7.1.3. Динамические свойства устройств на операционных усилителях

Особенности применения ОУ в качестве основного элемента прямой цепи систем с ООС накладывают ряд ограничений на форму его АЧХ. Чтобы устройство, содержащее ОУ, устойчиво работало во всем заданном диапазоне частот с заданным коэффициентом усиления, форма АЧХ ОУ должна соответствовать форме АЧХ апериодического звена интегрирующего типа (рис. 7.2в).

Рис. 7.2

С этой целью в состав ОУ вводят специальные цепи частотной коррекции, состоящие из резисторов и конденсаторов. Если цепь частотной коррекции введена на этапе изготовления микросхемы ОУ и находится внутри его корпуса, то получается ОУ с внутренней частотной коррекцией. Частотная коррекция может быть введена также с помощью внешних элементов.

Основными паспортными динамическими параметрами ОУ являются К₀ – коэффициент усиления на нулевой частоте (на постоянном токе) и частота F_t единичного усиления, связанные между собой через третий параметр F₀, называемый частотой среза: К₀ = F_t/F₀. Частотой среза ОУ называется такая частота входного сигнала, на которой собственный коэффициент усиления ОУ уменьшается до значения, равного 0,707^. К₀ (примерно на 30 %). Частотой единичного усиления ОУ называется такая частота входного сигнала, на которой собственный коэффициент усиления ОУ уменьшается до значения, равного 1.

Графическая интерпретация связи между этими параметрами дана на рис. 7.2в. На рис. 7.2г представлена эквивалентная динамическая схема ОУ. В соответствии с данной моделью принято считать, что на частотах от 0 до F₀ коэффициент усиления ОУ постоянен и равен K₀. На частотах от F₀ до F_t коэффициент усиления уменьшается обратно пропорционально (со скоростью –20 дБ на декаду в логарифмических единицах) частоте входного сигнала. Таким образом, типовая АЧХ ОУ может быть выражена следующими соотношениями:

К(f) = К₀, f  F₀,

К(f) = F_t/f , f  F₀. (7.5)

АЧХ любых устройств, построенных на ОУ, могут иметь разную форму, но всегда будут находиться внутри типовой АЧХ.

При анализе динамических свойств устройств, построенных на ОУ, чаще всего приходится решать две задачи. Первая задача связана с оценкой полосы пропускания усилителя при известных параметрах самого ОУ и цепи обратной связи. Вторая задача, обратная предыдущей, предполагает формулировку требований к динамическим параметрам ОУ при заданных характеристиках усилителя. Под полосой пропускания понимается полоса частот, в пределах которой коэффициент усиления усилителя изменяется не более чем на 3 дБ (примерно на 30 %) от номинального значения. Методику решения подобных задач рассмотрим на следующих примерах.

Пример 1. На базе ОУ типа 140УД8, имеющего К₀ = 50000 и частоту единичного усиления F_t = 3 МГц, построен усилитель постоянного тока с номинальным коэффициентом усиления 100. Оценить полосу пропускания этого усилителя.

Решение. Полоса пропускания ППР = F_в – F_н, где F_в – верхняя частота среза усилителя, определяемая как точка пересечения прямой Ку = 100 и наклонной линии типовой АЧХ ОУ К(f) = F_t /f , F_н – нижняя частота среза, которая для усилителей постоянного тока равна ну лю. Поэтому ППР = F_в = F_t/Ку = 310⁶/100 = 30 кГц. Реальное значение коэффициента усиления на этой частоте составляет 0,707Ку  71, что следует из определения частоты среза.

Ответ. ППР = 30 кГц. На рис. 7.3а представлены логарифмические АЧХ (ЛАЧХ или диаграммы Боде) типового ОУ и рассчитанного усилителя.

Пример 2. Можно ли использовать ОУ с частотой единичного усиления F_t = 1 МГц для построения усилителя постоянного тока, имеющего коэффициент усиления 50 и полосу пропускания до 40 кГц?

Решение. Оценим частоту единичного усиления проектируемого усилителя F_tу = КуF_в = 5040000 = 2 МГц. Так как по условию задачи F_t = 1МГц < 2 МГц, то ответ отрицательный.

Важным динамическим паспортным параметром ОУ является также скорость нарастания выходного напряжения. Этот параметр определяет быстродействие ОУ при его работе в импульсных схемах. По значению этого параметра ОУ принято классифицировать на следующие группы. ОУ малого быстродействия имеют скорость нарастания не более 10 В/мкс, ОУ среднего быстродействия имеют скорость нарастания от 10 до 100 В/мкс. К группе быстродействующих относятся ОУ со значением V > 100 В/мкс.