Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ

1 апреля

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

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.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

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

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.

Рис. 50. 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.

Рис. 51. 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.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
  8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
  9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
  10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
  13. Приручаем нестабильный ОУ
  14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
  15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
  16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
  17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
  18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
  19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA828ID (TI)
OPA828IDR (TI)
OPA2210IDGKR (TI)
OPA2210IDGKT (TI)
OPA2156IDGKR (TI)
OPA2156IDGKT (TI)
OPA2156IDR (TI)
OPA2156ID (TI)