Как рассчитать величину тока, который должен обеспечивать ОУ ?
Очень просто! Допустим, что в роли нагрузки выступает резистор сопротивлением в 10 Ом. На повторитель приходит напряжение в 5 вольт, которое он должен передать нагрузке. В таком случае, применяя закон ома (I=U/R), выясняем, что для поддержания 5 вольт на резисторе операционнику требуется обеспечивать ток в 0.5 ампера. (Это грубая прикидка, но вполне применимая на практике)
Обычные ОУ не смогут справиться с такой задачей. Конечно выход можно умощнить транзистором, но тогда применение повторителя на ОУ становится менее оправданным.
Для таких целей предлагается использовать TDA2030, TDA2040 или TDA2050 включенных по схеме повторителя. Микросхемы представляют собой уже готовые, умощненые транзисторами, операционные усилители, которые между собой отличаются максимальной выходной мощность.
Схема с использованием диодов
На эмиттерных переходах транзисторов Т1 и Т2 появляется смещение за счет диодов Д1 и Д2, подключенных между базами транзисторов. При входном напряжении, равном нулю, транзисторы активны. Когда полярность напряжения положительна, транзистор Т2 запирается, а при отрицательной полярности напряжения запирается транзистор Т1. При нулевом входном сигнале один из транзисторов является активным, таким образом, схема с диодами дает характеристику выходного сигнала, очень близкую к линейной. Вместо диодов, можно использовать транзисторы с шунтированными коллекторными переходами.
TDA2030 как повторитель напряжения
Для примера рассмотрим микросхему TDA2030, т.к. две другие являются её более мощными собратья. Исходно микросхема разрабатывалась и применяется в усилителях звука. Подавляющее большинство бытовых усилителей, особенно систем 2.1 и 5.1 построено на этой микросхеме. Что логично и понятно — микросхема дешевая и при этом обладает хорошими характеристиками.
Микросхема реализована в пяти-выводном корпусе и требует минимум деталей для работы. При включении по схеме повторителя для нормальной работы требуются только конденсаторы по питанию. Лучше оставить еще и резистор по входу для привязки входа к земле по постоянному напряжению, хотя и он не обязателен.
Стандартная схема включения микросхемы в качестве усилителя звуковой частоты:
В штатном включении микросхемы (показанном выше), предлагаемом дата шитом, коэффициент усиления задается около 20. При этом полоса рабочих частот ограничивается тем же дата шитом в 140кГц. Однако при работе по схеме повторителя напряжения с единичным коэффициентом усиления микросхема может работать до частот в 0,5…1 МГц. По крайней мере микросхема отлично себя проявила, при работе на частоте 100кГц, подаваемой с генератора синусоидального сигнала на мосту Вина, для умощнения выхода которого она и была применена.
Изящно, красиво, а главное — работает. Микросхема солидно греется и желательно применять радиатор с достаточной площадью поверхности. Отлично подойдет радиатор процессора ПК. Однако тепловыделение зависит от режима работы и сопротивления нагрузки. Не рекомендуется включение микросхемы без радиатора.
В авторском варианте микросхема запитанна стабилизированным напряжением ±9Вольт для обеспечения стабильности амплитуды сигнала. Работа микросхемы предполагалась с мощностью 2-3 Ватта, по этой причине стабилизация питания выполнена на кренках 7809 и 7909, способных обеспечивать ток до 1А(при условии наличия радиаторов). Диапазон питающих напряжений для микросхемы TDA2030 составляет ±6 … ±18 Вольт.
Ток смещения и смещение выхода
Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения. В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.
Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему
Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае — это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.
Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В. В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно — на рисунке ниже.
Как сделать расчет схемы
Первоначальными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, являются ток коллектора (ИК) и напряжение питания (УВХ):
- Напряжение эмиттера (УЕ) должно соответствовать: УЕ = 0,5 х УВХ (чтобы обеспечить для выходного напряжения максимальный размах).
- Теперь нужно сделать расчет сопротивления резистора на эмиттере: РЕ = УЕ/ИК.
- Делается расчет сопротивления резисторного делителя: Р1-Р2 (подбираем сопротивления так, чтобы ток на делителе был примерно в 10 раз меньше тока на базе): ИД = 0,1 х ИК/β, где β – коэффициент усиления по току транзистора. Сопротивление Р1+ Р2= УВХ/ИД.
