«Дифференциальные и операционные усилители» (стр. 5 из 9)
2.3.4 Коэффициент усиления без ОС. Дифференциальное входное сопротивление и выходное сопротивление
Три мультипликативных параметра A, Rд, Rвых имеют одну общую особенность. Можно сделать так, что их присутствие в операционном уравнении совсем не будет ощущаться; для этого достаточно просто увеличить коэффициент усиления без обратной связи А. Это следует непосредственно из линейной модели. Состояние входных зажимов приближается к идеальному, если внутреннее напряжение ед = - (uвых + Rвыхiвых)/A и внутренний ток ед/Rд оба стремятся к нулю. При A→∞ это условие выполняется независимо от величин Rд и Rвых.
Коэффициент усиления без обратной связи А есть взятое со знаком минус отношение изменения входного напряжения в режиме холостого хода к изменению дифференциального входного напряжения при нулевом синфазном входном напряжении.
Дифференциальное входное сопротивление Rд есть взятое со знаком минус отношение дифференциального входного напряжения к изменению тока неинвертирующего входа в режиме короткого замыкания.
Выходное сопротивление Rвых — это внутреннее сопротивление выхода операционного усилителя относительно земли.
Дифференциального входного сопротивления представляет собой параллельное соединение дифференциального Rд и синфазного R-с входных сопротивлений. У биполярных операционных усилителей R-с на несколько порядков больше Rд и вносимая погрешность пренебрежимо мала. У ОУ с полевыми транзисторами на входе все три входных сопротивления настолько велики, что знать их точные значения необязательно.
2.3.5 Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Синфазные входные сопротивления
Передаточная постоянная 1/Х второго зависимого генератора линейной модели входит в операционное уравнение только тех операционных схем, в которых неинвертирующий вход ОУ используется в активном режиме. То же справедливо и для сопротивления R+с.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) есть отношение изменения синфазного входного напряжения к изменению дифференциального входного напряжения при нулевом выходном напряжении в отсутствие нагрузки. Синфазное входное сопротивление R-c или R+c есть отношение изменения синфазного входного напряжения к изменению тока инвертирующего или неинвертирующего входа при нулевом выходном напряжении в отсутствие
нагрузки. Обычно синфазные входные сопротивления R-c или R+c совпадают приблизительно в той же степени, что и входные токи смещения I-cм или I+cм . Поэтому обычно оговаривается лишь одно значение Rс.
Рис.10
Стремление представить параметр X в линейной модели в явном виде привело к довольно искусственному разделению генератора напряжения ошибки на рис.9 на два генератора: Eош и eс=uс/X. Иногда необходимость в этом не столь настоятельна, и тогда рассматривается только один генератор, включающий в себя и случайные составляющие и эффект от возбуждения входа синфазным сигналом. В этих случаях коэффициент ослабления синфазного сигнала X определяется как отношение изменения синфазного входного напряжения Δuс к изменению входного напряжения сдвига ΔEс.
По тем же причинам явное представление параметров R-с и R+с приводит к разделению генераторов тока ошибки на идеальные генераторы тока I-ош, I+ош (идеальные в смысле их бесконечного внутреннего сопротивления, т.е. их независимости от uс) и параллельно подключенные ко входам резисторы R-с и R+с. По аналогии синфазное входное сопротивление R-с или R+с определяется в терминах результирующих неидеальных генераторов ошибки как отношение изменения синфазного входного напряжения Δuс к изменению входного тока смещения ΔI-см или ΔI+см.
КОСС неявным образом выражает асимметрию усиления ОУ без обратной связи при возбуждении последнего с инвертирующего или неинвертирующего входа (рис. 10, а, б). Как видно из приведенных на этих рисунках выражений, абсолютные значения обоих коэффициентов усиления различаются на величину А/Х, которую следует рассматривать как синфазный коэффициент усиления Ac=Δuвых/Δuс=А/Х.
Поскольку в хорошо спроектированных ОУ коэффициенты усиления A и ослабления синфазного сигнала X обычно одного и того же порядка, синфазный коэффициент усиления Aс обычно имеет порядок 1. Приведенное выше выражение дает также возможность выбора другого определения КОСС — как отношения дифференциального и синфазного коэффициентов усиления:
X=A/Aс (17)
В отличие от дифференциального коэффициента усиления A коэффициент ослабления синфазного сигнала X и синфазный коэффициент усиления Aс могут иметь любой знак.
