УСТРОЙСТВ АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 3 страница
Входные сопротивления по дифференциальному и синфазному сигналам измеряют на постоянном токе или на низких частотах
Выходное сопротивление зависит от параметров оконечного каскада ОУ (см., например, Рис.24.46); обычно это мощный эмиттерный повторитель (см. ст. 24.11), имеющий Rвых→0.
Частота полюса – fв или ωв – верхняя частота, соответствующая спаду АЧХ ОУ на 3 дБ; ее оценивают только на малом сигнале, в отсутствие перегрузки первого каскада.
Частота единичного усиления ω1 (см. Рис.24.61) – частота, при которой модуль |Kд|=1, достигает сотен мегагерц.
Время установления ОУ – продолжительность переходного процесса, tуст (см. ст. 24.24).
Постоянное входное напряжение смещения Евх.см=Евых.см/(RОС/R1+1) – напряжение, обусловленное асимметрией плеч дифференциального каскада (см. Рис.24.90) на входе ОУ.
Компенсационное напряжение Есм.к=|Eсм|- напряжение от 1 до 5 мВ обратного Eвх.см знака, при котором Евых.см=0.
Температурный дрейф смещения, DEвх.см/DT, – составляет 10 ¾ 50 мкВ/К.
Входной ток смещения Iвх.см – среднее (по неинверсному и инверсному входам) значение обоих входных токов ОУ при заданном значении Евых.см – изменяется от 10 пА до 10 мА, а дрейф входного тока DIвх.см/DT – от 0,5 до 2,5 нА/К.
Скоростными параметрами ОУ, которые описывают его свойства при больших уровнях входного сигнала и перегрузке первого каскада, являются максимальная скорость нарастания выходного напряжения Vвых.max (сотни В/мкс) и максимальная частота, на которой ОУ развивает полную, как на НЧ, выходную мощность, – wmax=Vвых.max/Uвых.max [1, 7]. Оба эти параметра характеризуют динамичеcкие искажения сигнала входной цепью ОУ после каждого значительного броска напряжения Uвх: некоторое время ОУ не способен воспроизводить бросок входного сигнала любого знака или переменный сигнал, поскольку выходное напряжение при этом неуправляемо. Это ошибочное время тем короче, чем бόльшую скорость Vвых.max обеспечивает ОУ и чем меньше значение фактора F внешней ОС (см. ст. 24.15). Самые скоростные ОУ образуют серию компараторов на ИМC (см. ст. 24.1).
Классификация ОУ. Различают следующие типы ОУ:
¾ ОУ общего назначения – с несколькими качественными значениями параметров; ¾ специальные ОУ с оптимизацией некоторых параметров за счет ухудшения других, например с большим усилением, но в узкой полосе частот или наоборот;
¾ прецизионные ОУ – с большим усилением, возможностью глубокой ОС без самовозбуждения, малыми смещением нуля и шумами, высоким входным сопротивлением;
¾ компараторы, высокоскоростные ОУ (пример – см. ст. 24.1).
Структура ОУ содержитдва входных дифференциальных каскада (ДК), за которыми следуют каскады сдвига (смещения) уровня (КСУ, см. ст. 24.23); далее включают предоконечный, затем мощный выходной каскады (см. ст. 24.9) с участием дополнительных цепей внутренних ООС и коррекции АЧХ (см. ст. 24.17, «Устойчивость»). Переход от симметричных двухфазных к несимметричным однофазным цепям и сигналам осуществляется во втором ДК. Этот переход предусмотрен для удобства подключения внешних цепей ОС и передачи обработанного сигнала к исполнительному устройству пользователя. Во внутренней схемотехнике ОУ широко используется генератор стабильного тока – ГCТ, или «токовое зеркало» (термин США. – См. ст. 24.18). Его применяют также как динамическую нагрузку каскадов для увеличения усиления и коррекции АЧХ (см. ст. 24.14) и (или) как цепь межкаскадной связи (см. ст. 24.19). Предусматриваются также цепи защиты ОУ от короткого замыкания (см., например, Рис.24.46и ст. 10.5).