- Рассчитываем напряжение базы относительно земли: УБ = УЕ + 0,7.
Повторитель напряжения
Первая схема, о которой я расскажу, является схема усилителя с единичным усилением (единичный усилитель) или так называемый повторитель напряжения. Схема данного усилителя показана ниже
Усилитель с единичным усилением (повторитель напряжения).
Данная схема представляет собой модификацию неинвертирующего усилителя, отличие состоит в том, что отсутствуют резистор обратной связи и резистор на инвертирующем входе. Таким образом, напряжение с выхода ОУ полностью поступает на инвертирующий вход ОУ, а, следовательно, коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1).
Как известно, входное сопротивление ОУ с обратной связью определяется следующим выражением
- где RBX – входное сопротивление ОУ без ОС,
- β – коэффициент передачи цепи ОС,
- К – коэффициент усиления ОУ без ОС.
Тогда для повторителя напряжения входное сопротивление будет иметь вид
Выходное сопротивление ОУ с обратной связью представляет собой следующее выражение
- где RBЫX – входное сопротивление ОУ без ОС,
- β – коэффициент передачи цепи ОС,
- К – коэффициент усиления ОУ без ОС.
Так как у повторителя напряжения коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1), то выходное сопротивление будет иметь следующий вид
5.2. Фиксированное смещение
Если на управляющую сетку лампы подается (относительно катода) постоянный отрицательный потенциал
ЕСМ, который и обеспечивает заданный режим по управляющей сетке, говорят о фиксированном смещении.
Фиксированное смещение просто и понятно, а для прямонакальных ламп ему по сути дела нечего и противопоставить.
Однако тут есть и недостатки.
1) Для ламп с высокой крутизной, обладающих большим разбросом характеристик, фиксированное смещение не
гарантирует приемлемого допуска на ток анода. То же нередко относится и к оконечным лампам усилителей мощности. Для разных экземпляров ламп, при одном и том же
смещении возможно превышение допустимого тока или, наоборот, ток окажется слишком малым.
2) У ламп с высокой мощностью накала, большой крутизной (а значит, близкорасположенной к катоду сеткой)
возможен заметный сеточный ток (термоток). Здесь при фиксированном смещении не исключено отклонение режима от желаемого, вызванное падением напряжения на
сопротивлении утечки сетки RC.
3) Неизбежная нестабильность напряжения смещения приводит к нестабильности тока покоя, в особенности — ламп с
высокой крутизной.
Корень этих недостатков — в высокой чувствительности режима по току к напряжению в цепи сетки, здесь она равна
S. Речь идет не только о возможной нестабильности собственно ЕСМ, но и о падении напряжения на сопротивлении утечки
сетки, и о разбросе характеристик — все это отображается эквивалентными напряжениями, приложенными к сетке.
6.8. Катодный повторитель
В этой схеме, как и ранее, iK = uBX / rK,
uВЫХ = iKRK, отсюда:
.
Если только величина RK не слишком мала, коэффициент передачи близок к единице. В
отличие от каскада с анодной нагрузкой, здесь не поворачивается фаза сигнала.
Катодный повторитель имеет низкое выходное сопротивление для малых сигналов, поскольку на катоде действует
сопротивление лампы со стороны катода, равное 1/S (и параллельно ему включено RK). Принято считать, что он незаменим как раз в
случаях, когда требуется иметь низкое выходное сопротивление, в том числе для согласования с низкоомной нагрузкой. Попробуем разобраться, так ли это.
1) Традиционный усилительный каскад нагружаем в аноде сопротивлением, равным 1/S. Легко убедиться, что
коэффициент передачи и выходное сопротивление сделались такими же, как у катодного повторителя.
2) Исходя из условия наилучшего согласования, подключим к повторителю нагрузку с сопротивлением, равным
1/S. Очевидно, что коэффициент передачи напряжения будет при этом равен 1/2, т.е. повторитель перестал быть таковым.
