с усилением полосы пропускания операционного усилителя (GBW). Увеличивает ли емкость компенсации больше GBW или меньше GBW и почему?

Показать ответ

Чем больше емкость компенсации в операционном усилителе (внутреннем или внешнем соединении), тем меньше продукт GBW.

Заметки:

В этом вопросе очень важным аспектом является не ответ. Важно то, что студенты понимают, что такое продукт GBW, и как это влияет на эту вещь, которую мы называем «компенсационная емкость» (еще одна тема исследования). Цель здесь состоит в том, чтобы заставить учащихся исследовать эти концепции и связать их вместе, поэтому, пожалуйста, не удовлетворитесь ответами любого ученика, которые просто повторяют ответ, данный здесь! Попросите учащихся объяснить, что означают эти термины и понятия, и объяснить, почему продукт GBW уменьшается с увеличением C comp .

Вопрос 11

Важным параметром производительности переменного тока для операционных усилителей является скорость нарастания . Объясните, что такое «скорость нарастания», и что заставляет его быть менее оптимальным для операционного усилителя.

Показать ответ

Скорость нарастания тока - это максимальная скорость изменения выходного напряжения во времени ((dv / dt) | max ), которую может собрать операционная усилие.

Последующий вопрос: как бы выглядела бы выходная форма сигнала операционного усилителя, если бы она пыталась усилить сигнал квадратной волны с частотой и амплитудой, превышающей скорость нарастания усилителя?

Заметки:

Следующий вопрос очень важен, поскольку он просит учащихся применить понятие максимального (dv / dt) к фактическим формам волн. Это часто обсуждается в вводных учебниках, поэтому студентам не должно быть трудно найти хорошую информацию, чтобы помочь им сформулировать ответ.

Вопрос 12

Это поражает некоторых студентов, как странно, что операционные усилители будут иметь постоянную скорость нарастания. То есть при воздействии входного напряжения ступенчатого изменения выходное напряжение операционного усилителя будет быстро линейно скачкообразно изменяться во времени, а не скатываться каким-то другим способом (например, обратная экспоненциальная кривая, наблюдаемая в импульсных схемах RC и RL):

Тем не менее, этот эффект имеет определенную причину, и он находится в конструкции внутренней схемы opamp: этапы умножения напряжения в схемах рабочего усилителя часто используют активную нагрузку для увеличения усиления напряжения. Пример активной нагрузки можно увидеть на следующей принципиальной диаграмме для классического операционного усилителя 741, где транзистор Q 9 действует как активная нагрузка для транзистора Q 10, и где транзистор Q 13 обеспечивает активную нагрузку для транзистора Q 17 :

Объясните, как активная нагрузка создает постоянную скорость нарастания, выраженную схемами операционных усилителей, такими как 741. Какие факторы учитывают линейную линейность напряжения во времени «# 12»> Показать ответ Скрыть ответ

Активные нагрузки действуют как источники постоянного тока, подающие постоянный (максимальный) ток через любые емкости на своем пути. Это приводит к постоянным (dv / dt) скоростям в соответствии с уравнением «Закон Ома» для конденсаторов:

Последующий вопрос: исходя из того, что вы видите здесь, определите, какие параметры могут быть изменены во внутренней схеме операционного усилителя, чтобы увеличить скорость нарастания.

Заметки:

Этот вопрос дает хороший обзор поведения основных конденсаторов, а также объясняет, почему операционные усилители имеют скорость нарастания, как и они.

Вопрос 13

Вычислите импеданс (в виде сложного числа), «увиденный» источником переменного тока, когда он управляет схемой пассивного интегратора слева, а цепь активного интегратора справа. В обоих случаях предположим, что ничего не связано с выходом V out :

Показать ответ

Заметки:

Самое главное, что мы узнаем здесь, это то, что операционный усилитель «изолирует» источник сигнала от любого импеданса в контуре обратной связи, так что входное сопротивление (в данном случае резистор 10 кОм) является единственным сопротивлением «видимым» для этот источник. Это оказывает глубокое влияние на фазовое соотношение между выходным сигналом и входным сигналом.

Вопрос 14

Вычислите фазовый угол тока, исходящего из источника переменного тока, когда он управляет схемой пассивного интегратора слева, а схема активного интегратора справа. В обоих случаях предположим, что ничего не связано с выходом V out :

Показать ответ

Θ = 46, 7 o для тока пассивного интегратора, а Θ = 0 o для схемы активного интегратора.

Заметки:

Самое главное, что мы узнаем здесь, это то, что операционный усилитель «изолирует» источник сигнала от любого импеданса в контуре обратной связи, так что входное сопротивление (в данном случае резистор 10 кОм) является единственным сопротивлением «видимым» для этот источник. Это оказывает глубокое влияние на фазовое соотношение между выходным сигналом и входным сигналом.

  • ← Предыдущая работа

  • Индекс рабочих листов

  • Следующая рабочая таблица →

Нелинейные преобразователи на ОУ | Основы электроакустики

В ряде случаев необходимо, чтобы зависимость входного и выходного напряжений была нелинейной. Для этого используют совместное включение ОУ и нелинейных элементов, таких как диоды, стабилитроны и транзисторы. Наилучшие результаты получаются, если нелинейные элементы включаются в цепь ООС. Рассмотрим в качестве примера выпрямители и ограничители на ОУ.

         Прецизионные выпрямители. ОУ можно с успехом применять в тех случаях, когда для целей измерения требуется осуществить точное выпрямление малых по величине переменных напряжений. Нелинейность прямой ветви характеристики диода делает непосредственное выпрямление малых переменных сигналов очень неточным. Кремниевый диод практически перестает проводить ток, как только напряжение, приложенное в прямом направлении, падает ниже 0,4 В. Эту трудность можно преодолеть, поместив диод в петлю обратной связи, охватывающей ОУ, как показано на рис.

 

Прецизионный однополупериодный выпрямитель

 

         Здесь функцию выпрямления выполняет диод VD1: его включение в петлю обратной связи, охватывающую усилитель, приводит к тому, что напряжение, действующее на входе схемы, эквивалентно эффективной разности потенциалов, приложенной к диоду в прямом направлении, поделенному в число раз, равное коэффициенту усиления усилителя без обратной связи, так что усилитель  хорошо  работает  при входных напряжениях меньше 1 мВ. Второй диод VD2и относящийся к нему резистор нужны в этой схеме просто для того, чтобы обеспечить обратную связь на время положительного полупериода входного сигнала и, таким образом избежать перегрузки усилителя.

         Легко построить и двухполупериодный вариант точного выпрямителя, вставляя «пропускаемую» полуволну с помощью сумматора на ОУ

 

 

 

 

Прецизионный двухполупериодный выпрямитель

 

        

Качество работы этой схемы определяется точностью подбора 5-ти и 10-ти килоомных резисторов. Другое название этой схемы – схема получения модуля, так как в широком диапазоне уровней сигнала UВЫХ = – |UВХ|.