Вообще ОУ всегда применяют вместе с цепями внешних ОС. Главная причина – основополагающий результат, отмеченный в конце ст. 24.15: в устройствах обработки сигналов на базе ОУ коэф. передачи К=1/b12, определяется только цепью ОС. Под величиной b12 здесь понимают обобщенный комплексный коэф. передачи цепи ОС, которая и определяет свойства ОУ вместе с цепью ОС при условии очень большого коэффициента Кд. Но дело не только в назначении (см. ст. 24.1, 24.15), а и в большом усилении ОУ (Кд®106) – это вторая причина: даже незначительная асимметрия плеч входного ДК или весьма малое входное напряжение Uвх.д могут привести к смещению (сдвигу) нуля, к насыщению ОУ и его неспособности обрабатывать сигналы. Третья причина – большой технологический разброс параметров ОУ (в особенности Кд) и их зависимость от температуры, требующие отрицательной обратной связи при любых применениях ОУ. Без них ОУ не работает принципиально.
Базовые схемы ОУ как активного элемента с цепями внешних ОС - это инверсный, неинверсный, дифференциальный ОУ, а также преобразователь тока в напряжение.
Дифференциальный операционный усилительпредусматривает обязательное использование обоих входов – инверсного и неинверсного (см. ст. 24.17, ниже), причем, в отличие от дифференциального каскада (см. ст. 24. 23), он охвачен внешней ООС (Рис.24.56). Для обеспечения одинаковых коэффициентов передачи от обоих входов включают делитель R2R3 и, если R1/RОС=R2/R3, то Д.ОУ становится нечувствительным к внешним синфазным помехам, поскольку они ослабляются в kп.с.п раз:
kп.с.п = (Uвх.сф/Uвых)RОС/R1, и Uвых = (Uвх.2-Uвх.1)RОС/R1.
Здесь RОС/R1»К(*) – коэф. передачи сигнала с одного из входов дифференциального ОУ с внешней ОС (RОС). Каскадный Д.ОУ содержит два – три корпуса ОУ, чтобы обеспечить еще большее подавление синфазных помех.
Инвертирующий / Инверсный операционный усилитель –основное включение, базовая схема ОУ (Рис.24.57), с применением которой созданы многие устройства (см. ст. 24.1). Сигнал подают на инверсный вход и осуществляют параллельную ООС. Для параллельной Y-ОС (см. ст. 24.15) коэф. К=К1К2/Fвх(0)1, где
К1 = Rвх.д║RОС/(R1+Rвх.д║RОС).
Здесь символ ║ означает параллельное соединение цепей, RОС=(RОС+Rн║Rвых)→RОС, а К2=Кд (см. эту статью выше: «Малосигнальные параметры ОУ»). Фактор ООС
Fвх(0) = 1+Кд(R1║Rвх.д) /(RОС+R1║Rвх.д).
Входное сопротивление с учетом действия ООС
Rвх = R1+Rвх.д║[RОС/(1+Кд)]→R1,
так как последняя дробь – эквивалентное сопротивление ветви ООС, которое значительно меньше сопротивления резистора RОС.
Выходное сопротивление с учетом действия ООС
Rвых = Rвых.0/F(¥),
где Rвых.0=Rвых║RОС®Rвых, а Rвых - сопротивление самого ОУ; фактор ООС F(¥)>>1 (см. ст. 24.15).
Если параметры самого ОУ близки к идеальным (что соответствует практике, то есть Кд®¥, Rвх.д®¥, Rвых®0), то приведенные выше формулы упрощаются:
Кинв = -RОС/R1, Rвх.инв » R1, Rвых.инв®0.
Недостаток инверсного ОУ – невысокое входное сопротивление. Увеличивая R1, нужно также увеличить и RОС, чтобы не уменьшить усиление (Кинв). Но высокоомный резистор RОС вызовет неустойчивость ОУ из-за дополнительного фазового сдвига сигнала цепью RОССвх.д (см. Рис.24.55,а). Поэтому для увеличения обоих параметров –
Rвх.инв и Кинв – включают делитель R2R3 (см. Рис.24.57), после чего эквивалентное сопротивление цепи ОС значительно возрастает:
RОС.экв = RОС+R2(1+RОС/R3) >> RОС,
- причем при невысоком фактическом номинале RОС. В результате можно применить и
высокоомный резистор R1, без потери устойчивости и усиления инверсного ОУ:
Кинв = -RОС.экв /R1.