Получается, что уникальные свойства катодного повторителя — в каком то смысле миф? Однако обычно не замечают еще
одного, действительно полезного его свойства: на вход повторителя допустимо подавать колебания с размахом, значительно превышающим раствор характеристики
(это свойственно, разумеется, и масштабному усилителю)
Так что изредка он может быть полезен: как маломощный оконечный
каскад при работе на не слишком низкоомную нагрузку, когда не требуется усиление напряжения, но важно не внести заметных искажений при больших амплитудах
Вообще-то и эта схема тоже кажется несколько странной; а нельзя ли нижний конец катодного резистора просто
заземлить? Можно. Но на сетку потребуется подать положительное напряжение. Иначе, скорее всего, это будет уже не повторитель: не удастся
обеспечить условие RK >> 1/S. Да и большую амплитуду с выхода тогда не снять.
Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя
Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже. Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.
Примем следующие допущения:
Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (Rвх → ∞, i+ = i−).
Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (Rвых = 0).
Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения
Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
напряжение смещения нуля равно нулю.
Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.
Так как i− = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i1 = i2.
Учитывая, что i1 = i2, получаем uвых= −uвх· R2 / R1
Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Кu= −R2/R1
Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением R3 (рис. 2.26), которое определяется из выражения R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2)
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что uдиф~ 0, легко заметить, что иходное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R1.
Можно показать, что Rвых.ос = Rвых / ( 1 + К ·R1/R2) где К — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.
Принцип действия повторителя напряжения
Соединение цепи обратной связи и инвертирующего входа в операционном усилителе называют суммирующим соединением, поскольку напряжение на этом соединении представляет собой сумму входного напряжения и напряжения обратной связи. Операционные усилители устроены так, чтобы напряжение на суммирующем соединении было равно напряжению на неинвертирующем входе. О суммирующем соединении говорят, что оно стремится иметь напряжение, равное напряжению на неинвертирующем входе. Иными словами, напряжение на неинвертирующем входе служит «эталоном» или опорным напряжением для суммирующего соединения. Поскольку неинвертирующий вход служит «эталоном», для суммирующего соединения, неинвертирующий вход называют «опорным» соединением. Таким образом, можно также сказать, что напряжение на суммирующем соединении всегда стремится быть равным напряжению на опорном соединении. Эта взаимозависимость справедлива для всех операционных усилителей, и понимание ее является ключевым моментом для понимания работы операционных усилителей и определения выходных состояний схем.
В операционном усилителе, термины «вход» и «соединение» означают одно и то же, поскольку нет других точек на неинвертирующем входе, образующих соединения. Но в других схемах, где может быть подсоединена другая цепь, и перед входом образовано еще одно соединение, эти термины имеют разные значения; неинвертирующий вход представляет собой точку, где схема соединена с общей схемой на кристалле, а опорное соединение — это точка, где две схемы образуют общее соединение. Этот вопрос будет рассмотрен более подробно позже в настоящем учебном пособии.
Как пример работы схемы, предположим, что на инвертирующий вход подано 0 В, а на неинвертирующий вход подано +1 В. Напряжение на суммирующем соединении будет +1 В, поскольку напряжение на суммирующем соединении стремится быть равным напряжению на опорном соединении (неинвертирующем входе), то есть в данном случае +1 В.
Может возникнуть вопрос: откуда берется напряжение на суммирующем соединении? Ответ кроется в выходном напряжении и цепи отрицательной обратной связи. В данном типе схем цепь отрицательной обратной связи представляет собой короткозамкнутую цепь между суммирующем соединением и выходом. Поэтому любое напряжение, появляющееся на выходе, также появляется на суммирующем соединении, поскольку с точки зрения электрической цепи эти две точки равны.
Повторитель напряжения имеет характеристики, сходные с характеристиками эмиттерного повторителя, а именно коэффициент усиления единица, высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Такие характеристики делают повторитель напряжения отличным буферным устройством.
Буфер представляет собой особый вид схемы, служащей для электрической изоляции между собой двух разных схем. Буфер обладает очень высоким входным сопротивлением, так что он не требует особо много тока от источника сигнала. Его выходное сопротивление при этом очень низкое, что образует хороший источник сигналов. Тщательный контроль входных и выходных сопротивлений буферных схем (заложенной в их конструкции) позволяет буферу точно согласовывать выходное сопротивление одной схемы с входным сопротивлением другой.