         Ограничители уровня являются одной из разновидностей схем для нелинейного преобразования сигналов. От данных устройств требуется, чтобы, начиная с некоторого уровня выходного напряжения дальнейшее увеличение входного сигнала не приводило к дальнейшему увеличению выходного напряжения. По сути дела ОУ является таким ограничителем, так как его максимальное напряжение всегда меньше напряжения питания. Однако на практике такое это свойство ОУ для ограничения выходного напряжения не используется. Причина этого в нестабильности уровней ограничения, обусловленной температурной зависимостью параметров полупроводниковых приборов.

         По своей сути ограничение выходного напряжения ОУ может пониматься как значительное понижение его коэффициента передачи. Эту проблему можно решить, включая в цепь ООС нелинейный элемент, например, стабилитрон (рис.12.14).

 

Ограничитель уровня (а) и его передаточная характеристика (б)

 

 

 

 

До тех пор, пока напряжение на выходе ОУ недостаточно для открывания стабилитрона, его коэффициент передачи равен собственному коэффициенту передачи ОУ. При превышении входным напряжением напряжения открывания стабилитрона коэффициент передачи устройства резко падает. Действительно, дифференциальное сопротивление стабилитрона на вертикальном участке вольт-амперной характеристики стремится к нулю. При этом коэффициент передачи цепи ООС стремится к единице и выходное напряжение фиксируется на уровне, равном напряжению стабилизации стабилитрона

При необходимости коэффициент передачи ограничителя уровня в диапазоне входных напряжений, недостаточных для выхода стабилитрона в режим стабилизации, может быть установлен на требуемом уровне. Для этого параллельно стабилитрону включают резистор обратной связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

Повышение стабильности операционного усилителя

В статье рассматриваются основные причины потери стабильности операционных усилителей, и даются практические рекомендации по улучшению этой характеристики.

Усилители с обратной связью по напряжению

Рассмотрим упрощенную модель операционного усилителя (ОУ), охваченного обратной связью (ОС) по напряжению и включенного по схеме повторителя напряжения (см. рис. 1). Характеристика этого ОУ имеет, по крайней мере, два полюса. Обозначим полюс на низкой частоте F1, на высокой – F2; конденсатор С3 вносит ноль, чтобы компенсировать полюс на частоте F3. На рисунке 2 показана выходная характеристика ОУ с кусочно-линейной аппроксимацией.

Рис. 1. Упрощенная схема ОУ, охваченного полной ОСРис. 2. Амплитудно-частотная характеристика ОУ

Если частота F2 выше частоты среза 0 дБ, наклон участка с частотой среза близок к –6 дБ на октаву. При этих условиях запаса устойчивости по амплитуде и фазе недостаточно, и самовозбуждение усилителя не происходит.

Однако если полюс F2 находится на недостаточно высокой частоте, т. е. она меньше частоты среза, наклон характеристики на участке с точкой среза составляет почти –12 дБ на октаву (см. рис. 3). Запаса по амплитуде и фазе недостаточно, и усилитель с большой вероятностью перейдет в осцилляцию, т. е. схема будет работать нестабильно.

Рис. 3. АЧХ ОУ при F2 ниже частоты среза 0 дБ. Наклон характеристики –12 дБ на октаву

Если частота F2 достаточно высока, но имеется еще один полюс (см. рис. 4), то наклон характеристики в точке среза снова равен –12 дБ на октаву, и схема с большой степенью вероятности будет работать нестабильно. Заметим, что при внесении еще одного полюса F3 при низкой частоте F2 наклон характеристики на частоте среза равен –18 дБ на октаву, т. е. осцилляция начнется обязательно.

Рис. 4. При наличии 3-го полюса повышение F2 не приводит к стабилизации схемы

Рассмотрим схему на рисунке 5. Конденсатор С3 включен между инвертирующим и неинвертирующим входами, обратная связь обеспечивается двумя резисторами. При бесконечно большом сопротивлении R ОС максимально полная. Для анализа стабильности следует подключить C3 не к источнику питания, а к общему проводу, как показано на рисунке 5б.

Рис. 5. Пример повышения стабильности схемы

Принимая R3 = 10 кОм и используя рекурсивный дифференциальный анализ, исследуем характеристику в неустановившемся режиме в зависимости от значения С3.

В качестве примера рассмотрим усилитель с коэффициентом усиления при разомкнутой петле ОС 100 дБ, F1 = 10 Гц, F2 = 4 МГц. При этих данных точка единичного усиления приходится на частоту 1 МГц. Результаты для других значений С3 показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Выходной сигнал при подаче прямоугольного напряжения

Таким образом, можно сделать вывод, что желательно исключить электромагнитные помехи, улучшить топологию платы и полностью отказаться от конденсатора С3, порождающего нестабильности контура ОС за счет потери запаса по фазе.

 

Усилители с токовой ОС

Усилители с токовой ОС могут иметь большой выброс в выходном сигнале и работать нестабильно вплоть до перехода в режим генерации.

Двумя основными причинами нестабильности являются низкое сопротивление резистора в цепи ОС и появление паразитных емкостей на входе и выходе по отношению к земле.

В то время как малые емкости приводят к появлению выбросов на высоких частотах, большие емкости вызывают самовозбуждение усилителя, когда он перестает реагировать на входной сигнал.

Во избежание негативного воздействия паразитной емкости на стабильность усилителя следует:

  1. обеспечить правильную трассировку платы для сведения к минимуму паразитных связей;
  2. использовать указанные в документации номиналы резисторов ОС и резисторов, определяющих коэффициент усиления, чтобы обеспечить достаточный запас по фазе и повысить устойчивость;
  3. использовать компенсационные цепи для сглаживания выбросов в частотной характеристике.

Рассмотрим эти рекомендации подробнее.

 

Топология платы

Для обеспечения оптимальных характеристик усилителей требуется внимательно отнестись к топологии и трассировке платы. Особенное внимание следует уделить паразитным связям, внешним компонентам и номиналам резисторов (см. рис. 7–8).

Рис. 7. Усилитель с токовой связью и компенсированными паразитными емкостями. Элементы RS, RIN и CIN служат для компенсацииРис. 8. Предлагаемая топология двухслойной печатной платы с участками без заливки

Во‑первых, необходимо использовать развязывающие конденсаторы на выводах питания. Для высоких частот конденсаторы 100 нФ и 100 пФ включаются параллельно и располагаются на расстоянии не более 6 мм от вывода питания. Для низких частот следует установить танталовые конденсаторы емкостью 6,8 мкФ на большем расстоянии от усилителя, чтобы использовать их одновременно для нескольких устройств. Кроме того, необходимо избегать близкого расположения линий питания и заземления, чтобы уменьшить паразитную индуктивность, особенно между выводами источника питания и развязывающими конденсаторами.

Во‑вторых, поскольку выход и инвертирующий вход усилителя являются наиболее чувствительными к паразитной емкости, выходной резистор RS следует располагать наиболее близко к выходному выводу. Резистор в цепи ОС и резистор, устанавливающий коэффициент усиления (RF и RG), должны находиться близко к инвертирующему входу. Они изолируют соответствующие порты от емкостных наводок со стороны линий передачи.

