Время установления: взгляд на форму сигнала

15 апреля

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

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

Время установления (Settling time) – это время, необходимое операционному усилителю, чтобы отреагировать на прямоугольный импульс входного напряжения, а затем достичь дифференциального сигнала ошибки, который бы соответствовал конечному значению выходного напряжения. Эта характеристика важна для многих приложений. Таких, например, в которых быстроменяющиеся сигналы с выхода ОУ оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Но давайте заглянем за пределы сухих определений и сосредоточимся на характере изменения формы сигналов.

В главе 20 мы рассмотрели, как ОУ переходит из состояния ограничения скорости нарастания в область малых сигналов (рисунок 52). При этом можно заметить, что чем больше коэффициент усиления, тем более плавно выходной сигнал приближается к конечному значению.

Рис. 52. При увеличении коэффициента усиления замкнутого контура пропускная способность уменьшается и реакция замедляется

Рис. 52. При увеличении коэффициента усиления замкнутого контура пропускная способность уменьшается и реакция замедляется

Такая особенность связана с уменьшением полосы пропускания замкнутого контура при более высоком коэффициенте усиления. В этом примере операционный усилитель имеет запас по фазе 90° при G = 1. Обратите внимание, что перерегулирования нет даже при единичном усилении. Этот практически идеальный отклик служит эталоном для сравнения, но вы вряд ли найдете ОУ с таким большим запасом по фазе при G = 1.

Диаграмма отклика, представленная на рисунке 53, выглядит более реалистичной (и чуть более пессимистичной). Эти сигналы сформированы одним и тем же ОУ, но с запасом по фазе 35° при G = 1 (предыдущие идеальные результаты также показаны для сравнения). Уровень перерегулирования сигнала составляет приблизительно 32% при G = 1. Перерегулирование относится только к малосигнальной области. При большем входном воздействии уровень перерегулирования будет тем же, но из-за пропорционального изменения на графике он будет казаться меньше. Вот почему вы всегда должны проверять перерегулирование и стабильность при небольших входных воздействиях.

Рис. 53. Формы сигналов, производимых одним и тем же ОУ, но с запасом по фазе около 35° при G = 1

Рис. 53. Формы сигналов, производимых одним и тем же ОУ, но с запасом по фазе около 35° при G = 1

На рисунке 54 показано увеличенное изображение небольшой части отклика при G = 1. Обратите внимание на то, что для достижения конечного фиксированного значения требуются два полных цикла колебаний. Колебания продолжаются и далее, становясь все меньше и меньше, но на этом графике их не видно из-за недостаточного разрешения. Для точного достижения конечного значения могут потребоваться один или два дополнительных цикла колебаний.

Рис. 54. Увеличенное изображение сигнала (для G = 1) показывает, что период колебаний является постоянным

Рис. 54. Увеличенное изображение сигнала (для G = 1) показывает, что период колебаний является постоянным

Когда вы рисуете такую диаграмму, вы часто изображаете заключительную часть колебаний так, как будто их частота возрастает. Однако на самом деле период колебаний является постоянным. Чрезмерные колебания могут дорого обойтись – это основная причина для того чтобы использовать хорошо работающие операционные усилители.

Истинное время установления точного выходного напряжения (16 бит или более) часто включает в себя другие факторы. Наличие фазовой компенсации и термические эффекты могут увеличить значение времени установления. Усилитель также может стать жертвой помех от внутренних переключений, поступающих от входа АЦП. Оптимизация всех этих факторов может быть достаточно сложна. Тем не менее, в первую очередь важно учесть ограничение скорости нарастания в сочетании с откликом системы второго порядка.

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
  20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала 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
OPA1671IDCKR (TI)
OPA1671IDCKT (TI)
OPA375IDCKR (TI)
OPA375IDCKT (TI)
TLV333IDBVT (TI)
TLV333IDCKR (TI)
OPA317IDBVT (TI)
OPA317QDBVRQ1 (TI)
OPA2835IDGSEVM (TI)
OPA2835IRMCT (TI)