Скорость нарастания входного напряжения

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое скорость нарастания сигнала операционного усилителя и зачем ее нужно знать

Что такое скорость нарастания (slew rate) в операционных усилителях и как ее узнать? В этой статье мы дадим ответ на эти вопросы, определим скорость нарастания сигнала, поговорим о ее причинах и сопоставим ее с параметром пропускной способности.

Во-первых, давайте рассмотрим разницу между идеальным и реальным операционными усилителями, чтобы понять, как скорость нарастания может выявить различия между двумя этими видами.

Когда мы впервые изучаем операционные усилители, мы обычно рассматриваем достаточно точную идеальную модель, которая упрощает анализ и помогает нам развить интуитивное понимание функциональности операционных усилителей. На следующей схеме показаны характеристики этого идеализированного операционного усилителя.

Когда мы анализируем схему, используя идеальную модель, мы делаем следующие предположения:

  • Ток не течет во входные контакты операционного усилителя или из них
  • Усиление в разомкнутом контуре операционного усилителя бесконечно и не имеет частотной зависимости
  • Выходное сопротивление равно нулю

В конце концов, мы должны смириться с неидеальностями операционных усилителей, которые влияют как на статические, так и на динамические характеристики. Ток проходит через входные контакты, коэффициент усиления разомкнутого контура не бесконечен, выходной импеданс не равен нулю, а частота входного сигнала влияет на характеристики выходного сигнала.

В этой статье мы собираемся сосредоточиться на ограничении операционного усилителя, которое влияет на динамический отклик, и, возможно, про него легко забыть, поскольку в большинстве случаев его влияние на работу схемы менее заметно и менее существенно, чем влияние частотной характеристики операционного усилителя без обратной связи. Эта неидеальность называется скоростью нарастания сигнала.

Скорость нарастания – это максимальная скорость изменения напряжения, которое может генерироваться выходной схемой операционного усилителя. Она измеряется как напряжение относительно времени, и типичная единица измерения, используемая в документации – это вольт в микросекунду (В/мкс).

Допустим, у вас есть операционный усилитель и подается входной сигнал, который в идеальной среде генерирует выходной сигнал с наклоном 10 В/мкс. Если скорость нарастания сигнала операционного усилителя составляет 2 В/мкс, выходной сигнал будет отражать поведение влияние этого параметра операционного усилителя, а не ожидаемый выходной сигнал. Когда операционный усилитель находится в этом состоянии с ограниченной скоростью нарастания, выходной сигнал представляет собой линейное изменение с наклоном, равным скорости нарастания.

Полное объяснение скорости нарастания на уровне транзистора выходит за рамки этой статьи, но в целом это явление возникает из двух характеристик динамического отклика операционного усилителя. Во-первых, здравый смысл подсказывает нам, что выход операционного усилителя не может мгновенно реагировать на изменение входа. Таким образом, мы имеем неизбежную задержку от изменения входа до изменения выхода. Во-вторых, когда операционный усилитель подключен в конфигурации с отрицательной обратной связью, эта задержка в некоторых случаях приведет к большой разнице между напряжением, приложенным к инвертирующему входному контакту, и напряжением, приложенным к неинвертирующему входному контакту. Это большое дифференциальное напряжение изменяет поведение входного каскада дифференциальной пары таким образом, что выходное напряжение линейно увеличивается (или уменьшается), то есть Vвых(t) = SR × t. На скорость нарастания (SR) также сильно влияет величина компенсационной емкости.

На первый взгляд может показаться, что скорость нарастания – это просто проявление ограничений полосы пропускания операционного усилителя во временной области. Можно предположить, что когда мы работаем с синусоидальными сигналами, операционный усилитель теряет усиление на высоких частотах, а когда мы работаем с переходными процессами, тот же базовый механизм ограничивает максимальную скорость изменения выходного сигнала. Тем не менее, важно признать, что частотная характеристика и скорость нарастания являются различными явлениями и что эффекты этих двух явлений существенно различаются.

Поля в передаточной функции операционного усилителя приводят к типичному поведению фильтра нижних частот, амплитуда сигнала уменьшается с увеличением частоты и происходит сдвиг фазы. Но эти эффекты являются линейными, и, следовательно, они не вносят искажения в выходной сигнал. Нарастание сигнала с другой стороны, является нелинейным эффектом. Если синусоидальный входной сигнал, умноженный на коэффициент усиления операционного усилителя, приводит к наклону, который больше скорости нарастания операционного усилителя, часть выходного сигнала будет прямой линией, а не изогнутой частью синусоиды. Таким образом, нарастание может изменить форму сигнала и, следовательно, является источником искажения, а не просто изменения амплитуды или фазы.

Читайте также:  Режим измерения напряжения при низком сопротивлении lowz

Огромный выбор операционных усилителей, доступных в настоящее время для инженеров, охватывает очень широкий диапазон скоростей нарастания. Некоторые устройства предлагают несколько вольт в микросекунду или даже меньше, а другие предлагают сотни вольт в микросекунду. Если вы разрабатываете схему, в которой используются переходные сигналы, синусоиды высокой амплитуды или цифровые сигналы, подумайте о скорости нарастания, прежде чем выбрать операционный усилитель.

