Характеристика усилителя низкой частоты (стр. 4 из 7)

УНЧ, особенно в интегральном исполнении, мало чем отличается от обычного операционного усилителя. Некоторые типы усилителей даже имеют вы-воды инвертирующего и неинвертирующего входов. Поэтому все, что справедливо для операционных усилителей, годится и для УНЧ. Различие заключается только в одном: все операционные усилители, но далеко не все интегральные УНЧ, являются усилителями постоянного тока.

Определим сейчас ряд параметров, которые понадобятся для обсуждения вопросов ОС. Все параметры зависят от условий измерения.

Коэффициентом усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи GV или А называется отношение выходного напряжения к входному, неважно амплитудное или действующее, при отсутствии ОС. Если данный усилитель не допускает, по техническим условиям, изменения коэффициента усиления, то приводится коэффициент усиления с имеющейся внутренней обратной связью. Обозначается он также, но при этом про обратную связь ничего не говорится. Иногда приводятся оба коэффициента.

Коэффициент усиления с увеличением частоты всегда падает, поэтому в справочниках часто приводится частота единичного усиления fT (UnityGainBandwidth). Как следует из названия, это частота, на которой усиление равно единице. Практически у всех современных усилителей (о ламповых говорить не будем) на входе используется дифференциальный каскад. Это объясняется его свойствами, которые при применении в интегральных схемах делают дифференциальный каскад еще более привлекательным. Наиболее важными являются стабильность режима, возможность последовательного соединения без переходных конденсаторов, малые искажения и, наконец, способность выделять малый дифференциальный сигнал Ud на фоне большого синфазного (CommonMode, CM) сигнала UCM. Основой схемы дифференциального усилителя является пара эмиттерно связанных транзисторов, обычных или полевых. Реальные схемы значительно сложнее, но их рассмотрение не входит в нашу задачу. Понятно, что для работы схемы необходимо протекание базовых токов транзисторов, что обусловливает наличие конечного входного сопротивления. В связи с этим возникает параметр, называемый входным токам смещения (InputBiasCurrent, Iib). Он определяется, как постоянный ток, необходимый для управления входными каскадами усилителя к замеряется при нулевом выходном напряжении.

Входной ток смещения стремятся сделать как можно ниже, для чего применяют супер-Ь транзисторы и очень маленькие токи коллекторов. За это приходится расплачиваться низким коэффициентом усиления входного каскада и малой скоростью нарастания выходного напряжения.

Для усилителей часто приводится максимальное синфазное входное напряжение Vicm, которое определяется как максимально допустимое синфазное напряжение, приложенное ко входу, при котором работа выходного каскада не нарушается (PHILIPS). Как правило, можно считать, что допустимое синфазное напряжение на 3...4 В ниже напряжения питания, если в спецификации не оговорено иное.

Входные токи смещения всегда отличаются друг от друга, пусть и ненамного, но ввиду высокого входного сопротивления и достаточно высокого коэффициент усиления, на выходе получается некоторый сигнал ошибки U = GV(I1 — I2)rj. Здесь rj — внутреннее сопротивление усилителя синфазному сигналу (InputResistance), определяемое по закону Ома для любого из входов, когда второй заземлен, а выходное напряжение равно нулю, а I1 - I2 = Iia— разность входных токов (InputOffsetCurrent). Часто возникает путаница из-за того, что Bias и Offset переводятся как «смещение», aIJb и 1^ слабо отличаются по виду, да и происхождение у них одно — физическое различие между парными транзисторами. Поэтому в литературе встречается и выражение «сдвиг», применительно к термину Offset. Тогда говорят о входном напряжении сдвига или о входном токе сдвига.

Помимо синфазного входного сопротивления, различают дифференциальное входное сопротивление rid (DifferentialInputResistance), которое измеряется по закону Ома между двумя незаземленными входами усилителя в режиме малого сигнала. Синфазное сопротивление всегда значительно больше дифференциального.

Дифференциальное входное напряжение определено кaк напряжение, прикладываемое между входами усилителя, а максимальное дифференциальное входное напряжение это то, которое может выдержать данный усилитель без повреждения внутренних цепей.