Среди сделанных для линейной модели допущений линейное представление зависимого генератора ес (uс) генератором uc/Х является наиболее проблематичным. Это имеет отношение главным образом к ОУ с ПТ-входом, который к тому же имеет меньший КОСС по сравнению с аналогично спроектированным биполярным ОУ.
При работе в частотной области синфазные входные сопротивления должны быть заменены на полные синфазные входные сопротивления Z-c, Z+c. Начиная уже с низких частот, большие для постоянного тока значения сопротивлений R+c, R-c уменьшаются за счет низких реактивных сопротивлений включенных с ними параллельно синфазных входных емкостей C-c, C+c.
2.3.6 Нелинейные параметры
Ошибки, сопровождающие аппроксимацию реального ОУ линейной моделью, с увеличением возбуждения и выхода возрастают. В особенности это относится к линеаризации передаточной характеристики схемы с разомкнутой цепью ОС uвых(uд) выражением -A(uд - Eош - uc/X), выходной характеристики uвых(iвых) — приближением -Aeд - Rвыхiвых и выходной характеристики eс(uс) — генератором uс/X. Действительная форма каждой из указанной характеристик отмечена очень крутым перегибо, за пределами которого применение линейных параметров теряет смысл. Таким образом, уровень сигнала возбуждения, соответствующий этому перегибу, довольно точно определяет пределы диапазона линейного усиления.
Имеются три статические нелинейности (границы размаха сигнала) и две динамические нелинейности (пределы скорости изменения сигнала), соответствующие трем переменным uс, uвых и iвых; шестая нелинейность (скорость изменения выходного тока) обычно не является лимитирующим фактором.
Величины нелинейных параметров, особенно статических, зависят от напряжений питания. Поэтому они всегда приводятся вместе с паспортными значениями напряжения питания, и обычно они симметричны для обеих полярностей размаха сигнала и направлений его изменения. Кроме того, нелинейные параметры выхода зависят от величины нагрузки, и как правило приводятся их гарантированные значения при номинальном сопротивлении нагрузки.
Номинальное выходное напряжение Uвых — это максимальное значение выходного напряжения в диапазоне линейного усиления.
Номинальный выходной ток Iвых — это максимальное значение выходного тока в диапазоне линейного усиления. Номинальное синфазное входное напряжение Uс — это максимальное значение синфазного входного напряжения в режиме линейного усиления.
Максимальная выходная скорость нарастания S — это максимальная скорость изменения выходного напряжения в линейной области.
Максимальная входная скорость нарастания Sс — максимальная скорость изменения синфазного входного напряжения в линейной области.
Ограничение скорости изменения напряжения сигнала вызвано конечным значением токов в ОУ, заряжающих корректирующие конденсаторы и паразитные емкости каскадов усилителя. За исключением некоторых довольно редких применений, доминирующую роль играет выходное ограничение, и нет необходимости принимать во внимание входную скорость нарастания
Ограничение выходной скорости нарастания можно выразить также в виде частотной зависимости:
Частота полной мощности fпм есть максимальная частота, на которой может быть получено неискаженное синусоидальное напряжение номинальной амплитуды Uвых. Связь между обоими параметрами S и fпм ,
S=2πfпмUвых (18)
следует из сравнения скорости нарастания S с максимальной крутизной синусоиды, имеющей частоту fпм и амплитуду Uвых .
2.3.7 Время установления и время восстановления после перегузки
Эти параметры являются по большей части характеристиками динамического поведения ОУ в некоторой операционной схеме в режиме большого сигнала. Это поведение определяется
линейными и нелинейными параметрами и другими эффектами, которые не видны из простых данных приведенных в документации на ОУ. Сюда относится форма частотной характеристики, величины емкостей, входящих в схему ОУ, и паразитных емкостей операционной схемы, тепловые переходные процессы после снятия перегрузки и т. д. Однако хотя времена установления и восстановления после перегрузки относятся к одной конкретной схеме, их можно с успехом использовать для оценки поведения ОУ в сходных ситуациях, т. е. там, где решающим критерием является быстрая и точная реакция на быстро изменяющиеся сигналы.
Время установления tу ОУ в данной операционной схеме есть время, которое требуется на установление выходного напряжения в пределах заданной погрешности относительно идеального значения в ответ на скачкообразное входное возбуждение.