Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей. Главы 19 и 20 будут посвящены базовым моделям операционных усилителей и их поведению в режиме ограничения скорости нарастания выходного сигнала
2067
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). 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. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ

Не всегда очевидно, каким образом полоса пропускания операционного усилителя (GBW) может повлиять на работу вашей схемы. Макромодели используют фиксированное значение GBW. Вы, конечно, можете заглянуть внутрь этих моделей, но лучше с ними не возиться. Что же тогда делать?

Чтобы проверить вашу схему на чувствительность к ширине полосы пропускания ОУ, лучше всего использовать общую модель операционного усилителя в программе SPICE-моделирования. Большинство симуляторов SPICE имеет простую модель операционного усилителя, которую вы можете легко изменить. На рисунке 46 показан один пример из программы TINA-TI.

Использование программы TINA-TI для создания SPICE-модели ОУ с целью проверки чувствительности схем к GBW

Рис. 46. Использование программы TINA-TI для создания SPICE-модели ОУ с целью проверки чувствительности схем к GBW

Сначала установите коэффициент усиления разомкнутого контура по постоянному току (DC) на 1 М (120 дБ). Тогда значение частоты первого полюса в герцах определит полосу пропускания усилителя в мегагерцах. В этом примере первый полюс с частотой 10 Гц создает GBW 10 МГц. На рисунке 47 показаны характеристики разомкнутого контура для трех разных GBW: 5, 10 и 100 МГц.

Характеристики разомкнутого контура для GBW 5, 10 и 100 МГц

Рис. 47. Характеристики разомкнутого контура для GBW 5, 10 и 100 МГц

Обратите внимание, что эта простая модель также включает в себя второй полюс, который многие разработчики называют «неудобным полюсом». В некоторых случаях может возникнуть желание поместить этот полюс на очень высокой частоте, например, 10 ГГц. Это создаст идеальный запас по фазе 90° для любой разумной ширины полосы пропускания. В этом примере я установил второй полюс, равный самому большому GBW, который я имитирую, на частоте 100 МГц. Вы можете увидеть влияние этого полюса на характеристику разомкнутого контура 100 ГГц GBW: характеристика меняет наклон на частоте 100 МГц. Это приводит к тому, что частота единичного усиления составляет примерно 78 МГц, примерно такой же результат вы можете увидеть в схеме с реальным операционным усилителем с аналогичным GBW. Как видно из рисунка 47, частота единичного усиления и полоса пропускания реального операционного усилителя не обязательно равны.

Для активных фильтров достаточно сложно судить о требованиях к полосе пропускания, и это хорошая причина для того чтобы снова воспользоваться моделированием. Программа WEBENCH® Filter Designer, использовавшаяся для расчета фильтра Чебышева, представленного на рисунке 48, рассчитала рекомендованную ширину полосы GBW, но в некоторых случаях это значение может быть излишне строгим. Для этой схемы программа рекомендует использовать GBW 100 МГц или выше, чтобы достичь почти идеальных характеристик фильтра. Я смоделировал проект с использованием трех GBW, показанных на рисунке 47: 5, 10 и 100 МГц. По этим результатам видно, что установленных требований можно достичь даже при GBW менее 100 МГц. Для финального моделирования необходимо использовать макромодель конкретного операционного усилителя.

Фильтр Чебышева, разработанный программой WEBENCH Filter Designer. Расчетное значение GBW может быть более строгим, чем необходимо

Рис. 48. Фильтр Чебышева, разработанный программой WEBENCH Filter Designer. Расчетное значение GBW может быть более строгим, чем необходимо

В программе моделирования TINA-TI я использовал пошаговое изменение параметров и варьировал частоту первого полюса для изменения GBW. Другие симуляторы имеют схожие возможности. Конечно, вы можете изменить параметры вручную. В любом случае, изменение ширины полосы пропускания общей модели операционного усилителя даст вам некоторое представление о ее влиянии на ваши схемы.

Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ

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.

Значительное изменение входного сигнала приводит к достижению предельной скорости нарастания

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.

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

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.

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

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.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA2156ID
OPA2156ID
Texas Instruments
Арт.: 3167424 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1109 шт. от 1 шт. от 355,42
Выбрать
условия
поставки
Операционные усилители 36-V, Low noise(4nV/G Hz), wide-bandwidth(25MHz), precision rail-to-rail in/out operational amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA2156ID от 1 шт. от 355,42
1109 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA2210IDGKT
OPA2210IDGKT
Texas Instruments
Арт.: 3167427 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 783 шт. от 1 шт. от 503,47
Выбрать
условия
поставки
Операционные усилители 36-V, low noise (2.2-nV/G Hz), high-precision (5-V Vos, 0.1-V/-C Drift), super beta(0.3nA IB) op amp 8-VSSOP -40 to 125.
OPA2210IDGKT от 1 шт. от 503,47
783 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA828ID
OPA828ID
Texas Instruments
Арт.: 3167434 ИНФО PDF AN RND
Доступно: 495 шт. 757,00
Операционные усилители 36-Volt, High-speed (45 MHz GBW and 150V/++s SR), low-noise (4nV/G Hz) RRO JFET operational amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA828ID 757,00
4 шт.
(на складе)
491 шт.
(под заказ)
OPA828IDR
OPA828IDR
Texas Instruments
Арт.: 3167435 ИНФО PDF AN RND
Доступно: 756 шт. от 3 шт. от 524,45
Выбрать
условия
поставки
Операционные усилители 36-Volt, High-speed (45 MHz GBW and 150V/++s SR), low-noise (4nV/G Hz) RRO JFET operational amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA828IDR от 3 шт. от 524,45
756 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA2210IDGKR
OPA2210IDGKR
Texas Instruments
Арт.: 3167651 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 900 шт. от 1 шт. от 437,88
Выбрать
условия
поставки
Операционные усилители 36-V, low noise (2.2-nV/G Hz), high-precision (5-V Vos, 0.1-V/-C Drift), super beta(0.3nA IB) op amp 8-VSSOP -40 to 125
OPA2210IDGKR от 1 шт. от 437,88
900 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()