Простой пассивный RC-фильтр из компонентов RIN и CIN на неинвертирующем входе поможет компенсировать всплески коэффициента усиления, вызванные паразитными емкостями на инвертирующем входе.

Следует определить необходимость в выходном развязывающем резисторе. При малых паразитных емкостных нагрузках (менее 5 пФ) RS, как правило, не требуется. При большей паразитной выходной емкости можно обойтись без него, однако следует установить более высокий коэффициент усиления при замкнутой ОС.

Вблизи входных и выходных выводов следует оставлять участки, свободные от линий питания и заземления, во избежание появления паразитных связей по переменному току. На плате должен быть только один неразрывный слой питания и заземления.

Подключение тестового оборудования к измеряемой линии осуществляется через резистор 100 Ом для ее изоляции от емкости щупа.

Рис. 9. Коэффициент усиления при разных номиналах элементов

Как правило, производители указывают несколько значений RF для разных значений коэффициента усиления. Номиналы из рекомендуемого перечня обеспечивают оптимальные характеристики – остальные могут вызвать отклонения. На рисунке 9 показано, как влияет сопротивление RF на работу схемы при коэффициенте усиления 2. Оптимальное сопротивление RF = 1,1 кОм для данного коэффициента усиления, и это подтверждается характеристиками, приведенными на рисунке 9. При увеличении RF до 1,5 кОм начинается ограничение полосы пропускания; уменьшение до 600 Ом приводит к появлению выброса (см. рис. 10).

Рис. 10. Отклонение от рекомендуемого значения RF вызывает выброс и сокращает полосу пропускания

 

Компенсация паразитных емкостей

Чтобы различить паразитную емкость на входе и выходе, анализируют реакцию на импульсное возмущение.

Паразитная емкость на входе всегда меньше выходной, вызывает короткие выбросы в сигнале. Паразитная емкость на выходе, как правило, вызывает продолжительный «звон» (см. рис. 11).

Рис. 11. Перерегулирование сигнала за счет действия паразитной емкости на входе и «звон», обусловленный выходной паразитной емкостью

 

Паразитная емкость на входе

Обычно паразитная емкость CPI на инвертирующем входе мала, составляет 0,5–5 пФ и обусловлена конструкцией схемы, а также шунтирующим резистором RG. Вместе RF, RG и CPI вносят низкочастотную составляющую в ОС усилителя, которая преобразуется в высокочастотную в выходной характеристике усилителя VO/VI. Для ее компенсации ставят ФНЧ на неинвертирующем входе усилителя. С этой целью входная емкость на неинвертирующем входе должна соответствовать паразитной емкости на инвертирующем входе. Аналогично, сопротивление RIN должно быть равно параллельному соединению RF и RG. На рисунках 12–13 показаны частотная и импульсная характеристики схемы, приведенной на рисунке 7. Коэффициент усиления G = 2, RF = RG и имеют номиналы, рекомендованные производителем.

Рис. 12. Удаление выброса за счет RIN и CINРис. 13. Компенсация перерегулирования за счет RIN и CIN

При CPI = 0 (черные кривые на рисунках 12 и 13) отсутствуют выбросы на обеих зависимостях. Номинальный коэффициент усиления: 6 дБ, амплитуда импульса: ±200 мВ при тестовом входном сигнале ±100 мВ на частоте 10 МГц. При CPI = 5 пФ (красные кривые) наблюдается выброс почти 21 дБ и перерегулирование ±1 В.

После компенсации (голубые линии) CIN = CPI = 5 пФ и RIN = RF||RG = RF/2; коэффициент усиления увеличивается на 0,5 дБ, а перерегулирование выходного сигнала достигает ±45 мВ.

 

Паразитная выходная емкость

Паразитная емкость на выходе усилителя обусловлена конструктивными особенностями схемы, однако основной вклад вносят:

  • большая емкость нагрузки, в т. ч. емкость переходов в подавителях помех;
  • емкость управляющих диодов;
  • емкость кабелей;
  • входные емкости АЦП и других усилителей.

Общее значение паразитной выходной емкости изменяется с 20 пФ до нескольких сотен пФ.

Как уже упоминалось, малая паразитная емкость на выходе незначительно влияет на передаточную функцию, а большая может вызвать всплеск коэффициента усиления и продолжительный «звон» в импульсной характеристике. На рисунках 14–15 показано влияние выходной емкости 20 пФ. Коэффициент усиления увеличивается менее чем на 1 дБ, а перерегулирование не достигает 30 мВ. Компенсация не требуется, хотя при необходимости достаточно немного увеличить сопротивления RF и RG.

Рис. 14. Компенсация небольшой выходной паразитной емкости путем увеличения RFРис. 15. После компенсации выходной сигнал практически не меняется

Напротив, компенсация больших емкостей необходима. На рисунках 16–17 показана частотная зависимость коэффициента усиления и выходная характеристика схем без компенсации. На сиреневой кривой наблюдается всплеск 15 дБ в передаточной характеристике и звон при реакции на импульс при CPO = 500 пФ. За счет увеличения RF и RG не удается добиться значительного улучшения (синяя кривая).

Рис. 16. Компенсация большой паразитной выходной емкости за счет RSРис. 17. Компенсация резистором RS обеспечивает значительное улучшение выходного сигнала

Использование последовательно включенного резистора RS позволяет изолировать выход усилителя от емкости нагрузки (см. рис. 7).

Достаточно RS = 3,9 Ом для сокращения всплеска коэффициента усиления до 0,5 дБ; при этом перерегулирование сигнала на выходе уменьшается с ±400 до ±50 мВ.

Итак, для обеспечения стабильности усилителя следует придерживаться следующих рекомендаций:

  • выбирать топологию платы, обеспечивающую минимальные паразитные емкости;
  • буферизовать линию питания на низких и высоких частотах при помощи конденсаторов 6,8 мкФ, 100 нФ и 100 пФ;
  • установить резисторы с сопротивлением 100 Ом между тестовой точкой и измеряемой линией передачи для развязки сигнальной линии с емкостью щупа;
  • использовать номиналы резисторов, рекомендуемые производителем;
  • провести исходный анализ на импульсное воздействие, чтобы выделить паразитную емкость на выходе и входе;
  • компенсировать входную паразитную емкость, подключив RC-контур на неинвертирующий вход;
  • компенсировать малую выходную емкость путем увеличения RF и RG;
  • компенсировать большую выходную емкость включением небольшого развязывающего резистора RS.