Выбор операционного усилителя
Следящее питание — это способ использования практически любого монолитного операционного усилителя для получения на выходе большого размаха напряжения колебаний сигнала. Тем не менее, необходимо выбрать операционный усилитель, который может работать с достаточно высоким напряжением питания. Приведённое выше сравнение показывает преимущество такого подхода. Сотни общедоступных операционных усилителей работают от источников питания 30 или 40 В, поэтому избегайте выбора такового с максимальным напряжением VCC всего 5 или 10 В. Кроме того, индивидуальные системные требования определяют какую точность, скорость и другие параметры должен иметь операционный усилитель. Некоторые важные параметры, которые следует учитывать, следующие:
Выходной ток: при большом размахе выходного напряжения даже нагрузка 2 K может потреблять значительный ток.
Входной ток смещения: резисторы большого номинала в цепях обратной связи позволяют использовать входной каскад на МОП-транзисторах.
Скорость нарастания выходного напряжения: ограничение скорости нарастания может искажать сигналы переменного тока большой амплитуды.
Таблица 4 показывает несколько операционных усилителей от Analog Devices, подходящих для схем со следящим питанием, включая как МОП, так и биполярные входные каскады. Этот список не является исчерпывающим. Каждое применение следящего питания имеет уникальный набор требований к параметрам операционного усилителя, поэтому если то, что вам нужно, отсутствует в этом списке, посмотрите предложения разных производителей операционных усилителей. Независимо от задачи, выбор операционного усилителя требует знания требований данного подхода к дизайну. Используйте уравнения, чтобы ответить на следующие вопросы:
Какая скорость нарастания выходного напряжения нужна вашему дизайну? (См. Уравнения 19 и 20.)
Как напряжение смещения и ток смещения будут влиять на ошибку на выходе? (См. Уравнения 21, 24 и 25.)
Будет ли входной каскад с большим диапазоном входных напряжений или большее напряжение питания устройства (максимальное значение VS) значительно улучшать параметры? (См. Уравнения 9, 14, 15, 17, 21, 24 и 25.)
Имейте также в виду, что входной каскад с МОП-транзисторами может позволить использовать резисторы с большими номиналами в цепи обратной связи с минимальным влиянием на общую ошибку на выходе.
Таблица 4. Некоторые подходящие для схем со следящим питанием операционные усилители и их основные параметры
|
Название |
Тип |
VOS |
IB |
VIHRH |
VIHRL |
VOHRH |
VOHRL |
IOUT |
GBP |
SR |
maxVs |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
AD711 |
FET |
300μV |
15pA |
0.5V |
3.5V |
1.1V |
1.7V |
25mA |
4MHz |
20V/μs |
36V |
|
AD820 |
FET |
100μV |
2pA |
1V |
-0.2V |
0.01V |
0.005V |
15mA |
1.9MHz |
3V/μs |
36V |
|
AD825* |
FET |
1mV |
10pA |
1.5V |
1.5V |
1.6V |
1.6V |
26mA |
46MHz |
140V/μs |
36V |
|
AD843* |
FET |
1mV |
50pA |
3V |
2V |
3.5V |
2.4V |
50mA |
24MHz |
250V/μs |
36V |
|
AD845 |
FET |
700μV |
750pA |
4.5V |
2V |
2.5V |
2.5V |
25mA |
16MHz |
100V/μs |
36V |
|
OP176 |
FET |
1mV |
350nA |
4.5V |
4.5V |
1.5V |
1.5V |
40mA |
10MHz |
25V/μs |
44V |
|
OP42 |
FET |
1.5mV |
130pA |
2.5V |
2.5V |
3.1V |
2.5V |
25mA |
10MHz |
50V/μs |
40V |
|
AD817* |
BIP |
500μV |
3.3μA |
0.7V |
1.6V |
1.3V |
1.3V |
50mA |
50MHz |
350V/μs |
36V |
|
AD841* |
BIP |
800μV |
3.5μA |
3V |
3V |
5V |
5V |
50mA |
40MHz |
300V/μs |
36V |
|
AD847* |
BIP |
500μV |
3.3μA |
0.7V |
1.6V |
1.4V |
1.4V |
20mA |
50MHz |
300V/μs |
36V |
|
OP07* |
BIP |
30μV |
1nA |
1V |
1V |
2V |