Неинвертирующий / Неинверсный операционный усилитель – второй базовый вид включения ОУ (Рис.24.58), который используется во многих устройствах. Сигнал Uвх подают на неинверсный вход, а сигнал ООС UОС (как и в инверсном ОУ) – на инверсный вход через делитель RОСR1. Последнее обеспечивает отрицательный знак ОС, но, в отличие от инверсного ОУ, ООС введена последовательно с сигналом. Итак, имеем последовательно-параллельную ООС (см.ст.24.15) и потому входное сопротивление Н. ОУ намного больше, чем у инверсного ОУ. Коэф. передачи в общем виде К=К1К2/Fвх(0), где
К1 = Rвх.д /(Rвх.д+R1║RОС),
К2=Кд, Fвх(0) – фактор ОС (см. выше «Инверсный ОУ»), а символ ║ означает параллельное соединение цепей. Для идеализированного Н.ОУ, с параметрами Кд ®¥, Rвх.д®¥, коэф. передачи
К = 1+RОС/R1,
Следовательно, коэф. передачи напряжения К неинверсного ОУ не может быть меньше единицы. Входное сопротивление неинверсного ОУ составляет десятки мегаом. Согласно Рис.24.58и 24.55,а
Rвх = [Rвх0Fвх(0)]║Rвх.сф1, где Rвх0 = Rвх.д+R1║RОС.
Выходное сопротивление – очень мало (единицы ом), так как действует внешняя h-ООС.
В Н.ОУ, согласно исследованиям [1], к выходному напряжению добавляется составляющая – входная синфазная помеха Uвх.сф≈Uвх>>Uвх.д. Поэтому неизвестны точное значение коэффициента ее подавления kп.с.п=Kд/Kсф и знак коэффициента ее передачи Ксф. Эти недостатки объясняются слишком высоким входным сопротивлением Н.ОУ.
Неинвертирующий / Неинверсный операционный усилитель-повторитель– разновидность Н.ОУ (см. Рис.24.58) с подачей на вход не части, а полного выходного сигнала, учитывая , что RОС=0, R1→∞, как на Рис.24.59. При этом Uвх=Uвых+Uвх.д, где Uвх.д=Uвых/Кд. Поэтому коэф. передачи практически не зависит от сопротивления нагрузки:
К = Кд/(1+Кд).
Входное сопротивление велико, составляет много мегаом:
Rвх = [Rвх.д(1+Кд)]║Rвх.сф1.
Выходное сопротивление очень мало (доли ома). Выражение для Rвых Н.ОУ-повторителя совпадает с приведенным выше для Rвых инверсного ОУ, но фактор ОС выглядит иначе:
Fвых(∞) = [Rвх.дKд/(Rг+Rвх.д] +1,
где Rг – внутреннее сопротивление источника сигнала. Глубокая последовательно-параллельная h-ООС требует коррекции против возбуждения (см. ниже «Устойчивость ОУ»). Но коррекция ослаблением сигналов ВЧ уменьшает и быстродействие ОУ.
Преобразователь тока в напряжение на операционном усилителеполучаютна базе инверсного ОУ (см. Рис.24.57), в котором R1=0, то есть резистор закорочен. При этом ток Iвх=IОС=–Uвых/RОС, а напряжение Uвых=─IвхRОС, так как при Кд®¥, Rвх.д®¥ всё выходное напряжение приложено к RОС и входной ток самого ОУ отсутствует (см. начало ст. 24.1). Преобразователь имеет малые входное и выходное сопротивления и приемлемые, средние частотные свойства.
Устойчивость операционного усилителя – способность устройства на ОУ сохранять стабильность основных характеристик, это степень его удаленности от порога самовозбуждения (генерации) в диапазоне рабочих частот при всех возможных уровнях сигнала, шумов, помех, допустимых колебаниях температуры и напряжений источника питания, а также при замене экземпляра ОУ. Устойчивость – самое важное условие работоспособности устройства. Из известных критериев устойчивости (см. ст. 12.7) алгебраические малопригодны, так как нет точных значений параметров ОУ и цепей ОС, трудно вычислить корни знаменателя передаточной функции К(jw). Поэтому пользуются частотным критерием Боде, четко указывающим, как именно сделать ОУ устойчивым. Для этого нужно, чтобы модуль фазового сдвига петлевого усиления (см. ст. 24.15) был меньше p на частоте прохождения сигнала.