Этот график, взятый из документации на LTC6228, усилителя с высокой скоростью нарастания скорости от Linear Tech / Analog Devices, демонстрирует, что различные параметры влияют на характеристики скорости нарастания.

Как показано в таблице ниже, существует тесная связь между потреблением тока и скоростью нарастания. Вам нужно будет сделать тщательный отбор компонентов, если вы хотите иметь хорошие характеристики скорости нарастания в конструкции с очень низким энергопотреблением.

Мы надеемся, что эта статья обеспечила фундаментальное понимание скорости нарастания и ее роли в работе операционных усилителей.

Источник

Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ

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.

Поведение операционных усилителей в режиме ограничения скорости нарастания часто вызывает недопонимание Это объемная тема, поэтому давайте разбираться поэтапно.

Между входами ОУ обычно присутствует очень небольшое напряжение, в идеале – ноль, не так ли? Но внезапное изменение входного сигнала временно приводит к тому, что контур обратной связи выходит из равновесия, создавая дифференциальное напряжение ошибки между входами операционного усилителя. Это заставляет ОУ увеличивать выходное напряжение для исправления ошибки рассогласования. Чем больше рассогласование, тем выше скорость нарастания сигнала на выходе. Однако увеличение скорости нарастания не бесконечно. При достаточно большом дифференциальном напряжении на входе скорость нарастания достигает своего предела.

Если амплитуда входного прямоугольного импульса достаточно велика, то скорость нарастания выходного сигнала достигает своего предела. При дальнейшем увеличении амплитуды скорость нарастания на выходе не изменится. На рисунке 49 на примере простой схемы демонстрируется, почему так происходит. При постоянном входном напряжении в схеме с замкнутым контуром между входами операционного усилителя присутствует нулевое напряжение. Входной каскад сбалансирован, а ток IS1 равномерно распределяется между двумя входными транзисторами. Если напряжение входного прямоугольного сигнала превышает 350 мВ, то весь ток IS1 начинает протекать по одному плечу входного каскада. Этот ток заряжает (или разряжает) компенсационный конденсатор Миллера – C1. Скорость нарастания выходного сигнала (Slew rate, SR) – это скорость, с которой IS1 заряжает C1. Она равна IS1/C1.

Рис. 49. Значительное изменение входного сигнала приводит к достижению предельной скорости нарастания

Конечно, приведенная схема ограничения не единственная, существуют и другие варианты. ОУ с улучшенными динамическим характеристиками имеют в своем составе специальную схему, которая обнаруживает подобные перегрузки и включает дополнительные источники тока для ускоренной зарядки C1. Однако в этом случае скорость нарастания по-прежнему остается ограниченной. Скорости нарастания и спада могут не совпадать. В этой простой схеме они практически равны, но ситуация меняется в зависимости от конкретного ОУ. Напряжение, необходимое для достижения предела скорости нарастания (для рассмотренной схемы это 350 мВ) может меняться от 100 мВ до 1 В или более, в зависимости от операционного усилителя.

Если достигнута максимальная скорость нарастания напряжения на выходе, то усилитель не может реагировать на дополнительное увеличение сигнала на входе, входной каскад перегружен. Но как только выходное напряжение приближается к конечному значению, величина рассогласования на входах операционного усилителя возвращается в линейный диапазон. Затем скорость изменения выходного сигнала постепенно уменьшается, чтобы обеспечить плавное достижение конечного значения.

По сути, при достижении ограничения скорости нарастания для ОУ не происходит ничего страшного – нет ни повреждений, ни каких-либо негативных последствий. Но чтобы избежать грубого искажения формы синусоидального сигнала, вы должны ограничить частоту и/или амплитуду сигнала на выходе, чтобы его фронт не превышал скорость нарастания усилителя. На рисунке 50 показано, что максимальный наклон синусоидальной волны пропорционален напряжению питания и частоте. Однако даже если скорость изменения синуса на 20% меньше требуемой скорости нарастания, сигнал на выходе искажается почти до треугольной формы.

Читайте также:  Схема преобразователь напряжения 300 вольт

Рис. 50. Синусоидальная волна, воспроизведенная без искажений (вверху) и с искажениями при достижении ограничения скорости нарастания (внизу)

Крутые фронты и срезы больших прямоугольных импульсов также искажаются – наклоняются в соответствии со скоростью нарастания операционного усилителя. Задняя часть фронта и спада сигнала имеет закругленную форму, как показано на рисунке 49. Это связано с тем, что усилитель возвращается в область малых сигналов.