отрицательный отзыв | Операционные усилители

Если мы подключим выход операционного усилителя к его инвертирующему входу и подадим сигнал напряжения на неинвертирующий вход, мы обнаружим, что выходное напряжение операционного усилителя точно соответствует этому входному напряжению (я не учел источник питания, провода + V / -V и символ заземления для простоты):

По мере увеличения V в , V из будет увеличиваться в соответствии с дифференциальным усилением. Однако, когда V out увеличивается, это выходное напряжение возвращается на инвертирующий вход, тем самым уменьшая разность напряжений между входами, что снижает выходное напряжение.Что произойдет для любого заданного входного напряжения, так это то, что операционный усилитель будет выдавать напряжение, почти равное В в , но достаточно низкое, чтобы оставалась достаточная разница напряжений между В в и (-) входом для усиливаться для создания выходного напряжения.

Схема быстро достигнет точки стабильности (известной в физике как равновесие ), где выходное напряжение является именно той величиной, которая необходима для поддержания нужной величины дифференциала. Взять выходное напряжение операционного усилителя и связать его с инвертирующим входом - это метод, известный как отрицательная обратная связь , , и это ключ к созданию самостабилизирующейся системы (это верно не только для операционных усилителей, но и для любых других). динамическая система в целом).Эта стабильность дает операционному усилителю возможность работать в линейном (активном) режиме, в отличие от простого полного насыщения «включено» или «выключено», как это было при использовании в качестве компаратора, без какой-либо обратной связи.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, напряжение на инвертирующем входе может поддерживаться почти равным В в . Предположим, наш операционный усилитель имеет дифференциальное усиление по напряжению 200000. Если V в равно 6 вольт, выходное напряжение будет 5,999970000149999 вольт. Это создает достаточное дифференциальное напряжение (6 вольт - 5.999970000149999 вольт = 29,99985 мкВ), чтобы вызвать проявление 5,999970000149999 вольт на выходной клемме, и система удерживает там баланс. Как видите, 29,99985 мкВ - это не много разницы, поэтому для практических расчетов мы можем предположить, что дифференциальное напряжение между двумя входными проводами удерживается отрицательной обратной связью ровно на уровне 0 вольт.

Преимущество отрицательной обратной связи в операционных усилителях

Одним из больших преимуществ использования операционного усилителя с отрицательной обратной связью является то, что фактическое усиление напряжения операционного усилителя не имеет значения, если оно очень велико.Если бы дифференциальное усиление операционного усилителя было бы 250 000 вместо 200 000, все это означало бы, что выходное напряжение будет немного ближе к В в (меньшее дифференциальное напряжение, необходимое между входами для генерации требуемого выхода). В только что проиллюстрированной схеме выходное напряжение все равно будет (для всех практических целей) равным неинвертирующему входному напряжению. Следовательно, коэффициенты усиления операционного усилителя не должны точно устанавливаться на заводе, чтобы разработчик схем мог построить схему усилителя с точным коэффициентом усиления.Отрицательная обратная связь заставляет систему самокорректироваться. Вышеупомянутая схема в целом будет просто следовать входному напряжению со стабильным усилением 1.

.

Как работает схема в операционном усилителе?

Возвращаясь к нашей модели дифференциального усилителя, мы можем думать об операционном усилителе как об источнике переменного напряжения, управляемом чрезвычайно чувствительным детектором нуля , типа измерительного прибора или другого чувствительного измерительного устройства, используемого в мостовых схемах для обнаружения состояния. баланса (ноль вольт).«Потенциометр» внутри операционного усилителя, создающий переменное напряжение, будет перемещаться в любое положение, в которое он должен «уравновесить» инвертирующие и неинвертирующие входные напряжения, так что «нулевой детектор» будет иметь нулевое напряжение на нем:

Поскольку «потенциометр» будет перемещаться, чтобы обеспечить выходное напряжение, необходимое для удовлетворения «нулевого детектора» при «показании» нуля вольт, выходное напряжение становится равным входному напряжению: в данном случае 6 вольт. Если входное напряжение вообще изменится, «потенциометр» внутри операционного усилителя изменит положение, чтобы удерживать «нулевой детектор» в равновесии (показывающий ноль вольт), в результате чего выходное напряжение всегда будет примерно равным входному напряжению.

Это будет справедливо в пределах диапазона напряжений, которые может выдавать операционный усилитель. Благодаря источнику питания + 15 В / -15 В и идеальному усилителю, который может так же сильно изменять выходное напряжение, он будет точно «следовать» за входным напряжением в пределах от +15 вольт до -15 вольт. По этой причине вышеупомянутая схема известна как повторитель напряжения . Как и его однотранзисторный аналог, усилитель с общим коллектором («эмиттерный повторитель»), он имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 1, высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления по току.Последователи напряжения также известны как буферы напряжения и используются для повышения способности источника тока сигналов напряжения, слишком слабых (слишком высокое полное сопротивление источника) для непосредственного управления нагрузкой. Модель операционного усилителя, показанная на последнем рисунке, показывает, как выходное напряжение по существу изолировано от входного напряжения, так что ток на выходном контакте вообще подается не источником входного напряжения, а скорее от источника питания, питающего операционную систему. -амп.

Следует отметить, что многие операционные усилители не могут переключать свое выходное напряжение точно в соответствии с напряжениями на шинах питания + V / -V.Модель 741 - одна из тех, которые не могут: при насыщении ее выходное напряжение достигает пика в пределах примерно одного вольта от напряжения источника питания + V и примерно в пределах 2 вольт от напряжения источника питания -V. Следовательно, при раздельном питании + 15 / -15 вольт на выходе операционного усилителя 741 может достигать +14 вольт или ниже -13 вольт (приблизительно), но не более того. Это связано с конструкцией биполярного транзистора. Эти два предела напряжения известны как положительное напряжение насыщения , и отрицательное напряжение насыщения , , соответственно.Другие операционные усилители, такие как модель 3130 с полевыми транзисторами в конечном выходном каскаде, могут изменять свое выходное напряжение в пределах милливольт от напряжения питания шины . Следовательно, их положительное и отрицательное напряжения насыщения практически равны напряжениям питания.

ОБЗОР:

  • Подключение выхода операционного усилителя к его инвертирующему (-) входу называется отрицательной обратной связью . Этот термин можно широко применять к любой динамической системе, где выходной сигнал каким-то образом «возвращается» на вход, чтобы достичь точки равновесия (баланса).
  • Когда выход операционного усилителя напрямую подключен к его инвертирующему (-) входу, будет создан повторитель напряжения . Какое бы напряжение сигнала ни подавалось на неинвертирующий (+) вход, он будет виден на выходе.
  • Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет пытаться довести свое выходное напряжение до необходимого уровня, чтобы дифференциальное напряжение между двумя входами было практически нулевым. Чем выше дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя, тем ближе дифференциальное напряжение к нулю.
  • Некоторые операционные усилители не могут выдавать выходное напряжение, равное их напряжению питания в насыщенном состоянии. Модель 741 - одна из них. Верхний и нижний пределы размаха выходного напряжения операционного усилителя известны как положительное напряжение насыщения , и отрицательное напряжение насыщения , , соответственно.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

положительных отзывов | Операционные усилители

Как мы видели, отрицательная обратная связь - невероятно полезный принцип в применении к операционным усилителям.Это то, что позволяет нам создавать все эти практические схемы, имея возможность точно устанавливать коэффициенты усиления, скорости и другие важные параметры с помощью всего лишь нескольких изменений номиналов резисторов. Отрицательная обратная связь делает все эти схемы стабильными и самокорректирующимися.