2V |
25mA |
600KHz |
0.3V/μs |
44V |
|
OP113* |
BIP |
150μV |
600nA |
1V |
0V |
1V |
0.5V |
20mA |
3.4MHz |
1.2V/μs |
36V |
|
OP177* |
BIP |
10μV |
2nA |
1V |
1V |
1V |
1V |
25mA |
600KHz |
300V/μs |
44V |
|
OP183* |
BIP |
100μV |
300nA |
1.5V |
0V |
0.75V |
0.09V |
5KHz |
15V/μs |
36V |
|
|
OP184* |
BIP |
175μV |
80nA |
0V |
0V |
0.15V |
0.15V |
10mA |
4.25MHz |
4V/μs |
36V |
|
OP193* |
BIP |
150μV |
20nA |
1V |
0V |
0.86V |
0.28V |
10mA |
35KHz |
0.015V/μs |
36V |
|
OP27* |
BIP |
30μV |
15nA |
2.7V |
2.7V |
2.2V |
2.2V |
25mA |
8MHz |
2.8V/μs |
44V |
|
OP77* |
BIP |
50μV |
1.2nA |
1V |
1V |
1V |
1V |
25mA |
600MHz |
300V/μs |
44V |
|
OP90* |
BIP |
125μV |
4nA |
1V |
0V |
0.8V |
0.01V |
20mA |
20KHz |
0.012V/μs |
36V |
|
OP97* |
BIP |
30μV |
30pA |
1V |
1V |
1V |
1V |
20mA |
900KHz |
0.2V/μs |
40V |
* Устройство не подвержено реверсу фазы
Влияние напряжения питания устройства
Интуитивно понятно, что при следящем питании для получения большого размаха сигнала лучше всего устанавливать напряжение питания операционного усилителя, VCO — VEO, около его максимального допустимого рабочего напряжения. Но чтобы явно показать, как напряжение питания устройства влияет на параметры, рассмотрим следующие конфигурации. Обе имеют системные питания ± 60 В и обе требуют усиления 10. Однако в одном случае питание устройства составляет 30 В, а в другом — 10 В (см. Таблицы 2 и 3 соответственно). Проектируя эти две схемы для получения желаемого напряжения питания устройства выбираем R1 и R2 используя уравнение 9. Затем выбираем RF и RG, чтобы получить максимально возможное усиление от VCM к VOUT и выполнить условия уравнений 14 и 15. Для этого примера предположим, что в обоих случаях запас по входу для усилителя составляет 1 В для каждой шины. Тогда уравнение 17 даёт нам отношение RIN/RB, которое приведёт к усилению 10 от VIN к VOUT, и расчёт двух схем завершён. Чтобы определить шумовое усиление каждой из них, используем значения компонентов в уравнении 21. Результаты этого упражнения показывают, что при уменьшении на треть напряжения питания устройства, выходная ошибка возрастает почти в четыре раза.
|
Таблица 2. Ключевые параметры для разработки конфигурации с 30 В устройством |
Таблица 3. Ключевые параметры для разработки конфигурации с 10 В устройством |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
4.5. Влияние ООС на выходное и входное сопротивления усилителя
Обратная связь изменяет выходное и входное сопротивления цепи, к которой оно подключен. Рассмотрим общий случай, т.е. комбинированного подключения четырёхполюсника обратной связи вначале к выходной цепи усилителя, а затем – входной цепи.
Выходное сопротивление усилителя без обратной связи равно:
;
где UВЫХ.ХХ – напряжение холостого хода, а IВЫХ.КЗ – ток короткого замыкания. Выходное сопротивление усилителя с обратной связью равно:
; (4.11)
здесь FВЫХ.КЗ глубина ООС на выходе усилителя в режиме короткого замыкания; FВЫХ.ХХ – глубина ООС на выходе усилителя в режиме холостого хода.
Формула (4.11) называется формулой Блекмана для выходной цепи. Из неё следуют частные случаи: 1) В схеме отсутствует ООС по напряжению; тогда FВЫХ.ХХ = 1, а ZВЫХ.ОС равно:
ZВЫХ.ОС = ZВЫХ. · FВЫХ.КЗ ;
Т.е при последовательном подключение четырёхполюсника обратной связи к выходу усилителя, его выходное сопротивление возрастает.
2) В схеме отсутствует ООС по току; тогда FВЫХ.КЗ = 1, а ZВЫХ.ОС равно: ZВЫХ.ОС = ;
Т.е при параллельном подключение четырёхполюсника обратной связи к выходу усилителя, его выходное сопротивление уменьшается.