Частота прохождения сигнала при замкнутой петле ОС, или критическая частота wкр (Рис.24.60) - такое ее значение, при котором петлевое усиление (bКд)кр=1 (0 дБ)), а коэф. Кд ОУ равен обратному значению коэффициента передачи b цепи ОС, а именно: Кд(wкр)=1/b(wкр). Следовательно, точка В пересечения диаграммы Боде и линии коэффициента передачи 1/b (Рис.24.61) дает искомую абсциссу wкр.
Критерий Боде вообще устанавливает, что начальный фазовый сдвиг p на низких и на средних частотах дает сама цепь ОС, подключенная к инверсному входу ОУ, а дополнительный сдвиг (вследствие инерционности ОУ на ВЧ и паразитных емкостей цепи b) вносит частотно-зависимый компонент jч=jK-j1/b. То есть jч есть разность наклонов к оси частот асимптотических диаграмм Боде для Кд(wкр) и 1/b(wкр). При независимости цепи b от частоты сдвиг j1/b=0, график функции 1/b(w) – горизонтальная прямая, jч=jK и весь фазовый сдвиг зависит лишь от двух дифференциальных каскадов внутри ОУ с частотами полюсов (срезов АЧХ) wп1 и wп2.
Запас устойчивости jзап=p-jч положительного знака является гарантией устойчивого ОУ, а отрицательный знак jзап свидетельствует о возбуждении ОУ. Для уменьшения времени установления и выбросов желательный запас У. составляет от p/3 до p/4. Существуют нормированные графики зависимости отношения выброса d% от jзап [1], с которыми пользователь сравнивает свои осциллограммы прохождения прямоугольных импульсов через ОУ. Например, для допустимого «звона» (выброса) d<5 % нужен запас устойчивости jзап>65°.
На практике часто применяют простой логарифмический критерий Боде: если горизонтальная прямая на уровне 1/b=Кд (см. Рис.24.61) пересекает диаграмму Боде Кд(w) на участке ее единичной крутизны (6 дБ/окт), то ОУ устойчив, а если на участке 12¾ 18 дБ/окт и больше, то ОУ неустойчив. Для типичных применений ОУ (инверсный, неинверсный) – при больших значениях Rвх.д, и Кд, но малом Rг – коэф. прямой передачи сигнала с нулевой и низкой частотой
К0»(RОС+R1)/R1,
а коэф. обратной передачи –
b≈R1/(RОС+R1),
откуда видно, что К0≈1/b. Таким образом на критической частоте Кд(wкр)»К0: коэф. передачи самого ОУ (без ОС) равен заданному низкочастотному коэффициенту усиления с ООС. Для обеспечения устойчивости необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т. е. заранее корректировать передаточную функцию – АЧХ, ФЧХ самого ОУ, без внешних цепей ОС.
Фазочастотная коррекция операционного усилителя –обеспечение устойчивого усиления ОУ с цепью ООС путем уменьшения запаздывания фазы сигнала в каждом дифференциальном каскаде. Суть коррекции – искусственное ограничение крутизны спада АЧХ не более 6 дБ/окт (20 дБ/дек) во всем диапазоне частот при работе ОУ с малым усилением, т. е. с очень глубокой ООС, при которой вероятны большие фазовые сдвиги. Это условие, которое вытекает из простого логарифмического критерия Боде.