Основной принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что выходной сигнал стремится двигаться в направлении, которое создает состояние равновесия (баланса). В схеме операционного усилителя без обратной связи нет корректирующего механизма, и выходное напряжение будет насыщаться минимальным значением дифференциального напряжения, приложенного между входами.Результатом является компаратор:

С отрицательной обратной связью (выходное напряжение каким-то образом «возвращается» на инвертирующий вход) схема стремится не дать выходу полностью насыщаться. Скорее, выходное напряжение задается только настолько высоким или низким, насколько это необходимо для балансировки двух входных напряжений:

Независимо от того, подается ли выходной сигнал обратно на инвертирующий (-) вход или соединяется через набор компонентов, эффект один и тот же: чрезвычайно высокое дифференциальное усиление напряжения операционного усилителя будет «приручено», и схема будет реагировать. в соответствии с требованиями «петли» обратной связи, соединяющей выход с инвертирующим входом.

Как работает положительная обратная связь в операционном усилителе?

Другой тип обратной связи, а именно положительной обратной связи , также находит применение в схемах операционных усилителей. В отличие от отрицательной обратной связи, где выходное напряжение «возвращается» на инвертирующий (-) вход, при положительной обратной связи выходное напряжение каким-то образом направляется обратно на неинвертирующий (+) вход. В простейшей форме мы могли бы подключить прямой кусок провода от выхода к неинвертирующему входу и посмотреть, что произойдет:

Инвертирующий вход остается отключенным от контура обратной связи и может получать внешнее напряжение.Посмотрим, что произойдет, если мы заземлим инвертирующий вход:

Если инвертирующий вход заземлен (поддерживается нулевое напряжение), выходное напряжение будет определяться величиной и полярностью напряжения на неинвертирующем входе. Если это напряжение окажется положительным, операционный усилитель также будет управлять положительным выходом, подавая это положительное напряжение обратно на неинвертирующий вход, что приведет к полному положительному выходному насыщению. С другой стороны, если напряжение на неинвертирующем входе становится отрицательным, выход операционного усилителя будет двигаться в отрицательном направлении, возвращаясь на неинвертирующий вход и приводя к полному отрицательному насыщению.

Здесь мы имеем схему с выходом , бистабильным, : стабильным в одном из двух состояний (насыщенное положительное или насыщенное отрицательное). Достигнув одного из этих насыщенных состояний, он будет стремиться оставаться в этом состоянии неизменным. Для переключения состояний необходимо подать напряжение на инвертирующий (-) вход той же полярности, но немного большей величины. Например, если наша схема насыщена при выходном напряжении +12 В, потребуется входное напряжение на инвертирующем входе не менее +12 В для изменения выходного сигнала.Когда он изменится, он станет полностью отрицательным.

Чем полезен положительный отзыв?

Операционный усилитель с положительной обратной связью имеет тенденцию оставаться в том состоянии выхода, в котором он уже находится. Он «защелкивается» между одним из двух состояний, насыщенным положительным или насыщенным отрицательным. Технически это известно как гистерезис .

Гистерезис может быть полезным свойством для схемы компаратора. Как мы видели ранее, компараторы можно использовать для создания прямоугольной волны из любого вида нарастающей волны (синусоидальной волны, треугольной волны, пилообразной волны и т. Д.).) Вход. Если входящий сигнал переменного тока не содержит шумов (то есть «чистый» сигнал), простой компаратор будет работать нормально.

Однако, если есть какие-либо аномалии в форме волны, такие как гармоники или «всплески», которые вызывают значительное повышение и падение напряжения в течение одного цикла, выход компаратора может неожиданно переключить состояния:

Каждый раз, когда происходит переход через уровень опорного напряжения, независимо от того, насколько крошечным может быть этот переход, выход компаратора будет переключать состояния, создавая прямоугольную волну с «глюками».”

Если мы добавим немного положительной обратной связи в схему компаратора, мы введем гистерезис на выходе. Этот гистерезис заставит выход оставаться в текущем состоянии, если входное напряжение переменного тока не подвергнется значительному изменению по величине.

Этот резистор обратной связи создает двойное задание для схемы компаратора. Напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход в качестве эталона, которое сравнивается с входящим напряжением переменного тока, изменяется в зависимости от значения выходного напряжения операционного усилителя.Когда выход операционного усилителя насыщен положительной полярностью, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более положительным, чем раньше. И наоборот, когда выход операционного усилителя является отрицательным, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более отрицательным, чем раньше. Результат легче понять на графике:

Когда выход операционного усилителя насыщен положительной полярностью, действует верхнее опорное напряжение, и выход не упадет до отрицательного уровня насыщения, если входной сигнал переменного тока не поднимется на выше этого верхнего опорного уровня.И наоборот, когда выход операционного усилителя имеет отрицательное насыщение, действует более низкое опорное напряжение, и выход не поднимется до положительного уровня насыщения, если входной сигнал переменного тока не упадет на ниже этого нижнего опорного уровня. В результате снова получается чистый прямоугольный выходной сигнал, несмотря на значительные искажения входного сигнала переменного тока. Чтобы «сбой» заставил компаратор переключаться из одного состояния в другое, он должен быть, по крайней мере, таким же большим (высоким), как разница между верхним и нижним уровнями опорного напряжения, и в нужный момент времени. пересечь оба эти уровня.

Еще одно применение положительной обратной связи в схемах операционных усилителей - создание схем генераторов. Генератор - это устройство, которое вырабатывает переменное (AC) или, по крайней мере, пульсирующее выходное напряжение. Технически это известно как нестабильное устройство : не имеющее стабильного выходного состояния (никакого равновесия). Осцилляторы - очень полезные устройства, и их легко сделать с помощью всего лишь операционного усилителя и нескольких внешних компонентов.

Когда выход насыщен положительным положительным сигналом, V ref будет положительным, и конденсатор будет заряжаться в положительном направлении.Когда V , линейное изменение превышает V ref с минимальным запасом, выходной сигнал станет отрицательным, и конденсатор будет заряжаться в противоположном направлении (полярность). Колебания возникают из-за того, что положительная обратная связь является мгновенной, а отрицательная обратная связь задерживается (посредством постоянной времени RC). Частоту этого генератора можно регулировать, изменяя размер любого компонента.

ОБЗОР:

  • Отрицательная обратная связь создает условие равновесия (баланс).Положительная обратная связь создает состояние гистерезиса (тенденция «защелкиваться» в одном из двух крайних состояний).
  • Генератор - это устройство, вырабатывающее переменное или импульсное выходное напряжение.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Что такое обратная связь?