Подбирая FВЫХ.ХХ и FВЫХ.КЗ можно всегда согласовать ZВЫХ. с нагрузкой. Это обстоятельство широко используется на практике.
Аналогично определяется входное сопротивление усилителя:
; (4.12)
Формула (4.12) называется формулой Блекмана для входной цепи. Аналогично, последовательное подключении цепи обратной связи ко входу усилителя увеличивает сопротивление:
ZВХ.ОС = ZВХ. · FВХ.КЗ ;
А при параллельном – уменьшает: ;
Регулировка глубины обратной связи в схемах групповых усилителей осуществляется элементами групповой схемы. Обычно для этих целей используется несимметричная дифференциальная схема .
Давайте вместе разберемся в её работе.
Наиболее понятно, работа данной схемы представляется в виде работе некоторого постоянно сравнивающего устройства, которое постоянно сравнивает сигнал 1 и сигнал 2 подаваемые на вход компаратора. Выход оно устанавливает исходя из следующего:
Сигнал 1 больше по напряжению, чем сигнал 2?
Если да, то выход устанавливается в 10В (напряжение питание операционного усилителя). Если нет, то в 0В.
Рис.2. Наглядное описание работы компаратора
На первый взгляд в работе данной схемы нет ничего необычного, но существует бесчисленное множество применений работы данной схемы. В основном это устройства, которые переводят аналоговый сигнал в некоторую логическую величину: ДА или НЕТ. Это может быть и индикатор зарядки батареи, и датчик критического уровня жидкости в сосуде или любой другой аналоговый сигнал, который переходи какое-то определённое значение.
4.7. Устойчивость усилителей с обратной связью
Усилители с ООС при определённых условиях могут самовозбуждаться, т.е. генерировать электрические колебания. Это свидетельствует о том, что усилитель прекращает свои функции по усилению электрических колебаний. При этом ООС превращается в ПОС. это происходит обычно за пределами рабочего диапазона частот из-за фазовых сдвигов в усилителе и в цепи обратной связи. Фаза как аргумент вектора петлевого коэффициента передачи Т изменяется:
Т = – β·К·е j∆φβК;
где величина ∆φβК определяется как сумма фазовых сдвигов в усилителе и в четырёхполюснике обратной связи:
∆φβК = ∆φК + ∆φβ ; (4.13)
Уравнение (4.13) определяет дополнительный фазовый сдвиг к 180º между векторными источниками сигнала UВХ.ИСТ и UВХ.СВ., т.е. (180º + ∆φβК). Причиной изменения фазы являются реактивные элементы схемы, а на высоких частотах дополнительно инерционность работы усилительных элементов.
При ООС и ПОС величина Т является действительной:
FООС = 1 + ТООС > 1;
FПОС = 1 – ТПОС < 1;
Пока ТПОС < 1, усилитель не возбуждается, хотя ООС превращается в ПОС, т.е. она оказывается ещё недостаточно глубокой для самовозбуждения. Генерация наступает при:
ТПОС = 1;
и коэффициент усиления с обратной связью будет иметь бесконечно большое значение:
;
Практически усилитель возбуждается на низких и высоких частотах при:
ТПОС ≥ 1 и φβК= 180º + ∆φβК
Для оценки устойчивости усилителя с обратной связью используются различные критерии. Наиболее приемлемым оказался критерий Найквиста, который заключается в следующем: “Если точка с координатами (–1;0) лежит внутри годографа вектора β К для диапазона частот от 0 до ∞, то система неустойчива, рис. 4.7а; если же точка (–1;0) лежит вне указанного годографа, система устойчива, рис. 4.7б”
Рис. 4.7. Диаграммы Найквиста для неустойчивого а) и устойчивого усилителей б) с обратной связью.
Для повышения устойчивости усилителей разработаны методы, суть которых сводится к следующему.
- В усилителе с обратной связью следует охватить как можно меньше число каскадов, т.к. это уменьшает сдвиг фаз петли обратной связи
- Применять в охваченных обратной связью каскадах схемы межкаскадовой связи, дающие малые фазовые сдвиги.