Простейшая коррекция с запаздыванием – шунтирование определенной сигнальной точки дифференциального каскада внутри ОУ конденсатором небольшой емкости Скор, что эквивалентно включению ФНЧ на пути прохождения сигнала (Рис.24.62,а). Передаточная функция цепи коррекции Ккор(w) содержит один полюс с частотой wп.кор=1/(RCкор) (см. Рис.24.61, штриховая линия) и обеспечивает нужное запаздывание фазы. График ALM – это передаточная функция K(w) самого ОУ, график AL¢М¢ - полный коэф. передачи K(w)=K(w)+Kкор(w), дБ. Частоту среза (полюса) wп.кор задают достаточно низкой и получают протяженный участок единичной крутизны 6 дБ/окт. Для устойчивости принимают запас фазы jзап=p/4 (точка L¢ второго излома АЧХ с коррекцией - на уровне К(w), 1/b(w)) и, исходя из пропорции wп1/wп.кор=К0/К0, выбирают емкость конденсатора Скор=1/(Rwп.кор). Значение R берут из принципиальной схемы ОУ (или задаются им) и определяют точку А графическим способом. Для выбранной постоянной времени RСкор цепи коррекции номинал конденсатора Скор уменьшают путем включения его в высокоомную сигнальную цепь ОУ. Для этого в некоторых ОУ предусмотрены специальные выводы-клеммы. Недостаток – резкое смещение частоты первого полюса wп1 влево, в область НЧ (из-за емкостного шунтирования резистора) и, следовательно, снижение быстродействия ОУ.
Усложненная коррекция запаздыванием сигнала дает возможность на порядок, по сравнению с предыдущей схемой, снизить номинал конденсатора Скор и этим сдвинуть вверх частоту первого полюса wп1, добавив лишь один резистор Rкор (Рис.24.62,б). При запасе фазы jзап=p/4 из приведенной выше пропорции имеем: частота
wп.кор = wп2К0/К0.
Сопротивление Rкор=R/(А-1), емкость конденсатора Скор=1/(Rкорwп2), где параметр устойчивости
А = wп1К0/(wп2К0).
Коррекцию местной емкостной параллельной ООС между базой и коллектором одного из каскадов с ОЭ применяют, чтобы уменьшить номинал конденсатора
Скор = К0 / [К0w1R(1+К02)],
где w1 - угловая частота единичного усиления (Рис.24.61), К02 - низкочастотный коэф. передачи второго транзистора, R – сопротивление между его базой и корпусом [1]. Эта коррекция основана на эффекте Миллера (см. ст. 24.12), действует при большом усилении и требует лишь одного конденсатора небольшой емкости СОС=Скор, а широкополосностью (сдвигом вверх частоты полюса wп.кор) значительно превосходит предыдущие способы коррекции, благодаря чему ее широко применяют в ИМC.
Коррекция с фазовым опережением – способ компенсации сдвига фазы, обусловленного действием не только самого ОУ, но и полной цепи ОС с входной Свх и монтажной См паразитными емкостями, поскольку именно они резко снижают запас устойчивости ОУ. Коррекция состоит в добавлении параллельно резистору RОС (см. Рис.24.57) конденсатора емкостью Скор=(R1/RОС)(Свх+См).
Коррекция подачей сигнала вперед – простейшая, осуществляется с помощью конденсатора Скор, который в обход каскада создает прямой путь пассивной передачи сигнала. Положительным сдвигом фазы от конденсатора Скор уменьшается отрицательный сдвиг на ВЧ от петли ОС; это повышает устойчивость ОУ за счет разбалансирования фаз. Конденсатор Скор увеличивает полную емкость нагрузки и понижает частоту полюса:
wп.кор = 1 / [Rн.экв.ВЧ(Сн.экв+Скор)],
где Сн.экв=С22+Сн+См (см. ст.24.12). Чрезмерный запас устойчивости уменьшает полосу пропускания ОУ (вопреки селективному усилителю, см. ст. 24.8 и 17.29) и его быстродействие. Поэтому при разработке ОУ запас устойчивости задают компромиссно, в рациональных пределах.
Шумовая модель операционного усилителя – модель с представлением шумовых источников в виде генераторов тока Iш и напряжения Uш (Рис.24.63), числовые значения которых приводят в справочниках, напр., [2]. Суммарный эффект шума описывают приложенным к инверсному входу ОУ эквивалентным входным напряжением всех шумов, вместе взятых (см. ст. 17.32 и 29.14):
,
где – напряжение тепловых шумов Джонсона, выраженное формулой Найквиста, а – ток дробовых шумов Шоттки и фликкер-шумов вида 1/f, k=1,38·10-23Дж/К– постоянная Больцмана, q=1,6·10-19Кл – заряд электрона, T – абсолютная температура, K, П – полоса пропускания, Гц, I – среднее значение постоянного тока, А. Выходной шум ОУ
Коэф. шума ОУ Ш=(Рс/Рш)вх/(Рс/Рш)вых выражают в децибелах: Ш(дБ) = 10lgШ. В иностранной литературе [2, 3,7] коэф. Ш (дБ) называют шум-фактором.