Обратная связь - это термин, который описывает сравнение фактического выхода системы с желаемым выходом и корректировку фактического выхода для получения желаемого конечного результата. Например, нервная система человека обеспечивает постоянную обратную связь с мозгом, особенно когда ощущается боль, чтобы избежать дальнейших телесных повреждений.

В электронике обратная связь определяется как процесс возврата части выходного сигнала от схемы или устройства обратно на вход этой схемы или устройства.

Системы обратной связи широко используются в схемах усилителей, генераторах, системах управления технологическими процессами и во многих других областях. Преимущества системы обратной связи включают способность точно управлять усилением (например, усилением сигнала в операционном усилителе), улучшать линейный отклик, уменьшать искажение сигнала и контролировать колебания сигнала.Обратную связь иногда называют системой «замкнутого цикла». Это означает, что выходной сигнал присоединяется к входу устройства или системы, образуя «петлю». Противоположностью замкнутого контура или контура обратной связи является система «разомкнутого контура», в которой нет обратной связи и, следовательно, нет корректирующих действий на основе выходного сигнала или того, что происходит в данный момент.

В системах управления желаемый результат - либо увеличить вход (положительная или регенеративная обратная связь), либо уменьшить вход (отрицательная или дегенеративная обратная связь).В системах управления с положительной обратной связью положительная обратная связь находится в фазе со входом, что увеличивает выход, т.е. приводит к усилению системы. Первым применением положительной обратной связи были регенеративные схемы, изобретенные в 1914 году для усиления и приема очень слабых радиосигналов. Эти схемы позволяли усиливать радиосигналы до 100000 раз за один этап, хотя ранние схемы были нестабильными и колеблющимися. Сегодня положительная обратная связь в основном используется в электронных генераторах для увеличения усиления и сужения полосы пропускания.Положительная обратная связь добавляет к сигналу, который требует коррекции, на основе выходного сигнала. Один из примеров - радиатор с краном горячей воды и термостатом. Если температура в комнате становится слишком низкой, клапан должен увеличить количество горячей воды, подаваемой в радиатор, чтобы вернуть температуру на комфортный уровень. Здесь отношение входного сигнала к выходному сигналу (к клапану) является обратным, и поэтому, если клапан естественным образом закрыт или нормально закрыт, увеличение амплитуды сигнала, подаваемого на клапан, обеспечивает больше энергии для дальнейшего открытия горячего клапана. водяной клапан и обогрейте комнату.Термостат - это механизм обратной связи, а температура в помещении - обратная связь. В системе с открытым контуром клапан не будет ни к чему подключен.

В системах с отрицательной обратной связью отрицательная обратная связь не совпадает по фазе со входом, что уменьшает сигнал, уменьшая выходной сигнал. Если мы применим здесь пример с радиатором с горячей водой, и на этот раз клапан обычно открыт в обесточенном состоянии, то меньшее напряжение, приложенное к клапану, приведет к тому, что клапан будет открываться больше. Помимо теории контроля, нормально открытый клапан горячей воды будет означать, что, когда температура будет удовлетворительной, на клапан будет подаваться максимальное напряжение, так что радиатор больше не будет нагревать комнату.

Отрицательная обратная связь - наиболее распространенная форма управления с обратной связью, используемая во всех типах систем. Электронные устройства по своей природе нелинейны, но их можно сделать более линейными с помощью отрицательной обратной связи. Усилитель с отрицательной обратной связью был изобретен в 1927 году Гарольдом Блэком во время работы в Bell Labs. Белл использовал свое изобретение, чтобы уменьшить переполненность телефонных линий и расширить свою сеть дальней связи. Отрицательная обратная связь позже использовалась военными для разработки точных систем управления огнем во время Второй мировой войны.Позже использовались операционные усилители (операционные усилители) и точные звуковые генераторы переменной частоты.

Операционные усилители

могут включать или не включать в себя внешнюю петлю обратной связи , в зависимости от того, для какой функции она настроена, но если внешняя обратная связь недоступна, она, вероятно, настроена на установленное значение во встроенной микросхеме. Внешняя обратная связь позволяет проектировщику настраивать i

ОУ с обратной связью по току | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности.Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Целевые / профилирующие файлы cookie:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.
Отклонить файлы cookie

Что такое цепь обратной связи операционного усилителя?

Что такое цепь обратной связи операционного усилителя?
Далее: Что такое компаратор? Up: Фон Предыдущее: Что такое буферизация Как упоминалось в другом месте, операционный усилитель представляет собой схему дифференциального усилителя напряжения с очень большим коэффициентом усиления по напряжению (), почти бесконечным входным сопротивлением и почти нулевым выходным сопротивлением.Это означает, что мы можем смоделировать операционный усилитель как зависимый источник напряжения, управляемый напряжением. Принципиальная схема операционного усилителя представлена ​​на рисунке 8.
Рисунок 8: Эквивалентная схема операционного усилителя

Идеализированная модель, показанная на рисунке 8, является хорошим приближением к поведению `` реального '' операционного усилителя. Другими словами, операционный усилитель - это специальная схема, которая была специально разработана, чтобы вести себя как ее идеализированная схемная модель.Таким образом, мы можем надежно использовать модели операционных усилителей для прогнозирования поведения схем операционных усилителей с высокой уверенностью в том, что наши аналитические прогнозы оправдаются в реальной жизни. Это означает, что операционный усилитель является полезным строительным блоком при проектировании аналоговых схем.

Тот факт, что операционный усилитель имеет чрезвычайно большой коэффициент усиления по напряжению, очень полезен, когда мы подключаем операционный усилитель к цепи обратной связи . В частности, давайте рассмотрим инвертирующую обратную связь , показанную на рисунке 9.На этой схеме показан положительный вывод независимого источника, подключенный к инвертирующему выводу операционного усилителя через резистор. Часть выходного напряжения подается на инвертирующую входную клемму через делитель напряжения, образованный резисторами и. Другими словами, часть подается обратно на вход операционного усилителя, отсюда и название `` схема обратной связи ''.

Рисунок 9: Цепь обратной связи инвертирующего ОУ

Чтобы проанализировать эту схему, мы хотим вывести взаимосвязь между входным напряжением и выходным напряжением.В частности, отметим, что


где - напряжение от отрицательной клеммы до земли. Поскольку он большой, порядка, мы знаем, что если он составляет около 1 вольт, это должно быть микровольт. Это чрезвычайно маленькое напряжение, и это означает, что отрицательный вывод операционного усилителя очень близок к нулю вольт (земля). Таким образом, мы можем предположить, что это равно нулю вольт. Мы иногда называем это предположением виртуальной земли .

В предположении виртуального заземления мы знаем, что ток через резистор должен быть .Мы также знаем, что ток через резистор обратной связи должен быть . Более того, мы знаем, что входное сопротивление операционного усилителя чрезвычайно велико, так что ток, идущий на отрицательную клемму, также почти равен нулю. Таким образом, согласно закону Кирхгофа, мы можем заключить, что. Поскольку ток, протекающий через оба резистора, почти одинаков, мы сразу видим, что


что упрощает
Другими словами, выходное напряжение пропорционально входному напряжению с константой пропорциональности (также называемой коэффициентом усиления по напряжению).