Дифференциальный коэффициент усиления Кd — это отношение приращения сигнала на выходе к вызвавшему его приращению дифференциального входного напряжения. Вводится для дифференциального усилителя. Одновременно с ним определяется коэффициент усиления синфазного сигнала Ks, как отношение приращения выходного напряжения к приращению входного синфазного сигнала. В идеальном усилителе этот коэффициент строго равен нулю. Реальные усилители, даже после специальной операции по симметрированию, имеют различные коэффициенты усиления для инвертирующего и неинвертирующего входов. Численно Ks равен разности этих коэффициентов. В справочниках ни Кd, ни Кs для УНЧ никогда не приводятся. Дело в том, что для них Кd и GV это одно и то же, aKs неинтересен как таковой. Разработчиков усилителей интересует совсем другой параметр — коэффициент ослабления синфазного сигнала CMRR (CommonModeRejectionRatio, рус. КОСС), который представляет не что иное, как отношение KD/KS.

CMRR, как правило, имеет достаточно большую величину порядка 60...100 дБ. Но как все параметры усилителя, носит комплексный характер, благодаря наличию паразитных емкостей и уменьшается с ростом частоты. Частота среза для CMRR значительно ниже, чем для Кd, из-за того, что в первом случае в качестве сопротивления RC-цепочки выступает коллекторная нагрузка дифференциального каскада, а во втором — большое внутреннее сопротивление источника тока. Наиболее полно реализовать преимуществa которые дает разработчику большой CMRR, можно при использовании дифференциального входа усилителя, но далеко не все УНЧ имеют такую возможность. У многих интегральных усилителей, неинвертирующий вход не имеет своего вывода.

Особенности схемотехники интегральных УНЧ

Здесь мы вкратце напомним основные понятия, необходимые для понимания работы усилительной техники. Говорят, что некоторая система или часть системы охвачены обратной связью по данному параметру (ОС рус. или feedbackF), если отклик системы на внешнее воздействие, является, частично или полностью, внешним воздействием для этой системы, по этому же параметру. Для усилителей такими параметрами являются чаще всего ток или напряжение. Различают соответственно общие и местные обратные связи. Могут одновременно существовать несколько обратных связей разного рода. Если воздействие обратной связи направлено на усиление внешнего воздействия, то такая связь называется положительной (ПОС, PositiveFeedback, PF), если наоборот, то отрицательной (ООС рус, NegativeFeedback, NF). Если воздействие обратной связи равно отклику системы, то такая связь называется 100% (стопроцентной). Существует еще много разновидностей и классификаций обратных связей. Отметим, что, строго говоря, положительной или отрицательной обратная связь может быть названа только в условиях определенного частотного диапазона. При повышении частоты коэффициент обратной связи, являющийся комплексной величиной, может изменить свой характер, положительная связь может стать отрицательной и наоборот.

Если на частоте fT (частота единичного усиления) фазовый сдвиг превышает 180*, то обратная связь на этой частоте становится положительной. Понятно, что система нуждается в коррекции. Видов и способов коррекции очень много. Одним из способов заключается в том, чтобы использовать

усилитель при относительно большом коэффициенте усидения. Для интегральных УНЧ очень характерным является требование минимально допустимого коэффициента усиления, приводимое в технических условиях. Оно вызвано тем, что запас устойчивости при уменьшении коэффициента усиления падает. Для каждого усилителя приводятся оптимальные способы его коррекции, если она необходима, и желательно придерживаться этих рекомендаций. Общепринятым является мнение, что правильно скорректированный усилитель должен иметь запас по фазе порядка 65°. В этом случае его переходная характеристика будет иметь небольшой выброс и оптимальную крутизну фронтов. Значения порядка 90° означают недостаточный запас по частоте и соответствующее затягивание фронтов и спадов. Такие усилители применяются в системах управления, где перерегулирование по каким-то причинам недопустимо, а не в УНЧ. Значения меньшие 45° применять не рекомендуется, т.к. устойчивость легко нарушается при изменении параметров нагрузки, а поскольку она в нашем случае имеет резко выраженный реактивный характер, запас надо иметь как можно больше.

Рассматривая усилитель, не следует забывать о том, что он находится не в абстрактном пространстве, а на печатной плате и окружен навесными элементами и связан с другими устройствами. Проводники печатной платы обладают заметными индуктивностями и емкостями и вполне могут создавать паразитные обратные связи. Источник питания вещь вообще особая и заслуживает специального рассмотрения. Для некоторых усилителей приводятся рекомендуемые разводки печатных плат, для которых все это более менее учтено, в том числе и развязка по питанию. Вполне может оказаться, что при каком-то конкретном рисунке печатной платы придется применять специальные меры для обеспечения устойчивой работы устройства, в то время как для другого рисунка ничего этого не понадобится.