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ сигналов НА Операционном Усилителе - решающий усилитель (в явном или неявном виде), выполняющий функции усиления и преобразования сигнала с высокой точностью при минимальной сложности схемы. Содержит ОУ с цепями внешних обратных связей. Здесь рассматриваются наиболее типичные из них [1, 2, 4]. Анализ практически всех применений ОУ базируется на трех предпосылках, близких к реальным параметрам ОУ*:
― входное сопротивление ОУ Rвх.д®¥, значит, входной ток устройства внутрь ОУ не ответвляется, а протекает по внешней цепи R1RОС (см., напр., Рис.24.57);
― потенциал Uвх=(Uвых/Kд)®0, так как Kд®¥ по условию (см. ст. 24.17);
― всё входное напряжение приложено к резистору R1, а всё выходное – к RОС. Третье допущение следует из двух первых. В общем случае сопротивление цепи ОС –комплексное; в качестве ZОС могут быть и частотно-зависимая, и нелинейная цепи, и их сочетание.
Активный алгебраический сумматорможет быть с инвертированием сигналов и без него. Выходное напряжение инвертирующего (далее – инверсного) сумматора (рис.24.1,а) пропорционально алгебраической сумме сигналов от нескольких (n) входов, соединенных с инверсным входом ОУ через разделительные резисторы R1,…Rn. При Kд®¥ потенциал Uвх®0, значит потенциалы всех входов ОУ одинаковы, а источники сигналов взаимно развязаны. Ток IОС есть сумма всех входных токов: iвх.i=Uвх.i/Ri, - поскольку Rвх®¥и входной ток ОУ практически отсутствует. Напряжение на выходе алгебраического сумматора
Весовые коэффициенты суммирования RОС/Ri одинаковы, если сопротивления развязывающих резисторов равны: R1=R2…=Ri =Rn.
Неинвертирующий (далее – неинверсный) алгебраический сумматор соединяет все входные ветви вместе с пассивным сумматором — резистором R на неинверсном входе ОУ (рис.24.1,б). Тогда, при равенстве сопротивлений развязывающих резисторов R1=R2…=Ri =Rn=R, напряжение на выходе ОУ
Возможно также одновременное суммирование/вычитание на дифференциальных входах операционного усилителя (рис.24.1,в). Напр., сигналы Uвх.1 и Uвх.2 суммируют на резисторе RОС у инверсного входа (со знаком минус), а сигналы Uвх.3, Uвх.4 - на резисторе R у неинверсного входа (плюс). При идентичности входных плеч
RОС/R1 + RОС/R2 = R/R3 +R/R4
и алгебраическая сумма сигналов на выходе (результат вычислений)
Uвых = Uвх.3(R/R3) + Uвх.4(R/R4) - Uвх.1(RОС/R1) -Uвх.2(RОС/R2).
Так решают линейные уравнения вида y=ax+b, а на двух ОУ - систему уравнений вида
{ax + bу = C; cx + dу = D}.
Рассмотренные примеры устройств с ОУ содержат лишь частотно-независимые электрические цепи ОС.
Активный преобразователь полных сопротивленийимеет входное сопротивление, зависящее от характера нагрузки ОУ. Для осуществления этой зависимости необходим ОУ с неординарным параметром (см. ст. 24.17) – высоким выходным сопротивлением Rвых, чтобы не шунтировать нагрузку (напр., емкость Cн). Некоторые ОУ имеют специальные выводы-клеммы для этой цели. Различают два вида преобразователей – инверторы, т. е. устройства обращения характера реактивного элемента в свою противоположность (емкость в индуктивность), и конверторы, т. е. устройства согласования, изменяющие значение сопротивления, но не влияющие на его знак и характер.
Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 827;