Обратите внимание, что приведенный выше анализ является приблизительным в том смысле, что мы использовали высокий коэффициент усиления операционного усилителя, чтобы предположить, что отрицательный вывод был на земле (предположение виртуального заземления), и мы использовали высокое входное сопротивление операционного усилителя. чтобы показать, что ток через и были равны друг другу. Именно из-за этих приближений мы обнаруживаем, что усиление напряжения инвертирующей обратной связи нечувствительно к усилению операционного усилителя.

Наконец, обратите внимание, что предыдущий анализ также может быть использован с небольшими изменениями для получения коэффициента усиления по напряжению для неинвертирующей цепи обратной связи операционного усилителя, показанной на рисунке 7.В рамках предварительной лабораторной работы вам необходимо будет провести этот анализ.



Далее: Что такое компаратор? Up: Фон Предыдущее: Что такое буферизация
Майкл Леммон 2009-02-01

операционных усилителей и их наиболее важные параметры

Операционные усилители (операционные усилители) были одной из самых успешных интегральных схем. Тип дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, дифференциальными входами и одним выходом позволяет этой небольшой недорогой ИС использовать отрицательную обратную связь в самых разных приложениях, в которых ее коэффициент усиления (в сотни тысяч раз выше, чем разница между двумя входами). ), полоса пропускания, входное и выходное сопротивление устанавливаются внешней схемой.

Сверху, этот операционный усилитель является разомкнутым, потому что в нем нет цепи обратной связи. Внизу, у этого операционного усилителя отрицательная обратная связь. Поскольку выход возвращается на отрицательный вход, устройство не инвертирует.

Из-за огромного усиления небольшая разница между входами приводит к тому, что выход усилителя приближается к напряжению питания. В редко используемой конфигурации с разомкнутым контуром устройство считается насыщенным, когда эта разница превышает напряжение питания.

В конфигурации с разомкнутым контуром (без отрицательной обратной связи) операционный усилитель является компаратором.Положительная обратная связь может быть реализована для регенерации. В конфигурации с обратной связью характеристики схемы стабилизируются и становятся гораздо более предсказуемыми. Подавая часть выходного сигнала на инвертирующий вход, коэффициент усиления снижается до разумного уровня. Тогда усиление и отклик в значительной степени определяются сетью обратной связи, а не качеством операционных усилителей.

Следует отметить, что существуют специальные типы операционных усилителей, в том числе высокочастотные (от 10 до 100 МГц), операционные усилители с разностью токов или проводимости.

Также обратите внимание, что на операционном усилителе нет заземляющего контакта, и операционные усилители могут работать от одного источника питания. Но для некоторых операционных усилителей требуются положительные и отрицательные источники питания. Это связано с тем, что предполагается, что вход находится на земле, а входные сигналы переменного тока отклоняются над и под землей.

Следует также отметить, что входы операционного усилителя должны оставаться в пределах источника питания (операционные усилители, названные типами с однополярным питанием, позволяют входу отклоняться до отрицательной шины, обычно заземления).Таким образом, отрицательные напряжения на входах с этой спецификацией однополярного питания недопустимы.

Есть несколько ключевых параметров, которые помогают определить пригодность данного операционного усилителя для решения поставленной задачи. Эти параметры можно установить с помощью тестов, и наиболее важные из них можно найти в спецификациях операционных усилителей. Коэффициент отклонения источника питания (PSRR) определяет чувствительность операционного усилителя к изменениям в источнике питания. Эта спецификация указывается в децибелах (дБ), где каждые 20 дБ повышение соотношения между ними означает десятикратное увеличение.Таким образом, значение 60 дБ означает, что изменение напряжения источника питания на один вольт вызовет изменение выходного напряжения на 0,001 В. PSRR зависит от фактического напряжения источника питания, а также от частоты шума. Более высокие рабочие напряжения и более низкие частоты шума обычно дают лучшие показатели PSRR.

Операционные усилители

, которые взаимодействуют с цифровой логикой (которая иногда вызывает значительный шум источника питания), как правило, должны иметь хорошие характеристики PSRR. Этот параметр может быть не так важен для операционных усилителей в аналоговых схемах, работающих от тихого источника питания.

Ток, необходимый для питания операционного усилителя, - это ток питания I s , также называемый током покоя. Он не включает ток через внешние компоненты или какой-либо выходной ток.

Входное сопротивление R in, показывает, какую нагрузку операционный усилитель накладывает на источник входного сигнала. Обычно оно поддерживается как можно более высоким и составляет типичные значения в сотни МОм. Некоторые новые операционные усилители имеют входное сопротивление, превышающее 10 тераом (1 тераом = 1000000 МОм).Входная емкость операционного усилителя обычно не указывается, но составляет порядка пикофарад и в основном связана с выводами.

Старые спецификации операционных усилителей могут указывать только входной ток смещения, I b , а не фактическое входное сопротивление. I b - это ток, необходимый для управления входами, который может давать входное сопротивление в соответствии с законом Ома и напряжением питания.

Входное напряжение смещения, V os , и входной ток смещения, I os , являются мерой погрешности операционного усилителя и должны быть близки к нулю.Если оба входа операционного усилителя равны нулю, выход также должен быть нулевым. Но операционные усилители не идеальны, поэтому на выходе будет некоторое остаточное напряжение. Следует отметить, что усиление всей схемы влияет на выход операционного усилителя. Таким образом, схема с коэффициентом усиления 100 увеличит ошибку в 100 раз, что объясняет, почему напряжения и токи смещения относятся ко входу, а не к выходу. В частности, определение ошибки смещения - это напряжение (или ток), приложенное ко входу, чтобы заставить выход точно равняться нулю.

Ошибки смещения обычно не являются проблемой для цепей переменного тока, потому что эффект проявляется как фиксированная ошибка постоянного тока. Поскольку цепи переменного тока обычно имеют емкостную связь, постоянный ток уходит. Но большие коэффициенты усиления (≥1000) могут превратить 5-мВ os в ошибку 5-В постоянного тока на выходе, что, возможно, приведет к превышению выходного напряжения операционного усилителя над напряжением питания и возникновению клиппинга. С другой стороны, ошибки смещения являются проблемой в приложениях постоянного тока, потому что невозможно отделить реальный сигнал постоянного тока от ошибки постоянного тока.

Диапазон синфазного напряжения (CMVR) определяет пределы входного напряжения, которое может быть приложено к операционному усилителю. Большинство новых операционных усилителей имеют входы «rail-to-rail», которые позволяют использовать любое входное напряжение, вплоть до шин V + и V-. Старые операционные усилители имеют тенденцию ограничивать входное напряжение до уровня ниже, чем у шин.