- При проектировании усилителей задаются допустимой степенью приближения годографа Т к критической точке; эта степень получала название запаса устойчивости усилителя. Различают запас устойчивости по модулю “X”
X = – 20lg |TX| при arg TX = π; и запас устойчивости по фазе “Y”;
πY = π – arg T при |TX| = 1
Для групповых усилителей, имеющих глубокую ООС принимают запасы устойчивости: по модулю 3n дБ, а по фазе 0,175 рад (10n град.), где n – число усилительных каскадов.
Ток смещения и смещение выхода
Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения. В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.
Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему
Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае – это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.
Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В. В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно – на рисунке ниже.
Пример расчёта неинвертирующего усилителя
Рассчитаем неинвертирующий усилитель, который должен обеспечить коэффициент усиления К = 10. В качестве ОУ применим К157УД2, имеющий следующие параметры: коэффициент усиления (на частоте 1 кГц) К = 1800 (65 дБ), входное сопротивление RBX.ОУ = 500 кОм, выходное сопротивление RBЫX.ОУ = 300 Ом, напряжение смещения UCM = 10 мВ, входной ток IВХ ≤ 500 нА. Входной сигнал имеет уровень UВХ = 40 мВ.
Определение сопротивлений R1,R2. Величина сопротивления R1 не должна значительно влиять на входное напряжение, то есть падение напряжения на нём не должна превышать 0,1UВХ, тогда величина сопротивления составит
Примем R1 = 8,2 кОм.
Примем R2 = 75 кОм.
Рассчитаем параметры неинвертирующего усилителя:
входное сопротивление RBX
выходное сопротивление RBЫX
смещение уровня постоянной составляющей составит
Сложение двух сигналов в программном симуляторе
Но что, если нам надо сложить в теории два каких-нибудь два сложных сигнала с разными фазами, амплитудами, частотами? Здесь проще всего прибегнуть как различным симуляторам. Один из них – это Proteus. С помощью него я могу сложить два любых сигнала и посмотреть их сумму. Для этого выбираю синусоидальный генератор
потом виртуальный осциллограф
Собираю схему
Щелкаю два раза на генератор и задаю его параметры
Давайте сложим два наших синусоидальных сигнала с одинаковыми амплитудами, фазами и частотами, как во втором примере
Прописываем амплитуду и частоту каждого сигнала, остальное ничего не трогаем. Потом нажимаем “пуск”
Потом нажимаем правой кнопкой мыши на наш виртуальный осциллограф и нажимаем Digital Oscilloscope
Сигнал с канала B я немного сдвинул вниз, иначе он совпадает с сигналом А. Оно и неудивительно, так как это два идентичных сигнала.
Для того, чтобы найти их сумму, нам достаточно нажать на кнопку A+B
Получаем сумму двух сигналов
В таком виртуальном осциллографе можно складывать любые два сигнала.
Давайте сложим два таких сигнала
Нажимаем A+B и получаем вот такую сумму сигналов
А давайте сдвинем синусоидальный сигнал на 90 градусов по фазе. Имеем
В результате сумма сигналов будет
На моем реальном цифровом осциллографе тоже имеется такая функция
Здесь на примере ниже я суммирую два сигнала: синусоидальный и прямоугольный. Зеленая осциллограмма – это сумма двух этих сигналов.
Пример расчёта неинвертирующего усилителя
Рассчитаем неинвертирующий усилитель, который должен обеспечить коэффициент усиления К = 10. В качестве ОУ применим К157УД2, имеющий следующие параметры: коэффициент усиления (на частоте 1 кГц) К = 1800 (65 дБ), входное сопротивление RBX.ОУ = 500 кОм, выходное сопротивление RBЫX.ОУ = 300 Ом, напряжение смещения UCM = 10 мВ, входной ток IВХ ≤ 500 нА. Входной сигнал имеет уровень UВХ = 40 мВ.
-
Определение сопротивлений R1,R2. Величина сопротивления R1 не должна значительно влиять на входное напряжение, то есть падение напряжения на нём не должна превышать 0,1UВХ, тогда величина сопротивления составит
Примем R1 = 8,2 кОм.
Примем R2 = 75 кОм.
-
Рассчитаем параметры неинвертирующего усилителя:
входное сопротивление RBX
выходное сопротивление RBЫX
смещение уровня постоянной составляющей составит