В неинвертирующей схеме требуется как минимум 350 мВ, чтобы достичь ограничения по скорости нарастания, независимо от коэффициента усиления. На рисунке 51 показано поведение усилителя в состоянии ограничения для входного сигнала 1 В при коэффициентах усиления 1, 2 и 4. Скорость нарастания одинакова для каждого коэффициента усиления. При G = 1 выходной сигнал переходит в область малых сигналов на величине 350 мВ. При G = 2 и G = 4 область малых сигналов пропорционально увеличивается, потому что сигнал ошибки, подаваемый обратно на инвертирующий вход, ослабляется в цепи обратной связи. Если ОУ работает с коэффициентом усиления больше 50, то ограничение скорости не будет столь заметно из-за того что напряжение 350 мВ будет перегружать также и выход.

Рис. 51. Выход из области ограничения скорости нарастания при больших коэффициентах усиления происходит более плавно и при более высоком выходном напряжении

Скорость нарастания напряжения традиционно измеряется в вольтах в микросекунду, возможно, потому что ранние операционные усилители общего назначения имели скорость нарастания в диапазоне 1 В/мкс. Хотя для современных высокоскоростных усилителей значения скоростей находятся в диапазоне 1000 В/мкс, увидеть запись 1 кВ/мкс или 1 В/нс можно все-таки редко. Аналогично для маломощного ОУ будет приведено значение 0,02 В/мкс, и значительно реже используется запись 20 В/мс или 20 мВ/мкс. Таким образом мы отдаем дань традициям.

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник

8.2. Характеристики операционных усилителей

ОУ характеризуются усилительными, входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными и скоростными характеристиками.

Коэффициент усиления (KU) равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному напряжению при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от 10 3 до 10 6 .

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 8.4). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного), либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжениями +Uвых max) -Uвых max. Эти напряжения близки к напряжению источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ:

Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Амплитудные характеристики (см. рис. 8.4), проходят через нуль. Состояние, когда Uвых = 0 при Uвх = 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется. При Uвх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля:

Напряжение (Uсмо), при котором Uвых = 0, называется входным напряжением смещения нуля (рис. 8.5). Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для получения нуля на выходе ОУ. Обычно составляет не более единиц милливольт. Напряжения Uсмо и ∆Uвых (∆Uвых = Uсдв — напряжение сдвига) связаны соотношением:

Основной причиной появления напряжения смещения является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада.

Зависимость параметров ОУ от температуры вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения. Дрейф входного напряжения смещения – это отношение изменения входного напряжения смещения к изменению окружающей температуры:

Обычно Eсмо составляет 1…5 мкВ / °С.

Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. Операционные усилители характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала осс) отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала (Кuд) к коэффициенту усиления синфазного сигнала (Кu сф).

Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазног
о входного сигнала). Коэффициент ослабления синфазного сигнала обычно выражается в децибелах.

Читайте также:  Выполняет ли ибп функцию стабилизатора напряжения

Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.

Входной ток смещения (Iсм) – ток на входах усилителя. Входные токи смещения обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Другими словами, Iсм – это токи, потребляемые входами ОУ. Они обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входной ток смещения (Iсм), приводимый в справочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения:

Входной ток сдвига – это разность токов смещения. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Температурный дрейф входного тока коэффициент, равный отношению максимального изменения входного тока ОУ к вызвавшему его изменению окружающей температуры.

Температурный дрейф входных токов приводит к дополнительной погрешности. Температурные дрейфы важны для прецизионных усилителей, так как, в отличии от напряжения смещения и входных токов, их очень сложно скомпенсировать

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада

Входное сопротивление зависит от типа входного сигнала. Различают:

· дифференциальное входное сопротивление (Rвх диф) – (сопротивление между входами усилителя);

· синфазное входное сопротивление (Rвх сф) – сопротивление между объединенными входными выводами и общей точкой.

Значения Rвх диф лежат в интервале от нескольких десятков килоом до сотен мегаом. Входное синфазное сопротивление Rвх сф на несколько порядков больше Rвх диф.

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток.

Операционный усилитель должен обладать малым выходным сопротивлением (Rвых) для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Реальное Rвых составляет единицы и сотни ом.

Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов – его скоростными или динамическими параметрами.

Частотная зависимость коэффициента усиления ОУ без обратной связи называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

На низких частотах коэффициент усиления операционного усилителя без ОС очень велик и остается постоянным до частоты, называемой частотой среза (fср,), а затем появляется спад АЧХ, коэффициент усиления начинает уменьшаться. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте (fгр), которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в , оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для соврем
енных ОУ десятки мегагерц.

Частота (f1), при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления.

Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазо-частотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 8.8).

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать амплитудно-частотную характеристику ОУ.

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 8.9).

Скорость нарастания выходного напряжения – это отношение приращения ( Uвых) к интервалу времени ( t), за который происходит это приращение при подаче на вход прямоугольного импульса. То есть

Чем выше частота среза, тем больше скорость нарастания выходного напряжения. Типовые значения VU вых единицы вольт на микросекунды.

Время установления выходного напряжения (tуст) – время, в течение которого Uвых операционного усилителя изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения Uвых при воздействии на вход ОУ прямоугольных импульсов. Время установления обратно пропорционально частоте среза.

Источник

Оцените статью
Adblock
detector