Тонкости могут возникнуть в операционных усилителях, у которых CMVR меньше, чем у шин питания. Операционные усилители, использующие один источник питания, могут быть ограничены работой со входами, которые никогда не достигают потенциала земли, и организовать вход таким образом может быть сложно.Также обратите внимание, что некоторые старые операционные усилители инвертируют сигнал, если он становится более отрицательным, чем отрицательный CMVR.

Другая спецификация, называемая коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR), относится к ошибке балансировки входов. Теоретически, соединение инвертирующего и неинвертирующего входов операционного усилителя вместе должно привести к нулевому выходу независимо от напряжения, приложенного к входам. Но это только в теории.

CMRR указывается в дБ и часто составляет от 60 до 80 дБ или выше. CMRR 60 дБ означает, что может быть ошибка ввода 0.1% в балансе между входами. Сигнал 10 В, подаваемый на оба входа, или V см (с CMRR 60 дБ), будет казаться сигналом 10 В, подаваемым на один вход, и сигналом 5 010 В, подаваемым на другой. Фактическая ошибка вывода зависит от коэффициента усиления схемы.

Ошибка CMRR особенно важна при измерении слабого сигнала, встроенного в большой. Например, измерения тока часто включают измерение падения напряжения на резисторе с малым номиналом на пути тока.Задача может заключаться в измерении долей милливольта при наличии 10 и более вольт.

Усиление большого сигнала по напряжению операционного усилителя (A v или A vo ) указывает на максимальное усиление, возможное без какой-либо обратной связи. (Таким образом, если A vo составляет 100 дБ, операционный усилитель не может обеспечить усиление выше 100 дБ.) Как было сказано ранее, такая конфигурация усилителя используется редко. Иногда A vo указывается как отношение В / мВ.

Выходной ток короткого замыкания I sc, определяет максимальный выходной ток операционного усилителя.I sc часто находится в диапазоне от 20 до 40 мА, хотя некоторые ранние операционные усилители работают гораздо меньше.

Параметры ОУ

, связанные со скоростью, включают скорость нарастания (SR), полосу пропускания с единичным усилением (BW) и произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW). SR измеряет, насколько быстро может изменяться выходной сигнал, обычно в В / мкс. Но на SR влияет эффективное усиление операционного усилителя. Это потому, что усиленный сигнал также имеет усиленный SL. Например, сигнал с напряжением 1 В, усиленный в 10 раз, имеет выходной сигнал, который должен измениться от нуля до 10 В в то же время, когда входной сигнал изменяется с 0 до 1 В.Таким образом, максимальная выходная частота типичного операционного усилителя напрямую зависит от коэффициента усиления схемы.

Точка, в которой операционный усилитель не успевает за сигналом, а напряжение на входе и выходе одинаковое, - это точка, где A v = 1, или единичное усиление. Самая высокая рабочая частота - это также полоса пропускания усилителя BW.

Прямая связь между SR и A v приводит к вычислению GBW. Видно, что уменьшение частоты вдвое позволяет схеме иметь двукратное усиление.Таким образом, произведение усиления и частоты всегда одно и то же. Это GBW. Также обратите внимание, что BW и GBW одинаковы для особого случая, когда коэффициент усиления равен единице.

Коэффициент усиления

также влияет на шум напряжения, E n , и шум тока, I n, , потому что оба растут с увеличением усиления. Таким образом, усилитель с коэффициентом усиления 100 будет иметь в 100 раз больше шума, чем указано. А шум связан с полосой пропускания системы. Таким образом, параметры шума определяются с использованием единиц квадратного корня из Гц в знаменателе.Широкополосные схемы будут иметь больше шума, чем схемы с узкой полосой пропускания.

Параметры искажения операционного усилителя включают полное гармоническое искажение (THD), указанное в процентах, обычно порядка 0,01% или лучше. Другой метод определения того, насколько точно операционный усилитель усиливает сигнал, - это параметр переходной характеристики, измеряющий, как операционный усилитель реагирует на резкое изменение. Практически все операционные усилители демонстрируют некоторое количество выбросов, которые указываются в процентах от выходного сигнала.Типичны цифры в несколько процентов и выше.

Embedded Adventures - Учебные пособия - Обратная связь по операционному усилителю

Дифференциальный коэффициент усиления основного оперативного усилитель сам по себе без подключенной обратной связи может быть очень высоким, по порядку 120 дБ (1000000) или более. Даже малейшее изменение на несколько микровольт на двух входных клеммах (инвертирующий и неинвертирующий входы) может вызвать выход качаться вперед и назад между шинами питания.В усилитель будет крайне нестабильным, если предпринять какие-либо попытки управлять выходом. напряжение в некоторой точке между максимальным и минимальным уровнями. О единственном Тип приложения, для которого была бы полезна эта схема операционного усилителя, - это напряжение схема компаратора.

Чтобы воспользоваться особыми характеристиками операционного усилителя, и чтобы обеспечить контроль над выходным сигналом, должна быть какая-то обратная связь. использовал.

Компонент (или компоненты) обратной связи должен быть подключен от выхода к либо инвертирующий вход, либо неинвертирующий вход, либо оба входа, которые затем позволит точно контролировать рабочие характеристики схемы.

Значения компонентов и способ их подключения определяют схему поведение, и обычно электрические параметры самого операционного усилителя могут быть исключены из большинства расчетов. Из-за чрезвычайно высокого входного сигнала операционного усилителя сопротивление, низкое выходное сопротивление и высокое усиление напряжения, можно сделать основные расчеты с учетом идеальных характеристик операционного усилителя.

Если этот компонент обратной связи подключен от выход на неинвертирующий вход, это будет считаться положительной обратной связью, и операционный усилитель по-прежнему не годился бы в качестве усилителя, но его можно было бы заставляют колебаться управляемым образом, определяемым значениями компонентов, или может быть компаратором с гистерезисом.

Схема может работать независимо любого входного сигнала, применяемого к нему, и может использоваться в таких приложениях, как сигнал генераторы, которые могут генерировать синусоидальную волну, повторяющиеся импульсы, пилообразные формы волны, пр.

Наиболее распространенный тип схем операционных усилителей, использующих Отрицательная обратная связь, где компонент обратной связи подключен от выхода к инвертирующий вход. На выходе доведен до уровня, при котором два входа будут по существу одинаковыми потенциал напряжения.Это обеспечивает точный контроль над усилением усилителя, так как коэффициент усиления, определяемый цепью обратной связи, составляет много порядков величина ниже, чем коэффициент усиления самого операционного усилителя.

В этом случае операционный усилитель будет генерировать усиленный сигнал на выходе как функцию некоторого входа применяется к нему, и может использоваться в таких приложениях, как дифференциальные усилители, регуляторы напряжения и тока, фильтры, преобразователи, анализаторы и др. Многие также могут выполняться математические функции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, объединение, дифференцирование, а также набор тригонометрических функции и другие специализированные функции.

Иногда схемы операционных усилителей проектируются с сочетание положительных и отрицательных отзывов, и это будет полезно в приложения, такие как источники тока, усилители тока, ток к напряжению преобразователи и др.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *